一种UHPC连接的后张缓粘结共张预制预应力混凝土开孔梁框架结构及其设计、施工方法与流程

一种uhpc连接的后张缓粘结共张预制预应力混凝土开孔梁框架结构及其设计、施工方法
技术领域
1.本发明涉及预制预应力装配式建筑施工技术领域，具体地说，特别涉及到一种uhpc连接的后张缓 粘结共张预制预应力混凝土开孔梁框架结构及其设计、施工方法。


背景技术：

2.现浇结构的施工效率低、能源损耗高等诸多局限性，逐渐难以适应建筑工业化的发展要求。预制装 配式建筑因其施工速度快、构件工厂化生产、减少现场湿作业和减少环境污染等优势，已经成为建筑工 业化的发展方向。经过多年的发展和推广，预制装配式混凝土结构已得到广泛的研究和使用。
3.预制装配式混凝土框架结构是指梁柱构件在预制厂预制，运输至施工现场进行连接形成整体结构的 结构。与现浇混凝土结构相比，它具备施工速度快、构件质量易保障、质量好、对环境污染小、节省人 工费、节省大量模板和支撑等优点，是具有十分广阔前景的结构形式。对湿连接装配式混凝土框架结构 来说，易施工且有效保证整体性的节点构造形式是其推广应用的关键。但是从以往的地震灾害来看，装 配式结构在地震中破坏较为严重，很难达到和现浇结构相同的抗震性能。为提高装配式混凝土框架节点 连接的整体性和可靠性，达到甚至超过现浇混凝土结构的抗震性能，在装配式结构中引进了预应力技术 和uhpc(ultra high performance concrete，超高性能混凝土)材料。
4.后张缓粘结的共张预应力装配式混凝土结构，是通过张拉预应力筋，将预制普通混凝土构件和预制 先张预应力构件拼装在一起共同工作而形成的结构，兼有先张预应力、后张缓粘结预应力混凝土结构和 装配式结构的特点。预应力在混凝土截面产生的内应力，可以部分或全部抵消使用荷载下截面的应力， 延缓裂缝的出现并提高构件的刚度。在卸载时，裂缝可以部分或完全闭合，结构的弹性恢复性能好。同 时，预应力混凝土可以充分利用预应力筋和混凝土的材料强度，减轻结构自重。且预应力的施加有助于 装配式结构使用性能和整体性的改善，促进装配式结构在大跨、重载结构中的应用。
5.uhpc具有优良的粘结性能，能大幅减少钢筋、钢绞线在其中的锚固长度；其强度高，可减少节点 核心区箍筋用量，将uhpc用于节点核心区，可使构造简单且框架整体性好。预应力结构具有优异的受 力性能，将uhpc应用于节点核心区，形成预制预应力框架结构。对该结构进行深入研究，有利于进一 步推广和应用预制预应力混凝土框架结构。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，结合uhpc的优良性能，提出了一种uhpc连接的后 张缓粘结共张预制预应力混凝土开孔梁框架结构及其设计、施工方法。其结合了先张预应力、后张缓粘 结预应力结构和装配式结构以及叠合结构这三种传统结构，并采用了uhpc高性能材料，从而达到改善 预制装配式混凝土框架结构的抗震性能的目的。
7.本发明的优势主要体现在预制先张预应力混凝土开孔梁柱构件的连接技术和构
件之间的钢筋连接技 术两个方面。在构件连接技术方面，梁柱构件之间通过具有优良性能的uhpc进行连接，形成uhpc节 点核心区，更容易实现强节点弱构件的抗震设防要求，从而提升梁柱节点的延性，进而改善整体框架结 构的抗震性能。在钢筋连接技术方面，梁柱构件之间的钢筋仅需要简单的搭接，且搭接长度很小，从而 大大节省了预制构件的制作时间和现场安装时间。因此，本发明提出的uhpc连接的后张缓粘结的共张 预制预应力混凝土开孔梁框架结构体系及其设计、施工方法，符合我国建筑工业化的绿色发展战略。
