整体预应力装配式板柱结构起源于前南斯拉夫, 简称IMS体系。7·28唐山地震以后该结构体系开始传入中国, 20世纪80年代以来, 在北京、四川、河北地区陆续建造过一批装配整体式预应力板柱体系建筑, 已建成建筑面积约30万m²。

　　 近年来, 国家大力倡导建筑工业化和住宅产业化, 装配式混凝土结构成为建筑工业化的一种重要结构形式^[1,2], 这使得装配式混凝土结构成为当前研究热点。如何根据该结构体系自身的特点, 寻求适用于该体系的考虑装配施工过程的力学性能分析方法, 值得进行研究。

　　 整体预应力装配式板柱结构无梁无柱帽, 以预制的板和柱为基本构件, 两个构件之间的接触面为平面, 在接触面之间的立缝中浇筑砂浆或细石混凝土, 形成平接接头, 然后对整个楼盖施加预应力, 亦称为整体预应力结构。即双向后张有粘结的预应力筋贯穿柱孔和相邻楼盖构件之间的明槽, 并将这些预制构件挤压成整体;楼板以靠预应力及其产生的静摩擦力固定在柱上, 板柱之间形成预应力摩擦节点^[3]。这种明槽式整体预应力和板与柱之间的预应力摩擦节点是本结构体系的两大特征。其预应力摩擦节点构造如图1所示。

　　 某建筑地上4层, 平面呈矩形布置, 采用IMS体系。柱截面为500×500, 楼板 (板肋) 厚度为300mm, 楼面配筋垫层厚50mm。其标准层结构平面布置图及SB1模板平面图如图2, 3所示。

　　 结构的装配施工过程为:1) 预制柱吊装及柱接头混凝土浇筑;2) 安装临时支撑及张拉操作台;3) 安装楼板构件 (楼板、阳台板、边梁等) ;4) 浇筑柱与板边、板与垫块间缝隙混凝土;5) 穿入预应力钢筋, 张拉预应力;6) 浇筑明槽及板间接缝混凝土;7) 临时支撑拆除;8) 浇筑楼板叠合层混凝土。

　　 由图2可知, 此结构楼板为拼板。拼板可按施加预应力前、施加预应力时及施加预应力后三个阶段计算内力。施加预应力前, 楼板的内力分析包括楼板运输、吊装及搁置在临时支撑上等情况的内力分析, 此阶段各项目的内力分析结果差别较大, 分析单个项目的内力分析结果不具代表性, 故本文主要分析的是施加预应力时及施加预应力后两个阶段的受力情况。

　　 根据装配施工过程, 施工阶段模型划分为如下3个阶段:1) 预制柱、预制板安装完成, 进行预应力张拉;2) 浇筑明槽及板间接缝混凝土;3) 叠合层混凝土浇筑完成, 施加恒荷载3.2kN/m²、活荷载2.0kN/m²。利用有限元软件MIDAS Gen建立对应的施工阶段分析模型如图4所示。建模之前, 各施工阶段结构组成如图5所示。

　　 图4 MIDAS Gen计算模型

　　  

　　 图5 各施工阶段结构组成

　　  

　　 计算模型设置:1) 阶段1:此阶段相邻两块预制板 (如SB1) 的边肋均支承在一根柱上, 故在垂直交叉的边肋与柱之间设置刚性连接, 模拟一柱托双梁, 双梁截面取边肋截面150×300。此阶段荷载为:结构自重、预应力荷载。2) 阶段2:浇筑明槽及板间接缝混凝土之后, 明槽及接缝与边肋形成整体, 在阶段1的基础上协调变形, 故在预制板 (如SB1) 内肋与明槽之间设置刚性连接。此阶段新增加荷载为:明槽及拼缝自重。3) 阶段3:叠合层 (50mm厚) 混凝土浇筑之后, 预制板边肋、内肋、明槽及接缝截面及刚度均相应增大, 此阶段新增加的荷载为:叠合层自重、恒荷载、活荷载。

　　 选取Ⓑ轴梁、Ⓑ～Ⓒ轴间拼缝梁、③轴典型梁, 提取各阶段内力见表1～3。

　　 装配式结构设计一般采用“等同现浇”的方法, 即不考虑装配过程, “等同现浇”按照一次成型的方法进行计算分析与设计。为了研究“等同现浇”方法的适用性, 本文将未考虑装配施工过程计算结果 (即结构一次成型, 如图6～7所示) 与考虑装配施工过程的计算结果进行了对比分析。

　　 同样选取Ⓑ轴梁、Ⓑ～Ⓒ轴间拼缝梁、③轴典型梁, 提取一次成型分析的梁内力见表4。

　　 将表4弯矩值与表3弯矩值的和 (左边肋处弯矩+明槽处弯矩+右边肋处弯矩) 进行对比分析, 如图8～10所示, 其中:ZP代表装配, YC代表一次成型, 横轴整数数字n代表第n跨支座, 横轴第n跨与第n-1跨之间的小数代表第n跨的跨中。

　　 由图8～图10可知:1) 对Ⓑ轴梁、Ⓑ～Ⓒ轴梁, 两种分析方法的跨中弯矩基本吻合, 但支座弯矩一次成型模型计算结果偏大, 误差约20%;2) 对③轴梁, 一次成型模型的支座弯矩与跨中弯矩均偏大, 误差约20%。

　　 造成误差的原因是装配过程中, 预制梁与预制柱的接触面为柱边, 装配模型的支座弯矩的计算结果亦是柱边位置的结果;而一次成型模型的支座弯矩的计算结果是柱中心位置的结果。如图1所示, 从装配节点来看, 梁端弯矩取柱边位置的弯矩是合理的, 即梁柱节点及垫块起到了梁端刚域的效果。Ⓑ轴、Ⓑ～Ⓒ轴梁因为跨中无垫块, 故两种分析方法的跨中弯矩基本吻合, 仅支座弯矩误差约20%;③轴梁跨中有垫块, 故跨中、支座弯矩误差均约20%。若对一次成型模型考虑梁端刚域效果, 两种分析方法的总弯矩计算结果基本吻合。

　　 应注意到, 从考虑装配过程的计算结果 (表1～3) 来看, 左边肋与右边肋受力是协调的, 边肋与明槽的受力却是不协调的。本案例明槽宽度200mm, 边肋宽度150mm, 总梁宽500mm, 若不考虑成型过程, 则明槽承担的弯矩比例应为总弯矩的40%。但从表5计算结果来看, 明槽承担的支座弯矩占总弯矩的比例仅为21%～25%。因此, 明槽承担弯矩的能力显然被高估了 (本案例被高估了40%～50%) , 这是由于边肋与明槽初始变形不协调导致的必然结果, 应引起重视。

　　 针对整体预应力装配式板柱结构体系的特点, 本文研究了其考虑装配施工过程的力学性能, 并与“等同现浇”一次成型分析方法的结果进行了对比分析, 得出如下结论:

　　 (1) 对于整体预应力装配式板柱结构, 宜首选采用考虑装配施工过程的施工阶段分析方法进行分析设计。

　　 (2) 对于整体预应力装配式板柱结构, 当采用“等同现浇”方法进行分析设计时, 宜考虑梁端刚域效果。

　　 (3) 对于整体预应力装配式板柱结构, 当采用“等同现浇”方法进行分析设计时, 明槽部分的内力或配筋应按比例调幅, 调幅之后的内力或配筋应叠加到边肋中。