0 引言

　　装配式建筑指组成建筑的各部品部件在工厂生产，在施工现场按一定顺序和可靠连接方式组合而成的建筑。当前，国内装配式建筑主要分为装配式混凝土结构体系和装配式钢结构体系，而钢-混凝土组合结构具有巨大的发展潜力。

　　钢-混凝土组合结构是指结构中的部分或全部梁、柱为组合构件，而其他构件均为钢构件的结构^[1,2]。钢-混凝土组合结构由于兼具混凝土结构刚度大、造价低的特点和钢结构受力性能优异、施工速度快的特性，在我国已大量应用于高层和超高层建筑中^[3]。文献[4,5,6,7,8,9]对不同类型组合结构梁柱节点进行大量数值模拟分析和试验研究，提出一些用于组合结构弹塑性分析的计算模型。这些梁柱节点直接应用于装配式钢-混凝土组合结构体系有一定的局限性，如构件构造复杂生产不便、现场安装效率较低等，无法发挥出装配式建筑易建性的优势。

　　本文提出一种装配式钢-混凝土组合框架结构系统，是指组合结构构件由预制混凝土柱、组合梁、预制叠合板组成，并结合新型梁柱连接节点连接而成的结构系统(见图1)。该结构系统可实现预制混凝土柱与钢梁的快速、高效连接，对于实现组合结构的快速建造，提供了新思路。该结构系统可广泛应用于标准化设计程度高的学校、医院和办公楼等。

　　

　　图1 装配式钢-混凝土组合结构系统  

　　 

　　1 装配式钢-混凝土组合框架结构设计

　　1.1 结构系统构件与构造

　　1.1.1 预制混凝土柱

　　本组合结构系统竖向承重构件采用预制混凝土柱，以充分利用其优异的抗压性能和抗侧刚度。将预制混凝土柱设计成一维构件，顶部梁柱节点部位不伸出牛腿、钢梁等构件，这种类型预制柱模具制作简单，易于工厂化生产，构件运输方便高效。

　　预制混凝土柱连接包括预制柱间连接和现浇柱与预制柱的连接，两类连接节点均采用灌浆套筒连接。现浇柱与预制柱连接节点采用现浇柱纵筋直接连接预制柱套筒的方式(见图2)，避免现浇柱纵筋在柱顶截断锚固后再插筋导致的现浇梁柱节点处钢筋密集而插筋精度无法保证的问题，此种方式可保证预制柱纵筋定位精度控制在5mm以内，为上部结构预制构件安装奠定良好基础。预制柱间采用灌浆套筒连接，灌浆工艺采用高位低压集中连通腔灌浆施工工艺，相较于单个套筒灌浆方式，有效提高了预制柱套筒灌浆效率。

　　

　　图2 现浇柱与预制柱连接节点  

　　 

　　1.1.2 组合梁

　　传统组合梁采用压型钢板组合梁和钢筋桁架楼承板组合梁较多，存在防火和防腐等维护问题。本文所指组合梁是采用具有自主知识产权的预制预应力带肋叠合板(预制带肋叠合板)通过一定的构造措施与钢梁形成的组合梁(见图3a)，可充分发挥混凝土材料和钢材各自受力性能，节约材料，具有施工简便、高效的优势。

　　预制带肋叠合板端部出筋与钢梁顶部抗剪键相对位置在构件深化阶段进行碰撞检验，避免现场施工可能出现的钢筋碰撞问题;板端除保留一段预应力筋伸出段外，在现浇面层底部设置普通构造钢筋，可进一步加强板端在地震作用下的抗脱落可靠性，预制带肋叠合板纵向、横向连接节点分别如图3b,3c所示。

