天津大学 建筑设计规划研究总院有限公司
装配式钢结构和装配式混凝土结构是我国目前应用最广泛的两种建筑结构体系。装配式钢结构工业化程度高、轻质高强、抗震性能好、建造周期短，是一种适合装配化施工的建筑结构体系，但是建造成本高，防火和防腐性需要特别防护措施。装配式混凝土结构建造成本相对较低，防火、防腐性能和耐久性好，但是，在当前“等同现浇”理念影响下施工现场仍存在大量湿作业，预制构件间节点连接构造复杂，质量不易保证，在实际工程应用中并没有体现出装配式建筑施工便捷、质量可靠和建造周期短等特点，无论是成本还是施工效率，与现浇混凝土结构相比优势并不明显。装配式钢筋混凝土柱-钢梁（RCS）混合框架体系将钢和混凝土两种不同的材料组合到一起，综合了钢结构和混凝土结构各自优势，充分发挥材料性能，是一种高效经济的结构形式。与钢筋混凝土结构相比，它增加了建筑空间利用率，减轻了结构自重，钢梁优良的耗能性能使得该体系具有强度高、自重轻和延性好的优点；与钢柱相比，钢筋混凝土柱抗压性能好，刚度大，提高了结构的稳定性、耐久性和耐火性，节约了钢材用量。该体系具有装配化建造特性，符合建筑产业化发展要求。一、新型装配式混合框架结构体系基于预制构件设计和生产标准化以及生产机械化和自动化的理念，结合现有成熟的管桩离心生产工艺，提出了预制混凝土管组合柱-钢梁装配式混合框架结构体系，其结构组成示意图如图1所示。图1 新型装配式混合框架结构体系组成示意图新型装配式混合框架主要由预制混凝土管组合柱（以下简称预制管组合柱）、钢梁和楼板等部件组成。预制管组合柱制作时在楼层处预埋钢套箍，钢套箍内侧设置栓钉抗剪键，通过外环板即可实现与钢梁的快速装配化连接。楼板可根据具体情况采用混凝土叠合楼板或压型钢板-混凝土组合楼板等形式。新型装配式混合框架结合现有成熟的管桩离心生产工艺，兼顾结构性能、施工效率和经济性，符合建筑产业化发展要求，具有以下优势。1. 构件生产标准化，模具利用效率高。2. 框架节点质量可靠，施工效率高。预制管组合柱一次预制最长可达20m，在楼层处连续不断开，有效地保证了框架节点的施工质量，既提高了施工效率又节省造价；楼层处预埋钢套箍对节点区形成有效约束，提高了框架节点的受力性能，节点设计易实现“强节点、弱构件”的抗震设计原则。3. 预制构件自重轻，运输和吊装成本低。与普通预制混凝土柱构件相比，预制混凝土管自重根据空心率大小的不同可降低30%～60%，有效降低了运输和吊装成本，当采用多层连续预制柱时，其优势将更加明显。为推动该新型预制构件在工程实践中的应用和发展，有必要对预制管组合柱构件、梁柱节点及结构体系的受力性能进行系统和深入的研究，建立起一套完善的设计理论。二、基于标准化的新型构件研发基于预制构件设计和生产标准化以及生产机械化和自动化的理念，结合国内具备的成熟的管桩离心生产工艺，天大设计院首次提出采用离心工艺制作的预制混凝土管组合柱，该新型预制构件由离心工艺生产的预制混凝土管和芯部现浇混凝土组合而成，预制混凝土管采用高强混凝土（或超高性能混凝土）并在管中配置纵筋和高强连续螺旋箍筋。在装配现场吊装完预制混凝土管后，通过灌注芯部混凝土（普通强度混凝土）使之成为整体协同受力的组合柱，作为新型混合框架体系的竖向受力构件。（一）预制管组合柱抗剪性能为研究预制管组合柱的受剪性能，完成了12个足尺预制管组合柱试件的受剪试验，分析了剪跨比、轴压比、配箍率和填充混凝土强度对其受剪承载力、变形性能以及破坏形态的影响，研究了不同参数对受剪性能的影响程度，揭示了预制管组合柱的受剪机理，为该新型预制构件在工程中的应用推广提供了依据。图2为试验加载装置，图3给出了部分试件的最终破坏形态。