发展装配式建筑是我国当前建筑业转型升级的主要手段之一, 而装配式混凝土结构是目前我国装配式建筑最主要的结构形式。目前, 国内外的装配式混凝土框架结构中, 一般采用非预应力框架形式, 这种结构形式的梁柱节点区梁纵筋密集交叉, 钢筋连接和混凝土浇筑难度大, 施工效率偏低。本文提出了一种装配式先张预应力混凝土框架 (简称装配式框架) 结构, 通过对施工工艺的优化排列, 使得先张预应力混凝土框架梁在施工阶段与框架柱处于铰接连接状态, 而在施工后的后续承载状态中为刚接连接, 从而显著降低框架梁端的负弯矩和梁纵筋数量, 降低施工难度, 提高安装效率, 减小用钢量, 进而提高结构施工的综合效益。

　　 目前国内外尚未开展这种新型结构的研究工作, 相关的技术标准中也未给出设计规定^[1,2,3]。但国内外对非预应力装配式混凝土框架结构的研究较多。20世纪90年代起, 美国和日本合作开展了预制混凝土结构抗震研究项目PRESSS^[4], 该项目对预制混凝土节点和预制混凝土结构进行了抗震试验研究。Priestley等^[5]对无粘结后张预应力拼接节点进行了研究, 结果表明, 节点核心区内采用无粘结预应力筋可显著降低其在大侧移情况下的损伤程度。Restrepo和Park等^[6]针对节点区现浇的装配式混凝土框架节点足尺试件进行了低周反复荷载试验, 结果表明节点连接性能可靠, 其抗震性能与传统现浇混凝土节点相当。Khoo^[7]通过预制混凝土结构与现浇混凝土结构的抗震性能对比试验, 验证了合理设计和施工的预制混凝土结构可以达到与现浇混凝土结构相当的抗震性能。国内对装配式混凝土结构的研究起步较晚。1998年, 林宗凡等^[8]通过试验研究了装配式抗震框架的延性节点行为。2007年, 范力等^[9]采用橡胶垫螺栓连接梁柱节点的装配式预制混凝土框架结构1/2缩尺模型进行拟动力试验, 验证了此类装配式预制混凝土框架结构具有较好的抗震性能。2011年, 柳炳康等^[10]进行了预压装配式预应力混凝土框架在低周反复荷载下的试验研究, 结果表明, 预压装配式混凝土框架具有良好的延性性能和较强的变形恢复能力。2015年, 黄远等^[11]进行了2个1/2比例的2层2跨现浇柱预制梁框架试件的低周反复荷载试验, 为装配整体式混凝土框架在抗震设防区的推广和应用提供了参考。2017年, 廖显东等^[12]以一幢4层预制混凝土框架结构为例, 分析了采用型钢辅助连接装配整体式混凝土框架的设计与施工特点。

　　 本文介绍了装配式框架的装配式工艺, 并针对某5层框架结构进行了弹性内力分析, 对比了不同设防烈度下装配式框架与现浇混凝土框架 (简称现浇框架) 结构的内力, 提出了结构设计建议。

　　 装配式框架结构是由预制的先张预应力混凝土梁、预制混凝土柱通过先铰接后刚接的装配工艺而形成的框架结构, 其生产施工顺序如下:1) 工厂生产预制混凝土框架柱和先张预应力混凝土框架梁;2) 现场安装预制混凝土框架柱;3) 现场安装预制预应力混凝土框架梁, 梁的两端设置施工临时支撑 (图1 (a) ) ;4) 安装预制混凝土楼板, 可为混凝土叠合板或钢筋桁架楼承板等 (板不设支撑) ;5) 连续浇筑节点区混凝土、梁叠合层混凝土、板混凝土 (图1 (b) ) ;6) 混凝土强度满足要求后, 撤除框架梁端的施工临时支撑, 形成梁柱刚接的框架结构。

　　 图2为装配式框架结构在安装过程中的结构简化力学模型, 其中D代表恒荷载, L代表活荷载。由图2 (a) 可见, 预制的柱与梁安装完毕后, 由于梁柱还未进行连接, 处于铰接状态, 因此预制梁自重完全由施工支撑承担。由图2 (b) 可见, 节点区、梁和板叠合层的混凝土浇筑阶段, 由于节点区混凝土还未硬化, 梁柱连接仍处于铰接状态, 因此梁和板产生的自重恒荷载D仍由梁支撑承担, 且预制梁按简支梁作用承担梁和板的自重恒荷载D。由图2 (c) 可见, 混凝土硬化后, 梁柱的连接状态已变为刚接, 结构形成整体框架并承担使用阶段的活荷载和其他作用。跟采用传统现浇工艺施工的混凝土框架结构相比, 采用这种新的装配工艺可有效降低框架梁的梁端负弯矩, 从而降低梁的负弯矩区配筋率, 减少贯穿节点区的梁纵筋数量, 降低装配式施工难度, 提高施工效率。跟现浇框架相比, 装配式框架结构中的框架梁跨中弯矩显著增大, 这样就可充分利用底部布置先张预应力钢筋的预制梁的受弯承载力, 充分利用高强预应力钢筋的强度, 降低钢筋用量, 提高经济效益。

