部分预制装配型钢混凝土柱的承载性能综述

程冬冬 沈新昊

摘 要：从目前建筑业的发展趋势展望，当代社会的需求决定了技术的发展方向。在一些桥梁建筑和大型高层建筑中，传统钢筋混凝土柱耗费大量的资源，工程工期长、造价高，而且本身性能不能够满足建筑的承载要求。全预制钢筋混凝土柱已经进入建筑行业的视野，装配式型钢混凝土柱结构逐渐应用于实际建筑和工程实践中。但是，由于有些构件太大，不能完全预制和运输至施工现场，所以采用局部预制的方式进行装配，这种构件形式可以有效减少现场施工工序，解决全预制型钢混凝土柱整体性差、抗震性能不足的关键问题，促进型钢混凝土柱的工业化预制工艺的发展。然而这种部分预制装配式钢混凝土柱的承载性能还有待提高。因此，文章对部分预制装配型钢混凝土柱的承载力研究进行了综述，通过全面分析，展望了部分装配式钢骨混凝土柱的发展前景和未来趋势。

关键词：型钢混凝土柱;试验研究;有限元分析;火灾后偏压试验

中图分类号：TU741.2文献标识码：A文章编号：1674-1064（2021）08-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.010

由于建筑空间大，现有的预制混凝土柱连接性能差，施工工艺复杂，传统的混凝土柱结构对钢筋和混凝土结构有着严格的要求，现有的技术已不能满足当前建筑业的需要。PPSRC柱不仅作为一种新型的预制混凝土柱结构，可以提前预制并运至施工现场吊装。但该构件的施工工艺复杂、结构连接复杂、造价高昂等原因，制约了部分预制装配型钢混凝土柱的推广应用。处于学术前沿的学者不断研究其承载力，其理论依据用于工程应用，从而推动建筑产业化发展。目前，PPSRC柱是建筑技术行业的前沿技术，在市场上还没有得到广泛应用，相关研究也没有一个完整的理论体系。

1 综述

进入21世纪，世界各国加强了对预制构件发展的联系与交流。2012年，模型规范（MC 2010）建立了预制混凝土结构的完整生命周期设计方法。目前，预制混凝土结构在许多国家得到了广泛的应用，特别是在欧美等发达国家。近年来，许多国内高校和研究机构致力于预制新型结构的研究，对结构和构件进行了大量的理论试验研究，并取得了相关的研究成果和研究数据。

2015年，杨勇研究出一种新型预制装配型钢混凝土结构构件。主要施工方法是将型钢混凝土构件的主要部位（梁、柱、剪力墙等）事先预制好，运至施工现场安装后再浇筑部分混凝土，形成部分预制的型钢混凝土构件。

2016年，安徽建筑大学的姜效亭提出了一种新装配式型钢混凝土柱连接方式，更合理地连接柱的受力位置，便于施工。建立有限元模型，对螺栓连接进行了分析，研究了螺栓连接的破坏变形、滞回曲线、应力应变等，证明该连接方式使得装配式型钢混凝土结构抗震性能有所提高[1]。

2017年，张锦涛等人通过9个部分预制型钢混凝土构件的静载剪切试验，分析了部分预制型钢混凝土构件的破坏形式、荷载—挠度曲线、材料荷载—应变曲线和延性系数。不仅证明了试件的延性良好，还分析了预制壳强度和剪跨比对实心和空心PPSRC构件抗剪承载力的影响规律，提出了适合该构件的抗剪承载力计算公式，可以更准确地预测部分预制型钢混凝土构件的抗剪承载力[2]。

2018年，张林对9根PPSRC短柱标准火后轴心受压承载力和1根PPSRC柱室温轴心受压承载力进行了试验研究，观察了试验现象，分析了荷载—变形曲线，试验宏观现象和特征，采用有限元方法研究了標准火灾后PPSRC轴心受压短柱的破坏机理和破坏模式，研究了混凝土内部强度和箍筋间距对实心和空心PPSRC柱温度场分布和破坏现象的影响，并对其残余承载性能进行了分析，得到了火灾后试件的延性系数和刚度退化规律[3]。

2018年，龚志超及其同事通过对6根PPSRC柱火灾后的偏心受压静载试验和1根PPSRC柱的室温偏心受压试验，研究了加热时间、偏心率和核心混凝土类型对PPSRC柱火灾破坏模式的影响。结果表明，火灾后PPSRC柱表面混凝土不发生破裂，活性粉末混凝土保护型钢，但PPSRC柱的剩余承载力会随着偏心距和加热时间的增加而降低，所以该构件火灾后偏心抗压性能优越，有较好的整体稳定性[4]。

2019年，林夏如对8根PPSRC实心柱和2根PPSRC空心柱进行轴压试验，根据其破坏、应变和轴变的曲线规律，研究对混凝土内部强度、PPSRC柱轴压性能的影响因素[5]。