图2 试验加载装置图3 部分试件破坏形态试验结果表明：（1）预制管组合柱的破坏模式为剪压破坏，剪切斜裂缝与柱纵轴线夹角在28°～41°之间。剪跨比对剪切斜裂缝与柱纵轴线夹角的影响较大，其夹角随剪跨比的增大而减小；相比之下，轴压比、面积配箍率和芯部混凝土强度的影响不明显。（2）预制管组合柱 中芯部混凝土与外部预制管壁接触界面粘结完好，未出现滑移现象，两者变形基本协调，具有较好的整体协同工作性能。（3）预制管组合柱的延性系数介于2.57～4.78之间，剪跨比为1.5的试件处于低延性水平等级，剪跨比不小于2.0的试件处于高延性水平等级，其他试件处于中 等延性水平等级。因此，对预制管组合柱，设计中应避免使用短柱，尤其是剪跨比不大于1.5的极短柱，以防止柱发生延性性能较差的剪切破坏。（二）预制管组合柱受剪承载力计算在试验研究和数值模拟分析的基础上，基于桁架-拱模型理论建立了适用于预制管组合柱的受剪承载力计算公式，并提出了考虑正常使用极限状态要求的受剪承载力计算公式，以期为其在实际工程中的应用提供理论参考。理论分析中假定箍筋和纵筋只承受拉力，不考虑混凝土的受拉作用，将混凝土作为斜腹杆或上弦杆，外部预制管与芯部混凝土黏结良好，不产生滑移，预制管组合柱所受剪力由外部预制管和芯部混凝土共同承担。同时，为简化计算，将预制管组合柱中圆形的芯部混凝土截面偏于安全地简化为方形截面，其截面边长取圆形截面直径。基于桁架-拱模型理论，推导得到了预制管组合柱的受剪承载力计算公式，如下式所示。与试验结果对比分析表明，所提出的公式计算值与试验值比值的平均值为0.90，变异系数为0.06，计算值与试验值吻合较好，具有一定的安全度，可为其工程应用推广提供参考。（三）预制管组合柱抗震性能为研究预制管组合柱的抗震性能，完成了7个足尺预制管组合柱试件的低周反复加载试验，分析了轴压比、芯部混凝土强度以及体积配箍率等参数对预制管组合柱抗震性能的影响规律，研究了预制管组合柱在水平反复荷载作用下的整体协同工作性能以及芯部混凝土对其抗震性能的影响，揭示了预制管组合柱的受力机理。图4为试验加载装置，图5给出了部分试件的最终破坏形态。图4 试验加载装置图5 部分试件破坏形态试验结果表明：（1）预制管组合柱的破坏模式为压弯破坏，柱根部塑性铰开展较为充分。芯部混凝土与外部预制管壁接触界面保持完好，未出现滑移现象，两者间变形基本协调，具有较好的整体协同工作性能。（2）在反复荷载作用下，预制管组合柱的延性系数介于3.77～5.97之间，满足延性系数大于3.0的要求，各试件均处于高延性水平等级，预制管组合柱具有较好的延性性能。轴压比的增加对柱延性性能有不利影响，而体积配箍率的增加能有效改善柱的延性性能，提高其弹塑性变形能力。（3）预制管组合柱在峰值荷载时的等效黏滞阻尼系数介于0.094～0.155之间，其耗能能力较好，具有与现浇钢筋混凝土柱相当的能量耗散能力。（四）预制管组合柱正截面承载力计算抗震性能试验和数值模拟分析结果表明，预制管组合柱表现出较好的整体协同工作性能，抗震性能良好。为建立预制管组合柱正截面承载力的设计方法，在试验研究和数值模拟分析的基础上，基于极限强度理论，推导了适用于预制管组合柱的正截面承载力简化计算公式。理论公式推导过程中采用以下基本假定：（1）受力过程中截面应变为线性分布，满足平截面假定；（2）忽略混凝土的受拉强度；（3）外部预制管与芯部混凝土变形协调；（4）按等效矩形应力图考虑受压区混凝土作用；（5）受压区混凝土合力采用叠加方式。基于上述基本假定，由平衡条件可得到预制管组合柱正截面承载力计算的基本公式。