8.本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
9.一种uhpc连接的后张缓粘结共张预制预应力混凝土开孔梁框架结构，包括预制混凝土上柱、预制 混凝土下柱、后张缓粘结的共张预制预应力混凝土开孔叠合梁、uhpc节点核心区以及叠合板；
10.所述预制混凝土上柱内设有上纵向主筋，预制混凝土下柱内设有下纵向主筋，后张缓粘结的共张预 制预应力混凝土开孔叠合梁内设有预制先张预应力混凝土开孔梁、梁叠合层以及后张缓粘结的预应力 筋，预制先张预应力混凝土开孔梁设有普通钢筋和先张预应力筋，必要时也可在孔口周围设有吊筋或钢 筋网片，钢筋网片也可以采用焊接钢筋网，梁叠合层内设有顶部通长钢筋，叠合板由预制混凝土板和浇 筑在板上的板叠合层组成；
11.所述上纵向主筋伸出预制上柱底面并直接锚固在uhpc节点核心区内，下纵向主筋伸出预制下柱顶 面并直接锚固在uhpc节点核心区内，普通钢筋和先张预应力筋伸出预制先张预应力混凝土开孔梁端面 并直接锚固在uhpc节点核心区内；
12.所述先张预应力筋(17)包括直线或折线形筋，后张有粘结预应力筋(9)包括直线、折线、曲线形 筋；
13.所述后张缓粘结的共张预制预应力混凝土开孔叠合梁(3)，也可为全预制预应力开孔梁；
14.所述后张有粘结预应力筋(9)在节点核心区可为有粘结、部分有粘结和无粘结、无粘结；
15.所述后张缓粘结的共张预制预应力混凝土开孔叠合梁(3)在浇筑梁叠合层(8)、板叠合层(20)和 uhpc节点核心区(4)之前按照先张预应力混凝土开孔简支梁进行施工验算，在浇筑节点核心区(4) 和梁叠合层(8)、板叠合层(20)之后，节点和叠合层混凝土强度达到设计要求时，进行有粘结预应力 筋(9)的张拉，张拉完成后，按照框架梁进行施工阶段验算；；后张缓粘结的共张预制预应力混凝土开 孔叠合梁在浇筑梁叠合层、板叠合层和uhpc节点核心区之前与浇筑之后在孔口处上弦杆截面不同，受 力状态也不同，应对预制先张预应力混凝土开孔梁孔口处上、下弦杆进行施工验算；后张缓粘结预应力 筋(9)在预应力建立以后，其施工验算时以有效预应力计算，对于节点核心区部分有粘结和无粘结、无 粘结，在正常使用极限状态时，按有效预应力进行计算，在极限承载极限状态时，考虑无粘结筋的应力 增量；在地震荷载下，考虑无粘结筋提供的恢复性能。
16.进一步的，后张缓粘结的共张预制预应力混凝土开孔叠合梁由预制先张预应力混凝土开孔梁、梁叠 合层以及后张缓粘结的预应力筋组成。
17.进一步的，后张缓粘结的预应力筋按照设计位置预埋在所述预制先张预应力混凝土开孔梁构件中， 并穿过uhpc节点核心区且两端伸出所述uhpc节点核心区之外，其两端分
别固定设置有夹具和锚具， 一端设置在柱外侧，一端设置在梁叠合层内。
18.进一步的，预制混凝土上柱的底面、预制混凝土下柱的顶面、后张缓粘结的共张预制预应力混凝土 开孔叠合梁的端面均设有内陷的凹槽。
19.进一步的，用可靠支撑将预制混凝土上柱固定在相应位置。
20.进一步的，所述预制混凝土上柱、预制混凝土下柱、后张缓粘结的共张预制预应力混凝土开孔叠合 梁内的箍筋分为加密区和非加密区，所述uhpc节点核心区内的箍筋根据设计需求布置，核心区的抗剪 承载力计算按斜压杆模型计算，并考虑将uhpc内的钢纤维等效成水平箍筋和竖向纵筋，考虑其对节点 核心区抗剪的贡献，同时考虑缓粘结预应力筋对节点的抗剪有利贡献。
21.进一步的，所述预制先张预应力混凝土开孔梁和所述预制混凝土板的顶面设置毛面层。
22.本发明还提供了该体系的设计方法，包括以下步骤：
23.步骤1：梁、柱按现有规范、发明专利进行设计；