　　1.1.3 预制带肋叠合板

　　预制带肋叠合板是指由预制板面带反肋混凝土底板和现浇面层叠合而成的装配整体式楼板。优势为:(1)使用高强预应力筋作为主要受力钢筋，可减少钢筋用量;(2)利用预制板面反肋替代桁架钢筋来调整叠合板刚度，可节约桁架钢筋，避免生产和施工阶段预制板刚度不足导致的裂缝;(3)可工厂化、长线台、流水线批量生产;(4)堆放、运输方便，可降低单方运输费用;(5)施工现场吊装轻便，免支撑，施工跨度大。在正常施工荷载下，4.5m跨度内不设支撑，能有效提高施工效率、降低吊装时间成本。

　　

　　图3 预制带肋叠合板连接节点  

　　 

　　叠合板主要用来承受竖向荷载、传递水平荷载及保证结构整体性，同时应满足结构整体计算的各项假定条件。工程应用上叠合板有单向板和双向板，双向板常采用“湿缝”连接，普通叠合板四面出筋，生产不便，现场支模搭架施工效率低。本文所述叠合板计算时按单向受力，板间拼缝按双向板进行构造，以加强叠合板间的整体受力性能。在国标图集^[10]基础上，将预制板底倒角10mm，安装完成后形成明缝作为装饰(见图4a)，可消除预应力带肋叠合板间反拱不一致形成的板底错台视觉冲击。同时也可按直角拼缝形式进行构件生产和施工(见图4b)。

　　

　　图4 预应力带肋叠合板密拼缝构造  

　　 

　　1.1.4 梁柱节点构造

　　新型梁柱连接节点对于实现装配式钢-混凝土组合结构的快速建造提供新方向。该梁柱节点是在预制柱生产时将1个钢节点预埋在预制柱顶某位置处(见图5)，在预制柱浇筑混凝土养护完成后，预制柱与钢节点成为一体，可实现钢梁与预制柱的干式连接。

　　

　　图5 预制柱顶梁柱连接预埋节点  

　　 

　　预埋钢节点特性:(1)根据受力优化常规节点内部构造，利用两端车丝钢筋代替内部钢隔板以连接钢侧板，避免焊接造成的残留应力与侧板变形和预制柱混凝土生产过程中在节点内部形成空腔，影响节点受力;(2)根据连接钢梁尺寸优化节点侧板尺寸，减轻节点质量，提高预制柱生产时节点安装效率;(3)预制柱生产时，将扭剪型高强螺栓安装于钢节点上，实现钢节点+高强螺栓+混凝土柱一体化预制生产，提高施工现场钢梁安装效率。

　　1.2 梁柱节点计算

　　预制柱-钢梁连接节点如图6所示，节点安装顺序为:(1)步骤1安装底部连接角钢，初拧连接角钢高强螺栓，连接角钢作为施工阶段钢梁临时支撑及安装完成后受力部件;(2)步骤2吊装钢梁并就位;(3)步骤3安装钢梁腹板连接角钢，初拧高强螺栓;(4)步骤4钢梁上翼缘焊接;(5)步骤5钢梁下翼缘与连接角钢焊接，终拧高强螺栓。

　　

　　图6 预制柱-钢梁连接节点  

　　 

　　为满足工程应用需要，该节点需确定钢节点内部拉杆直径、侧板尺寸、上部隔板尺寸、高强螺栓型号及下翼缘连接角钢尺寸。

　　结合文献[11,12,13]中提出的计算公式，按式(1)～(6)分别计算拉杆面积和隔板厚度。

　　

　　 

　　式中:V为梁端剪力设计值;N为梁端下翼缘拉力;M为梁端下翼缘拉力对侧板形心的弯矩;A_s为单方向拉杆总面积;α_r为拉杆层影响系数;α_v为拉杆受剪承载力系数;α_b为锚板弯曲变形折减系数;Z为沿剪力作用方向最外层拉杆中心线间距离;M'为梁端反向弯矩设计值;M_u^j为连接界面受弯承载力;M_p为钢塑性受弯承载力;η_j为连接系数;W_y为钢梁梁端塑性截面模量;f_y1为拉杆抗拉强度设计值;H₀为节点侧板高度;B为钢梁宽度;H为钢梁翼缘中心距离;t_f为钢梁翼缘厚度;t_w为钢梁腹板厚度;t_e1为角钢连接件翼缘厚度;B₁为钢梁梁端宽度;H₁为钢梁梁端高度;t_f1为钢梁梁端翼缘厚度;f_y2为钢梁抗拉强度设计值;f_u为钢梁极限抗拉强度。