2019年，陈阳博士对18根PPSRC柱进行了轴压性能试验，重点研究了现浇混凝土内强度、箍筋间距、钢筋混凝土强度等关键参数对轴心受压性能的影响，通过ABAQUS有限元分析软件研究了轴压性能的影响因素。结合现有规范，基于叠加法，建立了PPSRC柱轴压承载力计算公式。同时，通过轴压比试验验证了轴压比限值的准确性，最后给出了PPSRC柱轴压比的推荐限值;通过对PPSRC柱压剪性能的试验研究，得出了PPSRC柱斜截面抗剪承载力计算方法[6]。

2019年，杨勇、陈阳等人对7个试件进行静载试验，收集PPSRC构件的破坏过程、剪位移曲线和剪应变曲线的数据，了解该构件的破坏机理和受剪性能。试验结果表明，部分型钢混凝土预制构件受到斜压破坏和剪压破坏，预制构件与现浇混凝土可以较好连接。在PPSRC柱的抗剪承载力计算公式中，应考虑剪跨比的影响。部分预制装配型钢混凝土柱构件抗剪承载力计算公式可为构件的设计提供一定依据[7]。

到目前为止，杨勇团队对部分预制装配型钢混凝土柱的承载性能深入研究，并取得了突破性结论，为该新型柱构件在工程中应用的可行性提供理论支持[8-12]。

目前，国内还有许多研究团队正热衷于对部分预制装配型钢混凝土柱的承载性能研究，不断涌现出当代建筑行业的拼搏热情。

2 钢混凝土柱结构的特点及装配式型钢混凝土柱部分预制的原因

2.1 全现浇型钢混凝土柱结构特点

施工工序复杂，现场需绑扎钢筋、支模板、拆模板、潮湿作业等作业，施工难度大，工程进度较慢、成本和能耗较高，不符合绿色施工理念。该构件的变形能力、抗震性能、承载能力、轴向刚度、抗裂性能、耐久性能和耐火性能有待提高。构件选材为钢筋、混凝土，较为单一，整体造价较高，设计方案固定。构件全预制混性能存在振捣不实、混凝土强度不足、钢筋错位、型钢移位、节点核心区箍筋配置不足等施工质量问题，施工质量不易控制。传统施工中，钢筋混凝土柱全部为现场浇筑，混凝土外观质量和效果很难保证且不易控制。

2.2 全预制型钢混凝土结构特点

全预制装配SRC柱整体浇筑工艺比较复杂，现有技术尚存在不足，故存在整体不连续性、结构不稳定性、抗震性能和抗连续倒塌性能不足等问题。

全预制装配SRC柱的自重大、大型运输和吊装设备需求大，整体装配现场安全不能确保，且全预制成本高、安装成本高、运输成本高。

全预制装配SRC柱施工过程中，现场连接工序较多、连接构造复杂、连接质量要求高且不易保证。

2.3 部分预制装配型钢混凝土柱结构的特点

优点：承载性能高;抗震效果好;抗火、抗腐蚀能力强;经济性好，在同截面尺寸情况下，可以经济合理地配置更多的材料，减少钢的用量;柱构件抗弯、变形性能好;自重轻，承载力高，不需内部支模，提升施工速度，减小施工现场结构装配难度。

缺点：自重大，运输吊装困难，造价高;连接复杂，结构完整性难以保证;易开裂;钢筋与混凝土界面粘结能力不足，易滑移;施工时要求混凝土骨料粒径，现浇质量不易控制;若构件同时存在型钢和钢筋，浇筑施工较困难。

2.4 装配式型钢混凝土柱局部预制原因分析

原先预制型钢混凝土结构的受力构件在工厂内整体预制，然后运输吊装，但是存在明显的缺点，导致其推广应用受到限制。型钢混凝土柱主要用于高层建筑和大跨度建筑，该构件截面尺寸往往较大，构件重量较重，对吊装设备的吨位要求高，构件吊装难度大，施工综合成本高。预制型钢混凝土构件之间虽然可以很好地连接钢筋和型钢，但连接完整性较差。然而，预制型钢混凝土构件间传力机理复杂，连接质量不易保证。目前，国内外仅多层建筑采用预制型钢混凝土结构，但在高层建筑和超高层建筑中应用并不广泛，对于超高层建筑或强震强风地区的高层建筑，预制型钢混凝土柱的完整性要求很难满足。所以，在全预制型钢混凝土柱的基础上，提出了部分预制型钢混凝土柱的设计思想。部分预制装配型钢混凝土柱（partially prefabricated steel reinforced concrete column，PPSRC柱）是指在工厂预制型钢混凝土柱外壳，施工现场吊装、装配并完成现浇部分混凝土浇筑的型钢混凝土柱构件。这些复杂构件由工厂预制、浇筑、养护，大部分采用机械施工，提高了施工安全性，缩短了工期，解决了施工难度大、工期长、构件过大、过重、不利于运输和吊装等问题，符合绿色环保和产业化的要求。新构件采用预制连接技术，改善了结构整体性差的问题，保证了预制型钢混凝土柱的连通性，增加了建筑物的使用空间。部分预制结构已成为一种不可缺少的科学生产力，节省了大量资源，建筑业也迎来了一次创新和超越。