　　 结构弹性分析采用一个5层4跨的平面框架模型。模型的框架跨度均为7 800mm, 1层的层高为5 000mm, 2~5层的层高均为3 600mm。模型的框架梁截面尺寸均为350×700, 1层和2层框架柱的截面尺寸均为500×500, 3~5层框架柱的截面尺寸均为400×400。模型的竖向荷载根据常用荷载施加, 以线荷载的形式施加于框架梁上, 其中恒荷载为37k N/m, 活荷载为9.7k N/m。

　　 地震作用参数为:Ⅱ类场地, 第一组, 特征周期为0.35s, 阻尼比为0.05, 周期折减系数为0.7。分别计算设防烈度为7度 (0.1g, 0.15g) 和8度 (0.2g) 三种工况。

　　 结构弹性分析中, 采用SAP2000软件分别计算现浇框架和装配式框架的内力。在结构弹性计算中, 对于装配式框架, 施工阶段预制预应力梁为铰接, 仅承担恒荷载, 正常使用和地震作用下框架才整体工作。由于目前SAP2000等结构弹性分析软件还不能考虑施工顺序的影响, 本文的弹性分析先分别计算竖向荷载和水平地震作用产生的效应, 然后进行组合。

　　 为使本文的计算结果对比更直观, 仅考虑重力基本组合 (1.0恒荷载+1.4活荷载) 和水平地震组合 (1.2重力荷载代表值+1.3地震作用) 两种效应组合, 且组合中均不考虑风荷载效应。图3和图4分别为重力基本组合和水平地震组合下框架1层和4层的框架梁弯矩对比图, 其中图4仅仅给出了抗震设防烈度为7度 (0.15g) 的情况, 地震作用施加方向为从左到右。

　　 由图3可见, 重力基本组合下, 跟现浇框架相比, 装配式框架的框架梁端负弯矩显著降低而正弯矩显著提高, 负弯矩绝对值降低80%以上, 而正弯矩增加约150%~200%。

　　 由图4可见, 当抗震设防烈度为7度 (0.1g) 时, 跟现浇框架相比, 装配式框架4层和1层的框架梁端最大负弯矩 (梁右端) 绝对值均显著降低, 其中4层降低约40%~55%, 1层降低约30%~35%, 而正弯矩则均增大约150%~200%。弹性计算结果表明:当抗震设防烈度为7度 (0.15g) 时, 跟现浇框架相比, 装配式框架4层的框架梁端最大负弯矩绝对值降低约50%~60%, 1层则降低约30%~35%;当抗震设防烈度8度 (0.2g) 时, 跟现浇框架相比, 装配式框架4层的框架梁端最大负弯矩绝对值降低约40%~45%, 1层则降低约25%~30%。

　　 根据配筋计算结果, 跟现浇框架相比, 装配式框架梁端的负弯矩钢筋用量显著降低, 而其正弯矩区的弯矩虽然随之显著增大, 但由于充分利用了预应力钢筋的高强度, 框架梁的总用钢量 (含预应力筋) 降低。7度 (0.1g) 设防条件下, 4层和1层框架梁的总用钢量均降低约30%;7度 (0.15g) 设防条件下, 4层框架梁的总用钢量降低约30%, 1层框架梁降低约20%~25%;8度 (0.2 g) 设防条件下, 4层框架梁的总用钢量降低约25%, 1层框架梁降低约20%。

　　 本文提出了装配式先张预应力混凝土框架结构的概念, 并根据弹性计算和典型荷载效应组合结果对这种新型结构进行了初探性分析, 在本文分析参数的范围内, 得到主要结论如下:

　　 (1) 跟现浇混凝土框架结构相比, 在重力基本组合下, 装配式先张预应力混凝土框架的框架梁端负弯矩显著降低, 其绝对值降低80%以上。

　　 (2) 跟现浇混凝土框架结构相比, 在水平地震组合下, 装配式先张预应力混凝土框架的框架梁端在结构上部的负弯矩降低显著, 其绝对值降低40%~60%, 而在结构底部的负弯矩降低也较明显, 其绝对值降低20%~35%, 其原因是结构底部的梁端负弯矩主要由水平地震作用产生。

　　 (3) 跟现浇混凝土框架相比, 装配式先张预应力混凝土框架的框架梁端的负弯矩钢筋数量显著减少, 节点区的交叉钢筋数量减少, 因此装配难度将降低, 装配效率将得到有效提高。

　　 (4) 跟现浇混凝土框架结构相比, 装配式先张预应力混凝土框架结构的框架梁总用钢量可降低20%~30%。