　　当梁端连接受弯极限承载力不满足公式(3)要求时，可通过加宽梁或加厚梁端翼缘板来调整，预埋节点上部隔板尺寸按与梁端连接部位上翼缘面积相等来确定，即上部隔板截面积A_s按式(7)计算:

　　

　　 

　　连接节点高强螺栓分为腹板高强螺栓和连接角钢高强螺栓，腹板高强螺栓数N₁按梁端剪力设计值确定，如式(8)所示。

　　

　　 

　　式中:n_f为摩擦面数;μ为摩擦面抗滑系数;P为单个高强螺栓预拉力。

　　根据规程[14]和规范[15]规定，梁端采用T型连接接头时，应根据T型连接件板厚度来决定是否考虑撬力作用，并提出相应的计算公式。本文所述组合框架结构梁端下翼缘采用连接角钢与预制柱预埋节点连接，连接件如图7所示。

　　

　　图7 角钢连接件  

　　 

　　根据角钢连接件类型，参考规范[15]和文献[16]，连接件厚度t_e2,t_e1分别按式(9)～(10)进行计算:

　　

　　 

　　式中:N_t为高强螺栓抗拉强度设计值，取N_t=0.8P,f为连接件钢材抗拉强度设计值;b为连接角钢宽度。

　　根据文献[16,17,18]研究成果，加劲肋厚度t_w按式(11)进行计算:

　　

　　 

　　式中:∑N_t为连接件外伸部分高强螺栓抗拉强度设计值，根据连接件外伸部分塑性铰线分布规律，靠近钢梁翼缘的第1排螺栓，对端板厚度t_e2起控制作用，因此，螺栓数按1排考虑;ψ为加劲肋荷载传递系数K_j与加劲肋高宽比有关系数K_y的比值，即式(12)，其中K_j=0.7,K_y按式(13)计算:

　　

　　 

　　规范[15]提出，加劲肋长高比Δ不宜小于1.5，此时倾角θ=56.3°。否则，应加厚加劲肋。结合工程实际应用情况，Δ为0.83～2.14，θ为40°～65°时，ψ值统计如表1所示，便于工程设计人员根据不同θ值选择不同加劲肋厚度。

　　  

　　表1 加劲肋荷载传递系数与加劲肋高宽比有关系数的比值ψ  

　　 

　　 

　　

　　角钢连接件所需高强螺栓总数N₂按节点所受反向弯矩设计值所换算的下翼缘拉力与高强螺栓提供的抗拉承载力相等计算。

　　

　　 

　　式中:P为单个高强螺栓预拉力设计值;h_ob为钢梁有效高度。

　　2 装配式钢-混凝土组合框架结构的应用

　　2.1 工程概况

　　深圳坪山区实验学校南校区二期项目用地面积为31 028.7m²，项目总建筑面积约为101 531m²。项目由1层地下室带2栋6层教学楼、1栋2层裙房和1栋14层宿舍楼组成。根据深圳市有关政策要求，该项目采用装配式建造方式。其中2栋教学楼采用装配式钢-混凝土组合框架结构建筑体系，地下室、裙房和宿舍楼采用现浇结构体系。

　　教学楼建筑高度23.0m，平面长度84.0m，平面宽度54.0m(见图8)。结构设防烈度为7度，地震加速度为0.1g，设计分组为第一组，Ⅱ类场地，抗震设防类别为乙类，框架抗震等级为二级。

　　

　　图8 教学楼建筑效果  

　　 