24.步骤2：验算在浇筑后张缓粘结的共张预制预应力混凝土开孔叠合梁的梁叠合层、板叠合层和uhpc 节点核心区之前预制先张预应力混凝土开孔梁孔口处上、下弦杆强度；
25.步骤3：后张缓粘结的共张预制预应力混凝土开孔叠合梁中开孔位置应尽可能位于跨中1/3区段，当 位于梁端1/3区段时，孔洞靠近节点的边缘到节点内边缘的距离应大于1.5倍梁高。
26.一种uhpc连接的后张缓粘结共张预制预应力混凝土开孔梁框架结构，包括以下步骤：
27.步骤1：制作预制混凝土下柱、预制混凝土上柱、预制先张预应力混凝土开孔梁、预制混凝土板；其 中，预制混凝土下柱、预制混凝土上柱伸出纵筋锚入节点核心区需预留足够的锚固长度；在预制先张预 应力混凝土开孔梁时，在台座上先张拉先张预应力筋，将后张缓粘结的预应力筋按设计位置预埋在梁 中，且在两侧预留足够的长度，再浇筑混凝土，待混凝土养护到足够的强度时放张先张预应力筋并在梁 端预留足够的锚固长度；
28.步骤2：待预制构件养护完成后，吊装预制混凝土下柱并将其安装在基础上，然后在伸出的纵向主筋 上安装合适数量的箍筋；
29.步骤3：将预制先张预应力混凝土开孔梁吊装至预制混凝土下柱顶面，使预制先张预应力混凝土开孔 梁的底面与预制混凝土下柱的顶面平齐，使预制先张预应力混凝土开孔梁的端部搭放在预制混凝土下柱 上，并用支撑加以固定，由于梁中已有先张预应力作用，也可免支撑；其中，两侧先张预应力混凝土开 孔梁伸出的普通钢筋和先张预应力筋在节点核心区按照构造要求合理避开并直接锚固或弯折锚固；
30.步骤4：将预制混凝土上柱吊装至预制混凝土下柱正上方，用可靠支撑将预制混凝土上柱固定在相应 位置，此时将步骤2中安装的箍筋与柱纵筋绑扎在一起；其中，预制混凝土上、下柱伸出的纵筋在节点 核心区合理避开并采用直接锚固；
31.步骤5：将顶部通长钢筋穿过梁叠合层区预留出的箍筋以及节点核心区并绑扎好，然后将预埋在先张 预应力混凝土开孔梁并伸出的缓粘结预应力筋按设计位置在节点核心区绑扎好，对节点无粘结部分需在 缓粘结筋上套管，而后浇筑uhpc节点核心区，并设置模板使得uhpc不会进入梁叠合层部分；
32.步骤6：待uhpc节点核心区养护到足够的强度后，将预制混凝土平板(或叠合板、双t板、次 梁)吊装至预制预应力混凝土梁上，并加以固定；
33.步骤7：浇筑梁叠合层和板叠合层；
34.步骤8：梁叠合层、板叠合层混凝土养护到足够的强度后，张拉缓粘结预应力筋；
35.步骤9：重复上述制作过程，完成后张缓粘结的共张预制预应力混凝土开孔梁框架结构体系。
36.与现有技术相比，本发明的优点在于：
37.1.本发明将预制装配式混凝土结构、先张预应力以及后张缓粘结预应力结构结合在一起，利用预制 装配式结构施工方便快速、构建质量好、节能环保的优点的基础上，结合后张缓粘结的共张预应力结构 能够改善结构使用性能、减小构件截面高度，减轻自重、提高构件抗裂性能和自恢复的优势，从而改善 整体框架结构的抗震性能。先张预应力可实现预制梁少支撑或免支撑施工，后张缓粘结筋具有耐久性 好，施工方便，解决后张有粘结灌浆不密实的问题。
38.2.本发明采用了具有优良性能的uhpc材料，将其应用在节点核心区，能够实现预制梁柱构件的可 靠连接，不仅可以提升节点的承载能力和抗震性能，还能大幅度减少钢筋、钢绞线的锚固长度，并能显 著减少节点核心区箍筋用量，从而避免了节点核心区钢筋拥挤，并且大大提高了预制梁柱构件的制作、 运输以及安装效率。
附图说明
39.图1为本发明的基于uhpc的预制预应力混凝土开孔梁框架结构体系的结构示意图
40.图2为本发明的一榀两跨框架结构配筋示意图
41.图3为本发明的一榀两跨框架结构材料示意图
42.图4为本发明的中间层框架边节点构造详图
