基于預制構件設計和生產標準化以及生產機械化和自動化的理念，結合國內具備的成熟的管樁離心生產工藝，天大設計院首次提出采用離心工藝制作的預制混凝土管組合柱，該新型預制構件由離心工藝生產的預制混凝土管和芯部現(xiàn)澆混凝土組合而成，預制混凝土管采用高強混凝土（或超高性能混凝土）并在管中配置縱筋和高強連續(xù)螺旋箍筋。在裝配現(xiàn)場吊裝完預制混凝土管后，通過灌注芯部混凝土（普通強度混凝土）使之成為整體協(xié)同受力的組合柱，作為新型混合框架體系的豎向受力構件。

（一）預制管組合柱抗剪性能

為研究預制管組合柱的受剪性能，完成了12個足尺預制管組合柱試件的受剪試驗，分析了剪跨比、軸壓比、配箍率和填充混凝土強度對其受剪承載力、變形性能以及破壞形態(tài)的影響，研究了不同參數(shù)對受剪性能的影響程度，揭示了預制管組合柱的受剪機理，為該新型預制構件在工程中的應用推廣提供了依據(jù)。圖2為試驗加載裝置，圖3給出了部分試件的最終破壞形態(tài)。

圖2 試驗加載裝置

圖3 部分試件破壞形態(tài)

試驗結果表明：（1）預制管組合柱的破壞模式為剪壓破壞，剪切斜裂縫與柱縱軸線夾角在28°～41°之間。剪跨比對剪切斜裂縫與柱縱軸線夾角的影響較大，其夾角隨剪跨比的增大而減小；相比之下，軸壓比、面積配箍率和芯部混凝土強度的影響不明顯。（2）預制管組合柱 中芯部混凝土與外部預制管壁接觸界面粘結完好，未出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，兩者變形基本協(xié)調，具有較好的整體協(xié)同工作性能。（3）預制管組合柱的延性系數(shù)介于2.57～4.78之間，剪跨比為1.5的試件處于低延性水平等級，剪跨比不小于2.0的試件處于高延性水平等級，其他試件處于中 等延性水平等級。因此，對預制管組合柱，設計中應避免使用短柱，尤其是剪跨比不大于1.5的極短柱，以防止柱發(fā)生延性性能較差的剪切破壞。

（二）預制管組合柱受剪承載力計算

在試驗研究和數(shù)值模擬分析的基礎上，基于桁架-拱模型理論建立了適用于預制管組合柱的受剪承載力計算公式，并提出了考慮正常使用極限狀態(tài)要求的受剪承載力計算公式，以期為其在實際工程中的應用提供理論參考。

理論分析中假定箍筋和縱筋只承受拉力，不考慮混凝土的受拉作用，將混凝土作為斜腹桿或上弦桿，外部預制管與芯部混凝土黏結良好，不產生滑移，預制管組合柱所受剪力由外部預制管和芯部混凝土共同承擔。同時，為簡化計算，將預制管組合柱中圓形的芯部混凝土截面偏于安全地簡化為方形截面，其截面邊長取圓形截面直徑。

基于桁架-拱模型理論，推導得到了預制管組合柱的受剪承載力計算公式，如下式所示。

與試驗結果對比分析表明，所提出的公式計算值與試驗值比值的平均值為0.90，變異系數(shù)為0.06，計算值與試驗值吻合較好，具有一定的安全度，可為其工程應用推廣提供參考。

（三）預制管組合柱抗震性能

為研究預制管組合柱的抗震性能，完成了7個足尺預制管組合柱試件的低周反復加載試驗，分析了軸壓比、芯部混凝土強度以及體積配箍率等參數(shù)對預制管組合柱抗震性能的影響規(guī)律，研究了預制管組合柱在水平反復荷載作用下的整體協(xié)同工作性能以及芯部混凝土對其抗震性能的影響，揭示了預制管組合柱的受力機理。圖4為試驗加載裝置，圖5給出了部分試件的最終破壞形態(tài)。

圖4 試驗加載裝置

圖5 部分試件破壞形態(tài)

試驗結果表明：（1）預制管組合柱的破壞模式為壓彎破壞，柱根部塑性鉸開展較為充分。芯部混凝土與外部預制管壁接觸界面保持完好，未出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，兩者間變形基本協(xié)調，具有較好的整體協(xié)同工作性能。（2）在反復荷載作用下，預制管組合柱的延性系數(shù)介于3.77～5.97之間，滿足延性系數(shù)大于3.0的要求，各試件均處于高延性水平等級，預制管組合柱具有較好的延性性能。軸壓比的增加對柱延性性能有不利影響，而體積配箍率的增加能有效改善柱的延性性能，提高其彈塑性變形能力。（3）預制管組合柱在峰值荷載時的等效黏滯阻尼系數(shù)介于0.094～0.155之間，其耗能能力較好，具有與現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱相當?shù)哪芰亢纳⒛芰Α?/p>

（四）預制管組合柱正截面承載力計算

抗震性能試驗和數(shù)值模擬分析結果表明，預制管組合柱表現(xiàn)出較好的整體協(xié)同工作性能，抗震性能良好。為建立預制管組合柱正截面承載力的設計方法，在試驗研究和數(shù)值模擬分析的基礎上，基于極限強度理論，推導了適用于預制管組合柱的正截面承載力簡化計算公式。

