张锡治-高强混凝土预制管柱-钢梁混合装配式框架结构体系的研究与应用

编号天津市建委科技项目开题报告书项目名称高强混凝土预制管柱-钢梁混合装配式框架结构体系的研究与应用承担单位（盖章）天津大学建筑设计研究院协作单位（盖章）天津港航工程有限公司项目负责人张锡治天津市城乡建设和交通委员会填报日期二○一五年五月十一日1．国内外研究概况及水平，存在的问题，本研究的主要内容。国内外研究概况及水平预制装配式结构是以预制构件为主要构件，经装配、连接、部分现浇而成的混凝土结构。具有劳动生产率高，整体质量高，降低物耗等优点，并适应建设“省地、节能、环保型”建筑的要求。预制装配式结构在日本、美国、欧洲、新加坡、香港等发达国家和地区起步较早。日本在1955年起开始开发预制住宅技术，1956年开发出低层的预制大板式住宅。1970年，HPC(预制混凝土高层结构)工法被应用到14层的高层住宅。目前日本已经形成了包括剪力墙式预制钢筋混凝土（W-PC）、剪力墙式框架预制钢筋混凝土（WR-PC）及现浇同等型框架预制钢筋混凝土（R-PC）等多种预制装配式结构体系。目前日本在装配式结构方面已经有了一套很成熟的设计、施工、组织、管理的体系。美国装配式结构目前主要有两个发展方向，分别为低层装配式别墅建筑和后张无粘结预应力结构。在低层装配式别墅建筑中，美国住宅用构件和部品的标准化、系列化、专业化、商品化、社会化程度很高，几乎达到100％。混凝土构件和制品、轻质板材、室内外装修以及设备等产品十分丰富，品种达几万种。这些构件的特点是结构性能好，用途多，有很大通用性，也易于机械化生产。但其广泛应用于低层建筑，与我国地少人多情形不同，借鉴意义不大。后张无粘结预应力结构为美国与日本与上世纪90年代研究提出的一种新型装配式结构，预制墙体的分布钢筋不进行连接，预制墙体通过后张无粘结预应力筋连接形成整体结构。该体系具有优越的抗震性能；良好的自恢复能力，在大震情况下结构能够产生很大的侧向位移，且残余变形较小；破坏集中在预制构件连接部位，易于震后修复。法国在20世纪50～60年代开发出“结构—施工”体系；到了70年代以后，开始推广样板住宅政策，1978年制定了模数协调规则；法国构造体系以预制混凝土体系为主，钢、木结构体系为辅。结构型式采用框架或者板柱体系，广泛应用焊接、螺栓等干法作业连接方式，结构构件安装与设备、装修工程安装分开，房屋质量得到提高。香港在20世纪80年代后期开始提出预制构件的概念，在公屋建设中使用预制混凝土构件。开始所有的预制构件都是工地制作，由工地负责质量，后来逐渐把构件预制的工作转移到预制构件厂，使得建筑构件生产满足ISO9000认证的质量要求。新加坡于上世纪60年代由政府制定关于建造组屋的相关法律，在政府的大力支持下从上世纪70年代开始装配式建筑在新加坡得到了很好的发展，目前新加坡有240余万户居民住进装配式组屋，占国民总数的87%。我国在上个世纪70年代初就开始了“三化一改”，即：设计标准化、构配件生产工厂化、施工机械化和墙体改革，在技术方面，最早是学习前苏联的大板房技术。国内积极推广标准化构件，在天津建设了一批大板楼，但由于早先装配式构造节点处理不好，出现漏水、渗水现象，尤其唐山地震后由于对装配式住宅抗震性认识的问题，住宅工业化一度停滞，预制板等的使用也受到限制。上世纪90年代后期，为实现住宅建设低碳、节能、环保、绿色的目标，1998年建设部成立住宅产业化促进中心，提出加快住宅建设从粗放型向集约型转变，推进住宅产业现代化。国内的住宅产业化工作当时主要集中在住宅部品的研发和生产上面，对工业化住宅建造体系的研究较少，且主要集中在轻钢结构、装配式框架的住宅体系方面。2004年万科集团工厂化中心成立，由于日本对地震的考虑比较全面，重点借鉴和使用日本的预制技术体系。至今在深圳、北京、天津、上海等地建设成多个示范小区，结构体系包括框架-外墙挂板、装配式剪力墙结构等多种模式。北京万科假日风景D地块的装配式剪力墙结构取得了很好的经济和社会效果。