根据极限状态时截面的应变分布特征，分4种情形给出了预制管组合柱的正截 面承载力计算公式（如图6所示）。与试验数据对比的结果表明，所推导公式的计算值与试验值比值的平均值为 0.92，变异系数为0.05，计算值与试验值吻合较好，计算结果整体偏于安全，离散性较小。图6 预制管组合柱正截面承载力计算简图三、基于构件标准化的梁柱节点研发预制管组合柱-钢梁节点采用柱贯通式节点，由多层连续（楼层处不断开）的预制管组合柱、节点区钢套箍、外环板以及钢梁组成。钢套箍通过内侧设置的栓钉与预制混凝土管组合柱连接，设置部位为梁柱节点连接区域；为简化节点区构造、方便施工，梁柱节点区内未配置箍筋。典型预制管组合柱-钢梁连接节点如图7所示，图8给出了梁柱连接节点的制作流程。图7 连接节点示意图（a）绑扎钢筋笼 （b）入模 （c）布料 （d）离心成型 （e）拆模养护 （f）浇芯部混凝土 （g）钢梁连接 （h）制作完成 图8 连接节点制作流程（一）梁柱节点抗震性能为研究预制管组合柱-钢梁连接节点的抗震性能，以轴压比、钢套箍延伸高度、芯部混凝土强度以及钢套箍厚度为主要参数，进行了6个节点试件的拟静力试验。各试件均为“弱节点”设计，以使节点域率先发生剪切破坏，以期研究预制管组合柱-钢梁节点的受剪性能，为其节点受剪承载力计算理论提供试验依据。试验研究了各试件的破坏形态、滞回特性、承载能力、耗能能力以及节点域受剪性能，揭示了节点的传力机理。图9为试验加载装置，图10给出了部分试件的最终破坏形态。图9 试验加载装置图10 部分试件破坏形态试验结果表明：（1）试验实现了预期的节点域破坏，包括节点域的剪切破坏和节点上下柱端混凝土的局部碎裂破坏，其中节点域的剪切破坏是导致节点最终失效的主要原因。节点域钢套箍与内部混凝土之间的粘结滑移较小，两者间变形基本协调，具有较好的整体协同工作性能。（2）预制管组合柱-钢梁节点在峰值荷载时的等效黏滞阻尼系数在0.1653～0.1927之间，其值介于钢筋混凝土节点和型钢混凝土节点之间，具有较好的耗能性能。（3）所提出的预制管组合柱-钢梁节点具有明确的传力途径和可靠的传力性能。通过外环板，钢梁翼缘传力的应力能可靠地传递至节点内。（二）梁柱节点承载力计算根据对预制管组合柱-钢梁节点试件的试验现象、破坏形态、节点域剪切变形和钢套箍应变等结果进行分析，可知该类型节点的受力机理为节点域钢套箍腹板“剪力 墙”机构和混凝土斜压杆机构的综合作用，其示意图如图11所示。图11 节点受力机理基于叠加原理，节点的受剪承载力可按下式计算。与试验数据的对比结果表明，计算值与试验值之比的平均值为0.89，变异系数为0.03，计算值与试验值吻合较好，计算结果偏于安全。四、工程应用某工程地上5层，建筑面积约6000m2，采用新型装配式混合框架结构体系，其典型的施工照片如图12～图15。图12 三层高预制柱吊装图13 预制柱与杯口基础的连接图14 典型梁柱连接节点图15 安装钢梁结束语新型装配式混合框架结构体系由天津大学建筑设计规划研究总院有限公司自主研发。该技术体系研发历时近十年，期间得到了天津市科技局、天津市住建委等经费资助，获得授权专利12项，其中发明专利5项；研发技术经鉴定达到国内领先水平，相关研究成果已纳入天津市地方标准。实践证明，新型装配式混合框架结构体系可实现构件设计和生产标准化、以及生产机械化和自动化的目标，是一种兼顾结构性能、施工效率和经济性的新型装配式结构体系，符合建筑产业化发展要求，具有良好的应用前景。未来通过与消能减震技术的结合，研发考虑阻尼特征的保温围护一体化墙板，可进一步提高建筑的抗震韧性，提升装配式建筑质量、安全和效率。