43.图5为本发明的中间层框架边节点轴测图
44.图6为本发明的中间层框架中节点构造详图
45.图7为本发明的中间层框架中节点轴测图
具体实施方式
46.为使本发明的特征、目的和优点能够更好的易于理解，下面结合附图和具体实施方式，对本发明做 进一步阐述。
47.如图1-7所示，本发明所述的一种uhpc连接的后张缓粘结的共张预制预应力混凝土开孔梁框架结 构体系，包括预制混凝土上柱(1)、预制混凝土下柱(2)、后张缓粘结的共张预制预应力混凝土开孔叠 合梁(3)、uhpc节点核心区(4)以及叠合板(18)；
48.所述预制混凝土上柱(1)内设有上纵向主筋(5)，预制混凝土下柱(2)内设有下纵向主筋(6)， 后张缓粘结的共张预制预应力混凝土开孔叠合梁(3)内设有预制先张预应力混凝土开孔梁(7)和梁叠 合层(8)以及后张缓粘结的预应力筋(9)，预制先张预应力混凝土开孔梁(7)设有普通钢筋(10)和 先张预应力筋(17)，梁叠合层(8)内设有顶部通长钢筋(11)，叠合板(18)由预制混凝土板(19)和 浇筑在板上的板叠合层(20)组成；
49.所述上纵向主筋(5)伸出预制上柱(1)底面并直接锚固在uhpc节点核心区(4)内，
下纵向主筋 (6)伸出预制下柱(2)顶面并直接锚固在uhpc节点核心区(4)内，普通钢筋(10)和先张预应力筋 (17)伸出预制先张预应力混凝土开孔梁(7)端面并直接锚固在uhpc节点核心区(4)内；
50.所述先张预应力筋(17)包括直线或折线形筋，后张缓粘结预应力筋(9)包括直线、折线、曲线形 筋；
51.所述后张缓粘结预应力筋(9)在节点核心区可为有粘结、部分有粘结和无粘结、无粘结；
52.所述后张缓粘结的共张预制预应力混凝土叠合梁(3)在浇筑梁叠合层(8)、板叠合层(20)和 uhpc节点核心区(4)之前按照先张预应力混凝土开孔简支梁进行施工验算，在浇筑节点核心区(4) 和梁叠合层(8)、板叠合层(20)之后，节点和叠合层混凝土强度达到设计要求时，进行有粘结预应力 筋(9)的张拉，张拉完成后，按照框架梁进行施工阶段验算；后张缓粘结的共张预制预应力混凝土开孔 叠合梁在浇筑梁叠合层、板叠合层和uhpc节点核心区之前与浇筑之后在孔口处上弦杆截面不同，受力 状态也不同，应对预制先张预应力混凝土开孔梁孔口处上、下弦杆进行施工验算；后张缓粘结预应力筋 (9)在预应力建立以后，其施工验算时以有效预应力计算，对于节点核心区部分有粘结和无粘结、无粘 结，在正常使用极限状态时，按有效预应力进行计算，在极限承载极限状态时，考虑无粘结筋的应力增 量；在地震荷载下，考虑无粘结筋提供的恢复性能；
53.所述后张缓粘结的共张预制预应力混凝土开孔叠合梁(3)由预制先张预应力混凝土开孔梁(7)、梁 叠合层(8)以及后张缓粘结的预应力筋(9)组成；叠合板(18)由预制混凝土板(19)和浇筑在板上 的板叠合层(20)组成；
54.所述后张缓粘结的预应力筋(9)按照设计位置预埋在所述预制先张预应力混凝土开孔梁(7)构件 中，并穿过uhpc节点核心区(4)且两端伸出所述uhpc节点核心区(4)之外，其两端分别固定设置 有夹具(15)和锚具(16)，一端设置在柱外侧，一端设置在梁叠合层内；
55.所述预制混凝土上柱(1)的底面、预制混凝土下柱(2)的顶面、后张缓粘结的共张预制预应力混 凝土开孔叠合梁(3)的端面均设有内陷的凹槽；
56.所述预制混凝土上柱(1)，用可靠支撑(12)将预制混凝土上柱(1)固定在相应位置；