2005年在合肥召开的国家住宅产业化工作大会，提出产业发展战略，建设部批准合肥经济开发区为国家住宅产业化基地、深圳市成为住宅产业化示范城市、万科成为了第一个获得国家住宅产业化基地称号的房地产开发商。2011年9月18日国家住宅产业化基地技术创新联盟正式成立。该联盟是在住房和城乡建设部正式批准的21个国家住宅产业化基地范围内，按照“自愿、平等、合作”的原则共同发起成立的，是以住宅产业化集成技术的研发、推广、合作为主要任务的技术创新组织。该联盟的成立能够进一步推进住宅工业化在我国的发展。2012年住建部要求加大力度研究装配式剪力墙结构体系、装配式框架-剪力墙结构体系、装配式框架体系等相关技术，万科在沈阳春河里又建设了一批装配式结构示范工程。2013年住建部在北京召开装配式混凝土建筑设计研讨会，对装配式建筑指明了新的发展方向。目前，国内外对于装配式钢筋混凝土框架结构的研究主要可以分为两大类：对构件和节点的研究；对整体结构进行研究。先后出现了预应力拼接节点、装配式节点、高强混凝土梁柱组合框架等研究成果。参考文献：[1]钱稼茹,彭媛媛,秦珩,等.竖向钢筋留洞浆锚间接搭接的预制剪力墙抗震性能试验[J].建筑结构,2011,41(2):7-11.[2]张微敬,钱稼茹,于检生,等.竖向分布钢筋单排间接搭接的带现浇暗柱预制剪力墙抗震性能试验[J].土木工程学报,2012,45(10):89-97.[3][日]社团法人预制建筑协会编著朱邦范主译W-PC的设计[M]中国建筑工业出版社[4][日]社团法人预制建筑协会编著朱邦范主译WR-PC的设计[M]中国建筑工业出版社[5]MattockAH,JohalL,ChowHC.Sheartransferinreinforcedconcretewithmomentortensionactingacrosstheshearplane[J].PRECAST/PRESTRESSEDCONCRETEINSTITUTE.JOURNAL,1975,20(4):76-93.[6]张锡治，朱贞卫，孟祥良，一种高精度离散格式的数值试验[J]，工程力学，2009.2,26（2）[7]凌光荣，张锡治，安海玉，高层建筑分体柱抗震性能研究[J]，建筑结构，1997，6[8]ShenQ,KuramaYC,WeldonBD.Seismicdesignandanalyticalmodelingofposttensionedhybridcoupledwallsubassemblages[J].JournalofStructuralEngineering,2006,132(7):1030-1040.[9]Kurama,YahyaC.;Shen,Qiang.Seismicdesignandresponseevaluationofunboundedpost-tensionedhybridcoupledwallstructures[J].EarthquakeEngineeringandStructuralDynamics,2008,37(14):1677-1702[10]姜洪斌,张海顺,刘文清,等.预制混凝土结构插入式预留孔灌浆钢筋锚固性能[J].哈尔滨工业大学学报,2011,43(4):28-31.[11]姚婉春.基于住宅产业化的部分装配式框架结构技术的应用[D].华侨大学,2012.[12]杨卉.装配式混凝土框架节点抗震性能试验研究[D].北方工业大学,2014.[13]刘佳.基于住宅产业化的预制装配整体式混凝土框架结构的研究与应用[D].西南交通大学,2014.[14]陈子康,周云,张季超,吴从晓.装配式混凝土框架结构的研究与应用[J].工程抗震与加固改造,2012,04:1-11.[15]范力.装配式预制混凝土框架结构抗震性能研究[D].同济大学,2007.[16]陈力娜.简述多层装配式框架结构安装技术[J].科技创业家,2014,06:34.[17]宋玉普,王军,范国玺,程万鹏.预制装配式框架结构梁柱节点力学性能试验研究[J].