装配式钢结构和装配式混凝土结构是我国目前应用最广泛的两种建筑结构体系。装配式钢结构工业化程度高、轻质高强、抗震性能好、建造周期短，是一种适合装配化施工的建筑结构体系，但是建造成本高，防火和防腐性需要特别防护措施。装配式混凝土结构建造成本相对较低，防火、防腐性能和耐久性好，但是，在当前“等同现浇”理念影响下施工现场仍存在大量湿作业，预制构件间节点连接构造复杂，质量不易保证，在实际工程应用中并没有体现出装配式建筑施工便捷、质量可靠和建造周期短等特点，无论是成本还是施工效率，与现浇混凝土结构相比优势并不明显。
装配式钢筋混凝土柱-钢梁（RCS）混合框架体系将钢和混凝土两种不同的材料组合到一起，综合了钢结构和混凝土结构各自优势，充分发挥材料性能，是一种高效经济的结构形式。与钢筋混凝土结构相比，它增加了建筑空间利用率，减轻了结构自重，钢梁优良的耗能性能使得该体系具有强度高、自重轻和延性好的优点；与钢柱相比，钢筋混凝土柱抗压性能好，刚度大，提高了结构的稳定性、耐久性和耐火性，节约了钢材用量。该体系具有装配化建造特性，符合建筑产业化发展要求。
一、新型装配式混合框架结构体系
基于预制构件设计和生产标准化以及生产机械化和自动化的理念，结合现有成熟的管桩离心生产工艺，提出了预制混凝土管组合柱-钢梁装配式混合框架结构体系，其结构组成示意图如图1所示。
图1 新型装配式混合框架结构体系组成示意图
新型装配式混合框架主要由预制混凝土管组合柱（以下简称预制管组合柱）、钢梁和楼板等部件组成。预制管组合柱制作时在楼层处预埋钢套箍，钢套箍内侧设置栓钉抗剪键，通过外环板即可实现与钢梁的快速装配化连接。楼板可根据具体情况采用混凝土叠合楼板或压型钢板-混凝土组合楼板等形式。
新型装配式混合框架结合现有成熟的管桩离心生产工艺，兼顾结构性能、施工效率和经济性，符合建筑产业化发展要求，具有以下优势。
1. 构件生产标准化，模具利用效率高。
2. 框架节点质量可靠，施工效率高。预制管组合柱一次预制最长可达20m，在楼层处连续不断开，有效地保证了框架节点的施工质量，既提高了施工效率又节省造价；楼层处预埋钢套箍对节点区形成有效约束，提高了框架节点的受力性能，节点设计易实现“强节点、弱构件”的抗震设计原则。
3. 预制构件自重轻，运输和吊装成本低。与普通预制混凝土柱构件相比，预制混凝土管自重根据空心率大小的不同可降低30%～60%，有效降低了运输和吊装成本，当采用多层连续预制柱时，其优势将更加明显。
为推动该新型预制构件在工程实践中的应用和发展，有必要对预制管组合柱构件、梁柱节点及结构体系的受力性能进行系统和深入的研究，建立起一套完善的设计理论。
二、基于标准化的新型构件研发
基于预制构件设计和生产标准化以及生产机械化和自动化的理念，结合国内具备的成熟的管桩离心生产工艺，天大设计院首次提出采用离心工艺制作的预制混凝土管组合柱，该新型预制构件由离心工艺生产的预制混凝土管和芯部现浇混凝土组合而成，预制混凝土管采用高强混凝土（或超高性能混凝土）并在管中配置纵筋和高强连续螺旋箍筋。在装配现场吊装完预制混凝土管后，通过灌注芯部混凝土（普通强度混凝土）使之成为整体协同受力的组合柱，作为新型混合框架体系的竖向受力构件。
（一）预制管组合柱抗剪性能
为研究预制管组合柱的受剪性能，完成了12个足尺预制管组合柱试件的受剪试验，分析了剪跨比、轴压比、配箍率和填充混凝土强度对其受剪承载力、变形性能以及破坏形态的影响，研究了不同参数对受剪性能的影响程度，揭示了预制管组合柱的受剪机理，为该新型预制构件在工程中的应用推广提供了依据。图2为试验加载装置，图3给出了部分试件的最终破坏形态。
图2 试验加载装置
