装配式RCS组合结构研究进展

李升才1 ,陈俊杰2 ,谢永芹3 ,王昌军4

摘要：本文介绍了装配式RCS组合结构这种新型结构的构成，描述了其相对于其他RCS组合结构和传统混凝土结构及钢结构的优势，并对其研究情况进行了论述。

20世纪80年代初期，建筑业曾经开展了一系列新工艺，如大板、升板体系、南斯拉夫体系、预制装配整体式框架体系等等，对建筑工业化发展起到了有益的推进作用。但这些有益的实践之后，均未有大规模的推广。究其原因，主要是因为当时的这些新工艺在高度、建筑型式、功能要求等方面有很大的局限。加之受到当时的经济条件制约，机具设备和运输工具落后，运输道路狭窄，无法满足相应的工艺要求。另外，受技术水平的限制，体系接头处理不善，极易造成漏水，而且接头构造处理不当，削弱了其受力性能，在地震设防区产生的影响更大。这些客观的技术经济条件遏制了装配整体式结构体系发展的势头，造成了科研机构较少对装配整体式结构体系进行研究，结构专家们怀疑该体系的结构性能，认为这种体系有无法弥补的性能缺陷，不值得进行研究。设计院里的结构设计者由于没有强有力的科研支持，只得采用现浇结构体系。

反观装配整体式钢筋混凝土体系，主体结构的柱、梁、板，均可完全在工厂加工，实现完全的工业化大生产，现场只要将其拼装起来即可。工厂化的加工，就可以利用最先进的现代技术，进行全自动化生产和计算机控制及管理，行业的监督机制更为规范，工人的数量较少，可以相对固定和高技能化，这些在客观上可以保证结构构件的质量。现场的拼装需要工人数量也较少，可以雇佣熟练工人。由于工序简单，监督管理相对容易，拼装质量易得到保证。同时，工程的工期可以大大缩短，使项目可以及早发挥经济效益。工程成本由于工序简单也易于控制。国家对固定资产投资的宏观调控更易于实现。另外，长期困扰市民的工地噪音、粉尘污染等问题迎刃而解，工地更易实现文明施工。

1. 装配式RCS组合结构简介

本文所研究的新型装配式约束混凝土柱蜂窝钢梁组合结构是由密置复合连续高强螺旋箍筋约束高强混凝土柱、焊接六边形孔蜂窝钢梁和普通混凝土（含压型钢板）合成楼盖组成的组合框架结构，该组合框架由钢筋混凝土柱和钢梁（reinforced concrete (RC) columns and steel (S) beams, 即所谓的RCS组合框架）组成。是一种新的装配式RCS组合结构形式。装配式约束混凝土柱蜂窝钢梁组合结构有两个其他RCS组合结构所不具备的优势，其一是该结构中的密置复合连续高强螺旋箍筋约束高强混凝土柱，其受力形式类似钢管混凝土柱，而且方型钢管混凝土柱的约束力不如密配的螺旋箍筋柱，密配的螺旋箍筋增加了柱的强度与延性，可以解决一般混凝土柱的轴压比限值及柱截面过大的问题，也可以改善配置普通箍筋高强混凝土柱的材料脆性问题。而密置复合连续高强螺旋箍筋约束高强混凝土柱的造价和用钢量要比钢管混凝土柱的小得多，并且克服了钢管混凝土柱易锈蚀和抗火性差的缺点，从而使密置复合连续高强螺旋箍筋约束高强混凝土柱取代钢框架中的钢柱，使RCS组合框架取代钢框架用于中、高层建筑成为可能；其二是焊接六边形孔蜂窝钢梁与压型钢板混凝土组合楼板形成组合梁，比普通钢梁节省钢材，又可充分发挥钢材及混凝土两种材料的作用，使混凝土主要受压，钢梁主要受拉与受剪。另外，高强螺旋箍筋约束高强混凝土柱与钢梁的梁柱节点的连接比较方便，而且传力明确，强度较高，延性较好，很容易实现强节点、弱构件的要求；再加上楼屋盖体系使用压型钢板混凝土组合楼板，可以不用支模，省去大量的模板施工所造成的人工和材料的浪费，使施工标准化和装配化。填充墙用保温脱硫石膏砌块砌筑，能够保证满足福建及全国各地区的建筑节能要求。装配式约束混凝土柱蜂窝钢梁组合结构与传统的钢结构或钢筋混凝土结构相比，具有很强的性能优势和经济优势[1, 2]。比如，由于侧向刚度大的混凝土板与钢梁组合连接在一起很大程度上了避免了钢结构容易发生整体失稳与局部失稳的弱点，这也省去了相当一部分钢结构为保证稳定所需要的各种加劲肋的钢材。所以装配式约束混凝土柱蜂窝钢梁组合结构比传统钢结构具有更大的刚度和强度、更好的局部和整体稳定性、更强的防腐蚀和耐火性能(主要受力构件柱为混凝土构件)，并且可以减小用钢量；装配式约束混凝土柱蜂窝钢梁组合结构比传统钢筋混凝土结构具有较高的承载能力和较好的抗震性能。由于在混凝土中配置了密置复合连续高强螺旋箍筋，构件的抗剪和抗压承载能力都得到很大提高，并改善了受剪破坏时的脆性性质，提高了结构的抗震性能。同时，可以减小构件截面尺寸，减轻自重，增加有效使用空间，改善建筑效果，降低基础造价。可见装配式约束混凝土柱蜂窝钢梁组合结构适合我国基本建设的国情，将成为结构体系的重要发展方向之一。