3 PPSRC柱承载性能总结及工程应用可行性

近十年来，国内外许多专家學者对部分预制装配型钢混凝土柱的承载性能进行了大量的试验研究，提出了各种特征承载力计算方法，一些计算方法已列入各国规范并沿用至今。文章提出用部分预制装配钢骨混凝土柱代替传统的钢筋混凝土柱，解决了预制型钢混凝土柱构件的缺点，型钢混凝土结构有优越的力学性能和预制施工方便的优点，人们可以通过操作机器来高效地工作。部分企业已开始采用工厂预制拼装的具体方式和方案，但尚未推广。笔者通过对目前预制构件的制作和数据分析以及现有理论专利技术，对PPSRC柱的承载性能进行了试验研究，证明了PPSRC柱的合理性和经济性。研究了PPSRC柱的火灾后偏心、轴心受压性能、斜截面承载性能、抗震性能、偏压及压剪作用下的受力性能，通过诸多研究数据的分析，性能的比较，该新型柱构件具有良好的承载性能。研究结果表明：在轴压作用下，PPSRC柱与SRC现浇柱的破坏模式相当，可以认为PPSRC柱的力学性能与现浇混凝土柱性能相当，故PPSRC柱在工程中的应用具有可行性。综上所述，与全现浇型钢混凝土结构和全预制型钢混凝土结构相比，PPSRC柱在施工性能、力学性能、材料应用等方面都有显著提高，符合国家行业标准《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ1-2014）等强调预制与现浇结合的规定，可广泛应用于各类建筑结构中，是一种具有良好推广应用前景的新型绿色建筑结构体系。

4 PPSRC柱的未来展望

这种新型结构能很好地保留型钢混凝土结构显著的性能优势，弥补施工难度大、工期长的缺陷，满足绿色环保和产业化的要求;还可以解决预制型钢混凝土结构构件过大、过重，不利于运输和吊装的问题，改善结构整体性差的问题。

国家近几年大力推动BIM技术在建筑中的应用，也注重装配式建筑视角下BIM协同型人才培养[13]。BIM技术的应用为装配式建筑设计提供了强有力的技术支持，有效解决了预制构件与专业冲突的问题。国家可以规定部分预制装配型钢骨混凝土柱构件的标准，生产厂家可以在施工前提前批量生产、养护好型钢混凝土柱，高效优质地建设好工程。对部分预制装配型钢混凝土柱，该装配式建筑要做到信息集成，使得该新型构件设计标准化、构件工厂化、施工装配化、装修一体化。这就为部分预制装配型钢混凝土柱提供了成熟的技术支持，国家也鼓励建筑行业发展，国内相关的技术和专利也不断涌现。PPSRC柱有利于提高工程效率，节约资源，提高建筑质量，符合我国建筑产业化的发展要求，说明PPSRC柱有着良性的发展趋势和未来前景。

参考文献

[1] 姜效亭.装配式型钢混凝土柱连接处抗震性能研究与应用[D].合肥：安徽建筑大学，2016.

[2] 张锦涛.部分预制装配型钢混凝土构件斜截面受剪承载能力试验与理论研究[D].西安：西安建筑科技大学，2017.

[3] 张林.部分预制装配型钢混凝土柱火灾后轴压性能试验研究[D].西安：西安建筑科技大学，2018.

[4] 龚志超.部分预制装配型钢混凝土柱火灾后偏压性能试验研究[D].西安：西安建筑科技大学，2018.

[5] 林夏如.部分预制装配型钢混凝土柱轴压性能试验研究[D].西安：西安建筑科技大学，2019.

[6] 陈阳.部分预制装配型钢混凝土柱基本受力行为与设计理论研究[D].西安：西安建筑科技大学，2019.

[7] 杨勇，薛亦聪，于云龙，等.部分预制装配型钢混凝土柱抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2019，40（8）：42-50.

[8] 张文松.部分预制装配型钢混凝土柱偏心受压性能及承载力试验研究[D].西安：西安建筑科技大学，2019.

[9] 薛亦聪.部分预制装配型钢混凝土柱抗震性能与设计方法研究[D].西安：西安建筑科技大学，2020.

[10] 杨勇，谢芸阳，于云龙，等.部分预制装配型钢混凝土柱受火后轴压性能试验研究[J].建筑结构学报，2021，42（9）：91-100.

[11] 杨勇，魏博，薛亦聪，等.部分预制装配型钢混凝土柱火灾后偏压试验研究[J].工程力学，2020，37（3）：108-119.

[12] 张树琛，杨勇，薛亦聪，等.部分预制装配型钢混凝土短柱抗震性能试验研究[J].工程力学，2020，37（10）：179-191.

[13] 李恒.装配式建筑视角下BIM协同型人才培养研究[J].中国房地产业，2019（1）：253.