预应力装配式混凝土框架结构的受力性能研究

陈燕友

（广东理工学院）

1 装配式建筑概述

近年来装配式建筑成为新的发展方向之一，该技术的施工效率高，对环境的污染低，近年来发展十分迅速，也获得了较为成功的应用。比如，今年年初在武汉爆发疫情的背景下，为了抗击疫情，在武汉的火神山与雷神山应用装配式施工理念，分别仅用不到十天的时间建成了两所专业的传染病医院，极大的体现了装配式建筑的优势。相比于传统建筑，装配式建筑主要有以下的优点和特点。

①装配式建筑相比于传统的建筑模式更为绿色环保，成本更低。装配式建筑的主要过程是在工厂进行集中生产，它对材料的利用率更高，对环境的污染更小，是一种成本较低的绿色施工模式；

②装配式建筑相比于传统建筑施工效率高，建设周期更短。装配式建筑的施工现场主要是对模块化构建的搭建，对施工人员的技术要求低，施工效率高，建设周期更短，非常适用于紧急情况下的建筑建设；

③装配式建筑的施工机械化程度更高，施工标准性与规范性更强，且更加环保节能，装配式建筑通过模块化设计在工厂施工，其标准性与机械化程度更好，且各方面的质量控制都更为严格，相比于传统的现场施工模式，质量控制更好。

2 预应力装配式混凝土框架结构

预应力装配式混凝土框架结构是指在进行装配式模板生产的同时预留预应力筋的孔道，以后张拉预应力筋的施工形式将装配式框架连接起来，其既有装配式框架结构的施工优点，又利用了现代建筑中预应力施工的原理，极大的提升框架结构的整体性能[1]。后张拉预应力筋可以通过预留的孔道对框架结构进行连接，进而成为装配的一种方式，促成框架的整体连接，并通过对梁柱等节点进行张拉预压，使梁柱与框架成为受力的整体，形成连续性框架结构。在此种施工模式下，梁柱的节点承受竖向压力，混凝土框架结构承受横向压力，两者结合为一个整体，出现地震等地质灾害时，其结构节点的抗裂能力与抗剪能力更强。可以说预应力装配式混凝土结构有效提升了各个连接节点的强度和刚度，耐久性以及抗震性能。主要的结构类型有以下几种。

2.1 全粘结预应力装配式混凝土框架结构

全粘接指的是将预应力筋埋入预留孔道后，进行浇筑，然后通过后法张拉的形式使预应力筋与混凝土框架结构实现粘接的施工模式。该类施工模式受到很多国家的研究，可以有效的提升预应力筋的耐久性能，且其节点结构与现浇钢筋混凝土结构具有相同的性能。但是，全粘接预应力装配式混凝土框架结构的预应力筋会由于在梁柱等连接处相对集中的塑形变形，而导致预应力损失，造成预应力不足，节点位移增大，自复位能力不足进而影响节点刚度，导致承载力不足。

2.2 部分粘结预应力装配式混凝土框架结构

部分粘结指的是将预应力筋埋入孔道后，部分位置进行浇筑与混凝土框架进行粘接的施工方式。一般是梁柱等节点处无粘接，其他位置进行粘接。此类施工方式经过建筑结构的反复荷载作用后，预应力筋的受力与形变较为均匀，即便是在地震过后，预应力筋的延性依然可以较好的保持。预应力筋与梁柱等结合面因预应力产生的抗剪摩擦力也会得到较好的保持。虽然地震后整体结构的能力有所降低，但是形变较小，刚度退化有限，而节点部位的预应力筋是非粘接的因此其受力均匀，剪应力不会传递到节点上，保持了较好的弹性能力，但是部分粘接的形式会在梁柱等节点位置造成转动变形集中，导致裂缝扩大的可能性，因此需要设置约束钢筋。

2.3 无粘结预应力装配式混凝土框架结构

无粘结是应用最为广泛的一种预应力装配式混凝土框架结构模式。特点是将预应力筋穿过孔道不进行浇筑，直接张拉锚固的一种施工模式。该类施工模式最为简单方便，且由于无粘接也不会对混凝土框架结构梁柱的连接点造成影响。即便经历地震依然可以保持较好的性能。但是，对于锚固的施工质量要求较高，对于锚具的质量与能力要求较高，在现阶段还存在着一定的限制性，是目前主要的研究方向之一，应用前景非常广阔[2]。