近年来，随着高强高性能混凝土和高强高延性钢筋（中国钢研科技集团有限公司新产品：屈服强度高达1200兆帕，伸长率高达10%，有明显屈服平台，可用作约束螺旋箍筋）技术的发展和完善，装配式约束混凝土柱蜂窝钢梁组合结构展示了更大的性能优势和应用前景。通过密置复合连续高强螺旋箍筋与高强混凝土的相互组合，高强混凝土的脆性得到较好的改善，螺旋箍筋的约束作用得到充分发挥，构件延性和抗压强度得以显著提高。由于装配式约束混凝土柱蜂窝钢梁组合结构具有承载能力和延性高、刚度大及抗震性能好等优势并兼有钢结构和混凝土结构的优点，因而具有显著的技术经济效益。随着装配式约束混凝土柱蜂窝钢梁组合结构中密置复合连续高强螺旋箍筋约束高强混凝土柱和焊接六边形孔蜂窝钢梁“组合”技巧的优化和完善、以及理论研究的深入和设计方法的完善，装配式约束混凝土柱蜂窝钢梁组合结构将逐步成为中、高层建筑的一种主要结构体系。

总之，由钢筋混凝土柱与钢梁组成的组合框架结构体系（RCS），以其最经济地利用和发挥钢和混凝土构件各自在强度、刚度、延性及建筑功能适用性方面的优势，在近30年来在美国和日本得以开发，并应用于实际建筑工程中。早在1986年，美国的Griffis[1]就曾指出RCS组合结构具有“充分利用材料”、“资金利用率高”、“施工速度快”等优点，被称为“低成本高效率”结构。再加上上述两个优势，可以说装配式约束混凝土柱蜂窝钢梁组合结构是RCS组合结构中的精品。

2. 装配式RCS组合结构研究情况

开展了9个密置复合连续螺旋箍筋约束高强混凝土柱1/2模型试件和1个对比试件在高轴压比下低周往复水平荷载下抗震性能拟静力试验研究并在试验基础上进行了有限元数值模拟和拓展参数分析，研究了轴压比和体积配箍率对试件抗震性能的影响。研究和分析结果表明，密置复合连续螺旋箍筋约束能够较大幅度改善轴压比超限柱的变形能力（延性），且试件的位移延性系数随密置复合连续螺旋箍筋体积配箍率的增加而增加。

开展了24榀由密置复合连续螺旋箍筋约束高强混凝土柱、蜂窝钢梁（带或不带压型钢板混凝土楼板）组成的组合件（按强柱弱梁、强节点弱构件原则设计）低周往复水平荷载下的抗震性能试验研究，研究了轴压比、梁截面尺寸和有无楼板对试件抗震性能的影响。通过加载过程中各阶段的多种变形量测分析，研究柱端弯曲变形、梁端弯曲变形及剪切变形、核芯区剪切变形、连接件间的相对变形等在组合件整体变形中所占的比重及变化规律，提出满足不同性能要求的建议变形容许值，确定结构的破坏模式。研究结果表明，在组成层间总位移的众多变形成份中，钢梁梁端的变形比重最大，其余变形所引起的层间位移比重相对较低；延性随着轴压比的增大而减小；随着钢梁截面刚度的提高，试件承载力也相对较高，但骨架曲线下降段相对较陡，延性变差；楼板对试件的初始刚度及承载力的提高作用显著，对延性性能影响不大，而变形耗能能力较强。

利用有限元软件对装配式约束混凝土柱蜂窝钢梁组合框架结构进行了弹塑性地震反应分析和push-over推覆分析。得到了不同性能水平的结构变形容许值；建立了装配式约束混凝土柱蜂窝钢梁组合结构的性能评价和验算方法。从而建立了装配式约束混凝土柱蜂窝钢梁组合结构基于性能的抗震设计理论框架。

3. 结束语

装配式约束混凝土柱蜂窝钢梁组合结构是一种高技术含量、节能、高效率、符合我国可持续发展战略的建筑结构。项目组在我国率先开展了装配式约束混凝土柱蜂窝钢梁组合框架结构抗震性能和设计方法的研究工作，研究工作量巨大，效果显著，多数研究成果为国内外首次提出，推动了福建省乃至全国的建筑节能和装配式建筑的发展，为建筑工业化和住宅产业化的发展做出了很大贡献。因此，该结构有很光明的发展前景，研究成果在高层民用建筑的工程应用将产生良好经济效益和社会效益。

参考文献

[1] Griffis L. Some design considerations for composite frame structures[J]. AISC Engineering Journal, 1986, 23(2): 59-64.

[2] Griffis, L. Composite frame construction. Constructional steel design—An Int. guide, P. Dowling, J. Harding, and R. Bjorhovde, eds., Elsevier Applied Science, New York, 1992, 523-554.