57.所述预制混凝土上柱(1)、预制混凝土下柱(2)、后张缓粘结的共张预制预应力混凝土开孔叠合梁 (3)内的箍筋(13)分为加密区和非加密区，所述uhpc节点核心区(4)内的箍筋(14)按设计需求 布置，核心区的抗剪承载力计算按斜压杆模型计算，并考虑将uhpc内的钢纤维等效成水平箍筋和竖向 纵筋，考虑其对节点核心区抗剪的贡献，同时考虑缓粘结预应力筋对节点的抗剪有利贡献；
58.所述预制先张预应力混凝土开孔梁(7)和所述预制混凝土板(19)的顶面设置毛面层；
59.该体系的抗震设计包括以下步骤：
60.步骤1：梁、柱按现有规范、发明专利进行设计；
61.步骤2：验算在浇筑后张缓粘结的共张预制预应力混凝土开孔叠合梁的梁叠合层、板叠合层和uhpc 节点核心区之前预制先张预应力混凝土开孔梁孔口处上、下弦杆强度；
62.步骤3：后张缓粘结的共张预制预应力混凝土开孔叠合梁中开孔位置应尽可能位于跨中1/3区段，当 位于梁端1/3区段时，孔洞靠近节点的边缘到节点内边缘的距离应大于1.5倍梁高。
63.一种uhpc连接的后张缓粘结共张预制预应力混凝土开孔梁框架结构，其特征在于，包括以下步 骤：
64.步骤1：制作预制混凝土下柱(2)、预制混凝土上柱(1)、预制先张预应力混凝土开孔梁(7)、预制 混凝土板(19)；其中，预制混凝土下柱(2)、预制混凝土上柱(1)伸出纵筋锚入节点核心区(4)需预 留足够的锚固长度；在预制先张预应力混凝土开孔梁(7)时，在台座上先张拉先张预应力筋(17)，将 后张缓粘结的预应力筋(9)按设计位置预埋在梁中，且在两侧预留足够的长度，再浇筑混凝土，待混凝 土养护到足够的强度时放张先张预应力筋(17)并在梁端预留足够的锚固长度；
65.步骤2：待预制构件养护完成后，吊装预制混凝土下柱(2)并将其安装在基础上，然后在伸出的纵 向主筋(6)上安装合适数量的箍筋(14)；
66.步骤3：将预制先张预应力混凝土开孔梁(7)吊装至预制混凝土下柱(2)顶面，使预制先张预应力 混凝土开孔梁(7)的底面与预制混凝土下柱(2)的顶面平齐，使预制先张预应力混凝土开孔梁(7)的 端部搭放在预制混凝土下柱(2)上，并用支撑加以固定，由于梁中已有先张预应力作用，也可免支撑； 其中，两侧先张预应力混凝土开孔梁(7)伸出的普通钢筋(10)和先张预应力筋(17)在节点核心区按 照构造要求合理避开并直接锚固或弯折锚固；
67.步骤4：将预制混凝土上柱(1)吊装至预制混凝土下柱(2)正上方，用可靠支撑(12)将预制混凝 土上柱(1)固定在相应位置，此时将步骤2中安装的箍筋(14)与柱纵筋绑扎在一起；其中，预制混凝 土上、下柱伸出的纵筋在节点核心区合理避开并采用直接锚固；
68.步骤5：将顶部通长钢筋(11)穿过梁叠合层区预留出的箍筋(13)以及节点核心区(4)并绑扎 好，然后将预埋在先张预应力混凝土开孔梁(7)并伸出的缓粘结预应力筋(9)按设计位置在节点核心 区绑扎好，对节点无粘结部分需在缓粘结筋上套管，而后浇筑uhpc节点核心区(4)，并设置模板使得 uhpc不会进入梁梁叠合层(8)部分；
69.步骤6：待uhpc节点核心区(4)养护到足够的强度后，将预制混凝土平板(或叠合板、双t板、 次梁)(19)吊装至预制预应力混凝土梁(7)上，并加以固定；
70.步骤7：浇筑梁叠合层(8)和板叠合层(20)；
71.步骤8：梁叠合层(8)、板叠合层(20)混凝土养护到足够的强度后，张拉缓粘结预应力筋(9)；
72.步骤9：重复上述制作过程，完成后张缓粘结的共张预制预应力混凝土开孔梁框架结构体系。
73.以上所述，仅仅是对本发明进行的示例性描述，显然本发明的具体实施并不受上述方式的限制，即 该描述没有限制性，在不脱离本发明的方法构思和技术方案的前提下，本发明可轻易地进行各种改进、 变化或替换，这些改进和变化均属于本发明的保护范围。