理論公式推導過程中采用以下基本假定：（1）受力過程中截面應變?yōu)榫€性分布，滿足平截面假定；（2）忽略混凝土的受拉強度；（3）外部預制管與芯部混凝土變形協(xié)調；（4）按等效矩形應力圖考慮受壓區(qū)混凝土作用；（5）受壓區(qū)混凝土合力采用疊加方式。

基于上述基本假定，由平衡條件可得到預制管組合柱正截面承載力計算的基本公式。根據(jù)極限狀態(tài)時截面的應變分布特征，分4種情形給出了預制管組合柱的正截 面承載力計算公式（如圖6所示）。與試驗數(shù)據(jù)對比的結果表明，所推導公式的計算值與試驗值比值的平均值為 0.92，變異系數(shù)為0.05，計算值與試驗值吻合較好，計算結果整體偏于安全，離散性較小。

圖6 預制管組合柱正截面承載力計算簡圖

預制管組合柱-鋼梁節(jié)點采用柱貫通式節(jié)點，由多層連續(xù)（樓層處不斷開）的預制管組合柱、節(jié)點區(qū)鋼套箍、外環(huán)板以及鋼梁組成。鋼套箍通過內側設置的栓釘與預制混凝土管組合柱連接，設置部位為梁柱節(jié)點連接區(qū)域；為簡化節(jié)點區(qū)構造、方便施工，梁柱節(jié)點區(qū)內未配置箍筋。典型預制管組合柱-鋼梁連接節(jié)點如圖7所示，圖8給出了梁柱連接節(jié)點的制作流程。

圖7 連接節(jié)點示意圖

（a）綁扎鋼筋籠 （b）入模 （c）布料 （d）離心成型 （e）拆模養(yǎng)護 

（f）澆芯部混凝土 （g）鋼梁連接 （h）制作完成 

圖8 連接節(jié)點制作流程

（一）梁柱節(jié)點抗震性能

為研究預制管組合柱-鋼梁連接節(jié)點的抗震性能，以軸壓比、鋼套箍延伸高度、芯部混凝土強度以及鋼套箍厚度為主要參數(shù)，進行了6個節(jié)點試件的擬靜力試驗。各試件均為“弱節(jié)點”設計，以使節(jié)點域率先發(fā)生剪切破壞，以期研究預制管組合柱-鋼梁節(jié)點的受剪性能，為其節(jié)點受剪承載力計算理論提供試驗依據(jù)。試驗研究了各試件的破壞形態(tài)、滯回特性、承載能力、耗能能力以及節(jié)點域受剪性能，揭示了節(jié)點的傳力機理。圖9為試驗加載裝置，圖10給出了部分試件的最終破壞形態(tài)。

圖9 試驗加載裝置

圖10 部分試件破壞形態(tài)

試驗結果表明：（1）試驗實現(xiàn)了預期的節(jié)點域破壞，包括節(jié)點域的剪切破壞和節(jié)點上下柱端混凝土的局部碎裂破壞，其中節(jié)點域的剪切破壞是導致節(jié)點最終失效的主要原因。節(jié)點域鋼套箍與內部混凝土之間的粘結滑移較小，兩者間變形基本協(xié)調，具有較好的整體協(xié)同工作性能。（2）預制管組合柱-鋼梁節(jié)點在峰值荷載時的等效黏滯阻尼系數(shù)在0.1653～0.1927之間，其值介于鋼筋混凝土節(jié)點和型鋼混凝土節(jié)點之間，具有較好的耗能性能。（3）所提出的預制管組合柱-鋼梁節(jié)點具有明確的傳力途徑和可靠的傳力性能。通過外環(huán)板，鋼梁翼緣傳力的應力能可靠地傳遞至節(jié)點內。

（二）梁柱節(jié)點承載力計算

根據(jù)對預制管組合柱-鋼梁節(jié)點試件的試驗現(xiàn)象、破壞形態(tài)、節(jié)點域剪切變形和鋼套箍應變等結果進行分析，可知該類型節(jié)點的受力機理為節(jié)點域鋼套箍腹板“剪力 墻”機構和混凝土斜壓桿機構的綜合作用，其示意圖如圖11所示。

圖11 節(jié)點受力機理

基于疊加原理，節(jié)點的受剪承載力可按下式計算。

與試驗數(shù)據(jù)的對比結果表明，計算值與試驗值之比的平均值為0.89，變異系數(shù)為0.03，計算值與試驗值吻合較好，計算結果偏于安全。

某工程地上5層，建筑面積約6000m2，采用新型裝配式混合框架結構體系，其典型的施工照片如圖12～圖15。

圖12 三層高預制柱吊裝

圖13 預制柱與杯口基礎的連接

圖14 典型梁柱連接節(jié)點

圖15 安裝鋼梁

新型裝配式混合框架結構體系由天津大學建筑設計規(guī)劃研究總院有限公司自主研發(fā)。該技術體系研發(fā)歷時近十年，期間得到了天津市科技局、天津市住建委等經(jīng)費資助，獲得授權專利12項，其中發(fā)明專利5項；研發(fā)技術經(jīng)鑒定達到國內領先水平，相關研究成果已納入天津市地方標準。實踐證明，新型裝配式混合框架結構體系可實現(xiàn)構件設計和生產標準化、以及生產機械化和自動化的目標，是一種兼顧結構性能、施工效率和經(jīng)濟性的新型裝配式結構體系，符合建筑產業(yè)化發(fā)展要求，具有良好的應用前景。

未來通過與消能減震技術的結合，研發(fā)考慮阻尼特征的保溫圍護一體化墻板，可進一步提高建筑的抗震韌性，提升裝配式建筑質量、安全和效率。