图3 部分试件破坏形态
试验结果表明：（1）预制管组合柱的破坏模式为剪压破坏，剪切斜裂缝与柱纵轴线夹角在28°～41°之间。剪跨比对剪切斜裂缝与柱纵轴线夹角的影响较大，其夹角随剪跨比的增大而减小；相比之下，轴压比、面积配箍率和芯部混凝土强度的影响不明显。（2）预制管组合柱 中芯部混凝土与外部预制管壁接触界面粘结完好，未出现滑移现象，两者变形基本协调，具有较好的整体协同工作性能。（3）预制管组合柱的延性系数介于2.57～4.78之间，剪跨比为1.5的试件处于低延性水平等级，剪跨比不小于2.0的试件处于高延性水平等级，其他试件处于中 等延性水平等级。因此，对预制管组合柱，设计中应避免使用短柱，尤其是剪跨比不大于1.5的极短柱，以防止柱发生延性性能较差的剪切破坏。
（二）预制管组合柱受剪承载力计算
在试验研究和数值模拟分析的基础上，基于桁架-拱模型理论建立了适用于预制管组合柱的受剪承载力计算公式，并提出了考虑正常使用极限状态要求的受剪承载力计算公式，以期为其在实际工程中的应用提供理论参考。
理论分析中假定箍筋和纵筋只承受拉力，不考虑混凝土的受拉作用，将混凝土作为斜腹杆或上弦杆，外部预制管与芯部混凝土黏结良好，不产生滑移，预制管组合柱所受剪力由外部预制管和芯部混凝土共同承担。同时，为简化计算，将预制管组合柱中圆形的芯部混凝土截面偏于安全地简化为方形截面，其截面边长取圆形截面直径。
基于桁架-拱模型理论，推导得到了预制管组合柱的受剪承载力计算公式，如下式所示。
与试验结果对比分析表明，所提出的公式计算值与试验值比值的平均值为0.90，变异系数为0.06，计算值与试验值吻合较好，具有一定的安全度，可为其工程应用推广提供参考。
（三）预制管组合柱抗震性能
为研究预制管组合柱的抗震性能，完成了7个足尺预制管组合柱试件的低周反复加载试验，分析了轴压比、芯部混凝土强度以及体积配箍率等参数对预制管组合柱抗震性能的影响规律，研究了预制管组合柱在水平反复荷载作用下的整体协同工作性能以及芯部混凝土对其抗震性能的影响，揭示了预制管组合柱的受力机理。图4为试验加载装置，图5给出了部分试件的最终破坏形态。
图4 试验加载装置
图5 部分试件破坏形态
试验结果表明：（1）预制管组合柱的破坏模式为压弯破坏，柱根部塑性铰开展较为充分。芯部混凝土与外部预制管壁接触界面保持完好，未出现滑移现象，两者间变形基本协调，具有较好的整体协同工作性能。（2）在反复荷载作用下，预制管组合柱的延性系数介于3.77～5.97之间，满足延性系数大于3.0的要求，各试件均处于高延性水平等级，预制管组合柱具有较好的延性性能。轴压比的增加对柱延性性能有不利影响，而体积配箍率的增加能有效改善柱的延性性能，提高其弹塑性变形能力。（3）预制管组合柱在峰值荷载时的等效黏滞阻尼系数介于0.094～0.155之间，其耗能能力较好，具有与现浇钢筋混凝土柱相当的能量耗散能力。
（四）预制管组合柱正截面承载力计算
抗震性能试验和数值模拟分析结果表明，预制管组合柱表现出较好的整体协同工作性能，抗震性能良好。为建立预制管组合柱正截面承载力的设计方法，在试验研究和数值模拟分析的基础上，基于极限强度理论，推导了适用于预制管组合柱的正截面承载力简化计算公式。
理论公式推导过程中采用以下基本假定：（1）受力过程中截面应变为线性分布，满足平截面假定；（2）忽略混凝土的受拉强度；（3）外部预制管与芯部混凝土变形协调；（4）按等效矩形应力图考虑受压区混凝土作用；（5）受压区混凝土合力采用叠加方式。