　　2.2 结构平面布置

　　教学楼采用装配式钢-混凝土组合框架结构，按等同现浇设计方法计算，整体模型计算指标按混凝土框架结构取值，结构荷载按GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》取值，结构主要构件尺寸如表2所示。

　　教学楼结构局部平面布置如图9所示，教室与走廊组成标准单元，柱网尺寸为9m×9m(9m×3m)，教室内部居中设置1道次梁，便于将预应力带肋板划分成标准跨度4.5m。预应力带肋叠合楼板局部平面布置如图10所示，楼板宽度均为4.5m，宽度根据平面布置需分为1.2,1.3,1.4m。楼面楼板厚度140mm，其中现浇面层厚90mm;屋面楼板厚度根据荷载和防水构造需要，取170mm，其中现浇面层厚120mm。

　　  

　　表2 结构主要构件  

　　 

　　 

　　mm

　　

　　图9 梁柱结构平面布置(局部) 

　　 

　　

　　图1 0 预应力带肋叠合板平面布置(局部)  

　　 

　　结构整体计算使用YJK建筑结构设计软件，进行多遇地震计算，确定构件截面并采用振型分解反应谱法进行罕遇地震计算，复核整体模型基底剪力、顶点位移和层间位移角等指标。

　　2.3 计算结果分析

　　1)多遇地震工况下，结构扭转周期与平动周期比值为0.85，满足规范≤0.90要求;在考虑偶然偏心的规定水平力作用下，结构扭转位移比最大值为1.19，满足规范≤1.2要求，结构抗扭刚度合适。在风和地震作用下，结构层间位移角最大值为1/795，满足混凝土框架结构弹性层间位移角≤1/550要求，结构抗侧刚度合适。

　　2)罕遇地震工况下，结构基底剪力与小震工况剪力相差≥5.34，地震作用量级合理;结构层间位移角最大值为1/159，小于规范1/50要求，满足“大震不倒”设防要求。

　　2.4 梁柱节点有限元分析

　　2.4.1 模型建立

　　教学楼梁柱连接节点如图11所示。利用ABAQUES有限元软件进行节点有限元数值计算。梁柱节点数值分析中所用钢梁、节点隔板、侧板连杆及柱钢筋均采用简化各向同性的双线性强化模型。双折线模型应力-应变曲线包括弹性阶段和强化阶段，强化阶段的弹性模量取弹性阶段的1%。钢梁及横隔板采用壳单元S4R，侧板拉杆及柱钢筋骨架采用两节点线性三维桁架单元T3D2，混凝土采用线性缩减积分单元C3D8R，以降低计算成本并获取最好的模拟结果。

　　

　　图1 1 教学楼梁柱连接节点 

　　 

　　模型中钢梁距柱边1m，钢梁与混凝土楼板通过节点耦合来模拟相互作用。网格划分时尽可能使几何模型规整、网格对齐。加载方式为:在试件柱顶施加均布荷载模拟轴压力，轴压比为0.21;在梁端施加单调位移荷载，采用位移控制加载方式。材料本构参数如表3所示。

　　  

　　表3 梁柱节点材料本构模型参数  

　　 

　　 

　　

　　2.4.2 计算结果分析

　　梁柱节点荷载-位移曲线如图12所示。由图12可知，在+y,-y向荷载加载初期，节点处于弹性状态，当-y向位移加载至6.2mm时，节点进入屈服阶段，屈服荷载为1 550kN;当+y向位移加载至4.5mm时，荷载-位移曲线出现位移突变，原因是节点侧板底端第1,2排钢筋(拉杆)屈服，此时荷载为710kN，随着位移加大，荷载-位移曲线斜率略有减小，但节点仍具有较大承载力，当位移加载至6.2mm时，此时荷载为1 000kN。节点随着位移增加，荷载-位移曲线斜率不断减小，节点刚度减小。

　　

　　图1 2 梁柱节点荷载-位移曲线  

　　 