大连理工大学学报,2014,04:438-444.[18]李增志.预制混凝土管柱结构研究[D].天津大学,2012.[19]陈熙.一种新型管柱混凝土结构的经济与环境影响评价[D].天津大学,2012.[20]聂净虎.预制混凝土管柱结构与梁系连接节点的设计研究[D].天津大学,2012.[21]丁红岩,张浦阳.一种新型预制混凝土管柱结构及其施工方法[P].天津：CN102373804A,2012-03-14.[22]丁红岩,和超,张浦阳.一种预制混凝土管柱钢筋混凝土梁节点结构及其施工方法[P].天津：CN102677784A,2012-09-19.[23]丁红岩,和超,张浦阳.一种预制混凝土管柱钢梁节点结构及其施工方法[P].天津：CN102704574A,2012-10-03.[24]丁红岩,和超,张浦阳.一种预制混凝土管柱钢骨混凝土梁节点结构及其施工方法[P].天津：CN102704575A,2012-10-03.存在的问题1）目前装配式框架结构预制柱纵向钢筋通常采用套筒连接、间接浆锚连接、焊接连接等方式，叠合梁下部纵向钢筋多采用机械连接、套筒连接或焊接连接，这些方式虽然在结构整体性和抗震性能方面已经经过试验验证和工程应用，但造价昂贵，并且受构件生产精度限制，存在施工过程中钢筋错位、梁柱就位困难的情况，施工费时费力，无论投资方还是施工单位，对装配式框架结构的推广都不积极。2）目前国内外关于装配式框架连接节点的研究已经有很大进展，但大多停留在节点受力性能方面的研究，没有将节点的研究与整体结构关联起来，使得一些受力较小的部位采用了过于严格的构造措施。3）目前国内外关于高强混凝土预制柱的研究较少，对此类装配式混凝土框架结构的节点设计及整体性能研究尚属空白。本研究的主要内容根据上述存在的问题，本课题将集中解决如下几个方面的内容：1）提出一种新型装配式框架结构：高强混凝土混合配筋预制管柱-钢梁混合装配式框架。该结构采用高强混凝土预制管柱作为竖向受力构件，通过螺栓连接形成混凝土管柱-钢梁节点。2）针对不同高度的建筑，研究在天津市抗震设防标准下，框架各部位在中震和大震下的受力特点及破坏形态。研究高强混凝土混合配筋预制管柱的力学性能，包括抗震延性和承载力。研究混凝土管柱-钢梁节点的延性性能、承载力以及破坏模式。3）对比分析高强混凝土混合配筋预制管柱-钢梁装配式框架与普通现浇混凝土框架和钢结构框架的经济性，研究本课题提出的装配式框架最优化解决方案。4）提出有效的高强混凝土混合配筋预制管柱-钢梁装配式框架的施工方案，确保绿色施工，经济合理。2．采取的研究方法、可行性分析，解决问题的技术路线。研究方法本课题采用如下三种研究方法：1）理论分析收集整理各类PHC管桩、管柱以及预制混凝土柱的试验数据及相关资料，包括试验装置的信息和试件的几何、材料信息，以及试件的破坏模式、承载力、延性系数、滞回性能等相关数据。同时收集整理国内外代表工程中装配式混凝土框架的设计信息和设计参数，重点包括层高、预制柱截面尺寸及形式、预制柱承受的水平和竖向荷载等。最后，根据国内的装配式混凝土框架结构和抗震设计规范，设计一栋高强混凝土混合配筋预制管柱-钢梁混合装配式框架，作为设计定尺试件及分析管柱性能的原型结构。同时收集国内外已有的研究成果，通过理论分析高强混凝土混合配筋预制管柱的承载力影响因素，建立管柱抗弯、抗剪、抗拉压承载力计算公式。找出影响管柱延性、刚度退化、累积损伤、耗能能力的因素。2）数值仿真利用计算机空间有限元技术，采用ABAQUS、Sap2000等分析软件对高强混凝土混合配筋预制管柱-钢梁混合装配式框架结构进行研究分析，对高强混凝土混合配筋预制管柱构件以及管柱-钢梁节点进行力学和延性性能分析。3）模型试验根据理论分析及数值仿真结果，进行试件设计与研制，进行足尺管柱试件拟静力试验、混凝土管柱-钢梁节点试验，研究轴压力、预应力、非预应力钢筋配筋率、有无填芯对管柱受力、延性及破坏特征的影响，研究螺栓布置数量及形式、加强环板设