基于上述基本假定，由平衡条件可得到预制管组合柱正截面承载力计算的基本公式。根据极限状态时截面的应变分布特征，分4种情形给出了预制管组合柱的正截 面承载力计算公式（如图6所示）。与试验数据对比的结果表明，所推导公式的计算值与试验值比值的平均值为 0.92，变异系数为0.05，计算值与试验值吻合较好，计算结果整体偏于安全，离散性较小。
图6 预制管组合柱正截面承载力计算简图
三、基于构件标准化的梁柱节点研发
预制管组合柱-钢梁节点采用柱贯通式节点，由多层连续（楼层处不断开）的预制管组合柱、节点区钢套箍、外环板以及钢梁组成。钢套箍通过内侧设置的栓钉与预制混凝土管组合柱连接，设置部位为梁柱节点连接区域；为简化节点区构造、方便施工，梁柱节点区内未配置箍筋。典型预制管组合柱-钢梁连接节点如图7所示，图8给出了梁柱连接节点的制作流程。
图7 连接节点示意图
（a）绑扎钢筋笼 （b）入模 （c）布料 （d）离心成型 （e）拆模养护
（f）浇芯部混凝土 （g）钢梁连接 （h）制作完成
图8 连接节点制作流程
（一）梁柱节点抗震性能
为研究预制管组合柱-钢梁连接节点的抗震性能，以轴压比、钢套箍延伸高度、芯部混凝土强度以及钢套箍厚度为主要参数，进行了6个节点试件的拟静力试验。各试件均为“弱节点”设计，以使节点域率先发生剪切破坏，以期研究预制管组合柱-钢梁节点的受剪性能，为其节点受剪承载力计算理论提供试验依据。试验研究了各试件的破坏形态、滞回特性、承载能力、耗能能力以及节点域受剪性能，揭示了节点的传力机理。图9为试验加载装置，图10给出了部分试件的最终破坏形态。
图9 试验加载装置
图10 部分试件破坏形态
试验结果表明：（1）试验实现了预期的节点域破坏，包括节点域的剪切破坏和节点上下柱端混凝土的局部碎裂破坏，其中节点域的剪切破坏是导致节点最终失效的主要原因。节点域钢套箍与内部混凝土之间的粘结滑移较小，两者间变形基本协调，具有较好的整体协同工作性能。（2）预制管组合柱-钢梁节点在峰值荷载时的等效黏滞阻尼系数在0.1653～0.1927之间，其值介于钢筋混凝土节点和型钢混凝土节点之间，具有较好的耗能性能。（3）所提出的预制管组合柱-钢梁节点具有明确的传力途径和可靠的传力性能。通过外环板，钢梁翼缘传力的应力能可靠地传递至节点内。
（二）梁柱节点承载力计算
根据对预制管组合柱-钢梁节点试件的试验现象、破坏形态、节点域剪切变形和钢套箍应变等结果进行分析，可知该类型节点的受力机理为节点域钢套箍腹板“剪力 墙”机构和混凝土斜压杆机构的综合作用，其示意图如图11所示。
图11 节点受力机理
基于叠加原理，节点的受剪承载力可按下式计算。
与试验数据的对比结果表明，计算值与试验值之比的平均值为0.89，变异系数为0.03，计算值与试验值吻合较好，计算结果偏于安全。
四、工程应用
某工程地上5层，建筑面积约6000m2，采用新型装配式混合框架结构体系，其典型的施工照片如图12～图15。
图12 三层高预制柱吊装
图13 预制柱与杯口基础的连接
图14 典型梁柱连接节点
图15 安装钢梁
结束语
新型装配式混合框架结构体系由天津大学建筑设计规划研究总院有限公司自主研发。该技术体系研发历时近十年，期间得到了天津市科技局、天津市住建委等经费资助，获得授权专利12项，其中发明专利5项；研发技术经鉴定达到国内领先水平，相关研究成果已纳入天津市地方标准。实践证明，新型装配式混合框架结构体系可实现构件设计和生产标准化、以及生产机械化和自动化的目标，是一种兼顾结构性能、施工效率和经济性的新型装配式结构体系，符合建筑产业化发展要求，具有良好的应用前景。
未来通过与消能减震技术的结合，研发考虑阻尼特征的保温围护一体化墙板，可进一步提高建筑的抗震韧性，提升装配式建筑质量、安全和效率。