　　侧板拉杆在梁端位移下的荷载变化情况如图13所示，拉杆从节点底端起分别为第1～5排，每排2根。由图13可知，随着位移加大，拉杆从第1排起受力逐渐加大，依次屈服。由模拟分析结果可知，第1,2排率先屈服，此时梁端位移为4.5mm。第3,4排分别在梁端位移为8.3,13.7mm时屈服，大于+y向荷载下节点屈服位移，此时第1,2排钢筋应力分别为418,440MPa，未达到极限强度。计算结果表明第1,2排钢筋(拉杆)决定节点屈服承载力，第3～5排钢筋(拉杆)在第1,2排钢筋屈服时可继续提供节点+y向荷载承载力。上隔板达屈服应力时，梁端位移6.2mm，此时下翼缘加劲肋局部应力达356MPa，整体应力在345MPa左右，上隔板和加劲肋基本同时屈服，构造保证了节点发挥最大承载力。

　　

　　图1 3 侧板拉杆荷载-位移曲线  

　　 

　　采用本文公式与规范^[11]公式计算的节点屈服承载力和极限承载力与有限元模型结果对比如表4所示。由表4可知，理论计算结果与有限元计算结果接近，误差在10%以内，可满足工程设计的需要。因此，可采用本文公式进行节点设计。

　　  

　　表4 梁柱节点承载力计算结果对比 

　　 

　　 

　　

　　2.5 钢-混凝土组合框架结构施工

　　新型梁柱节点为预制柱与连接节点一体化生产，解决了现有组合结构梁柱节点需现场湿作业问题;梁柱节点栓焊连接，实现钢梁与预制混凝土柱刚性连接，保证装配式钢-混凝土组合框架结构在竖向荷载和水平荷载作用下的受力和结构抗侧刚度要求;该组合结构施工效率有所提高，单层施工时间为6～7d;根据所实施项目的造价结算，本组合结构造价不高于采用现浇方式施工的同类型其他项目。

　　2.6 注意事项

　　为保证装配式钢-混凝土组合框架结构建筑在使用年限内的结构安全，更好地满足构件及节点受力要求，预制构件在工程应用中采取一些措施保证结构品质:(1)预制柱预埋钢节点侧板内侧及隔板外侧按构造布置一定数量的抗剪栓钉;(2)预制柱采用大直径、少根数设计，以便更好地布置灌浆套筒和设计、安装预埋钢节点;(3)在预制柱现浇楼板高度范围内，设置贯通预制柱的组合梁顶附加钢筋;(4)由于梁柱节点内未设置钢骨或加劲肋等传统做法，钢梁端部上、下翼缘做削弱处理，满足“强节点、弱构件”抗震设计要求;(5)由于预制柱顶预埋钢节点预留有高强螺栓，在预制柱生产过程中通过安装专用保护帽等措施，避免高强螺栓污染受损;(6)预埋节点预留高强螺栓，定位精度影响现场构件安装效率，使用专用高强螺栓定位器，控制其精度在设计允许误差范围内;(7)预应力带肋板生产过程应严格控制板反拱值。

　　3 结语

　　1)提出一种装配式钢-混凝土组合框架结构系统，并对组合结构的构件、构造与构成进行系统阐述。该组合结构系统具有以下特性:(1)结构系统及构件充分利用了材料各自特性，受力合理、构造简单;(2)所用预制构件生产便捷、装配高效、成本低;(3)各类型节点安装简单，现场施工效率高。

　　2)针对新提出的组合梁柱连接预埋节点，提出相应的计算公式，便于工程实际应用。

　　3)数值模型计算结果揭示了梁柱节点在梁端正、反向荷载作用下的承载力及在反向荷载作用下节点内部拉杆的受力特点，本文和规范提出的计算公式可用于节点设计计算。

　　4)以6层教学楼为研究应用对象，检验了装配式钢-混凝土组合结构的实用性。