3 预应力混凝土框架结构的受力性能理论分析

3.1 钢筋混凝土框架的抗展设计准则和强度要求

在预应力装配式混凝土框架结构的施工中，最为重要的是节点的施工质量，其直接关系到框架结构的整体性，是最为主要的集中受力区域，因此现阶段主要的设计施工原则是强节点、弱构件。节点结构的强度要求根据其受力的特点与性能主要分为三中类型，以下分别进行介绍分析：

1）抗压强度

混凝土框架结构中，梁柱节点作为梁柱的一部分会承担来自于竖向的压力，竖向压力的大小与梁柱节点的延性成反比，因此为了提高梁柱节点位置的延性，满足其抗压强度，需要通过结构设计，分担来自于上方的竖向压力。通过在水平方向设置约束力，约束力的设置可以是原有的结构，也可以通过钢筋钢箍配置约束混凝土实现。相关研究发现，在混凝土强度范围内受到的约束力越大，其承载力也强。混凝土结构的约束箍筋分为螺旋箍筋与封闭箍筋两类，螺旋箍筋的效果更为明显。约束箍筋的配置可以显著提升节点的抗压强度，即便在混凝土结构受损的情况下，其核心区依然能维持较好的性能和状态。

2）抗弯强度

混凝土框架结构中，节点位置的抗弯强度非常重要，在反复荷载的情况下，梁柱节点位置会出现塑性铰，极大的影响混凝土框架结构的整体性能。混凝土框架结构要遵循强柱弱梁的原则，即任何节点在最不利轴力的情况下，其周围柱端的抗弯能力也要高于同平面内梁端可承受的抗弯能力，为满足这一原则，在梁柱节点的位置要设置数量充足的约束与抗剪钢筋，保证即便在混凝土保护层脱落的情况下依然保持较高的抗弯强度。

3）抗剪强度

剪应力破坏是混凝土框架结构节点位置最大的破坏因素，节点核心区承担剪应力作用的是混凝土与抗剪钢筋。节点核心区需要满足足够的抗剪强度，提升往复荷载下对于剪应力的抵抗力。

3.2 钢筋混凝土框架节点的破坏机理

钢筋混凝土框架节点的强度主要受预制混凝土结构本身的强度质量、预应力筋的锚固与拉伸质量以及箍筋构造的合理性与质量决定[3]。通过研究分析，节点位置主要受到的破坏机理有三种。

1）斜压杆机理

当钢筋混凝土节点位置的箍筋质量不佳时，节点位置的荷载主要由核心区的混凝土承担，一旦出现两条斜裂缝，就会形成斜压杆，斜压杆会进一步破坏核心区的混凝土结构，这对于梁柱承载力较低的结构破坏极大。

2）剪摩擦机理

节点核心区的混凝土被剪应力破坏，但是由于水平箍筋屈服而梁未屈服，造成梁筋出现未粘结破坏。由于节点混凝土的核心区产生的剪应力破坏是对角线的临界裂缝状态，因此节点核心区分为了两部分，这两部分之间出现滑动摩擦，由此需了解剪摩擦机理。

3）桁架机理

在节点核心区由于水平箍筋与垂直钢筋的密集分布形成了网笼，而在反复荷载的剪应力作用下，在节点混凝土核心区会出现多条剪切裂缝，这种受力机制为桁架机理。

3.3 预应力对框架结构受力性能的影响

混凝土框架结构的受力情况较为复杂，加上钢筋预应力后更为复杂，预应力对混凝土框架架构的受力性能影响非常大，是提升框架混凝土结构强度与性能的主要原理，主要有如下的影响。

①科学合理的箍筋布置产生的预应力可以从侧面加强对节点的约束，有效增加混凝土框架结构节点的抗剪强度和抗弯强度，提高其初裂荷载和极限抗剪能力。

②混凝土框架结构在不同的受力阶段，其受力状态与受力反应均有所差别，通过模型分析可以发现如果超出其最大的承受能力会出现突然遭受破坏的结果，这个现象体现的是混凝土框架结构的脆性，如果在最大承载力接近时依然可以保持较好的受力状态，性能可以得到较好的保持，这被称作混凝土框架结构的延性。预应力筋科学合理的布置可以有效增加框架结构节点的延性。

4 结语

装配式建筑是未来的建筑工程的主要发展趋势之一，随着装配式建筑的施工越来越成熟，预制装配式结构也将越来越丰富。预制装配式混凝土框架结构是高层建筑进行装配式施工中较常用到的结构之一，施工质量直接关系到建筑的施工质量与整体受力情况，因此对预应力装配式混凝土框架结构的受力情况进行研究，可以极大的促进装配式建筑的发展，提高建筑企业的竞争力。