預(yù)制混凝土構(gòu)件新型連接體系開(kāi)發(fā)與工程應(yīng)用

楊佳林

1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；2. 上海超高層建筑智能建造技術(shù)研究中心 上海 200080

建筑業(yè)作為我國(guó)重要的物質(zhì)生產(chǎn)行業(yè)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支撐作用越來(lái)越明顯。2019年，建筑業(yè)對(duì)國(guó)民生產(chǎn)總值的貢獻(xiàn)度達(dá)到了7.95%，未來(lái)建筑業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的拉動(dòng)作用將更加顯著[1]。

綠色化、工業(yè)化和數(shù)字化是當(dāng)前世界各國(guó)建筑形式發(fā)展的主要方向，而其中綠色化建筑發(fā)展可有效解決目前我國(guó)城鎮(zhèn)化加快進(jìn)程中所帶來(lái)的能源資源與生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，已越來(lái)越得到社會(huì)的廣泛關(guān)注[2]。政府相關(guān)部門(mén)也發(fā)布了相關(guān)指導(dǎo)性文件和發(fā)展規(guī)劃，要求2020年城鎮(zhèn)綠色建筑面積占新建建筑面積的比例達(dá)到50%以上。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為直接與外界環(huán)境接觸的部分，其能耗損失占建筑物總能耗的70%～80%，因此建筑節(jié)能的重點(diǎn)是外圍護(hù)結(jié)構(gòu)[3-4]。一般而言，建筑外墻與建筑陽(yáng)臺(tái)的面積之和占到了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)總面積的90%以上[5]，故其節(jié)能保溫效果將直接影響整個(gè)建筑物的節(jié)能水平。目前國(guó)內(nèi)建造的綠色建筑工程中，節(jié)能保溫外墻及其陽(yáng)臺(tái)大都采用國(guó)外技術(shù)產(chǎn)品，價(jià)格高昂，且存在與國(guó)內(nèi)建造體系適應(yīng)性差等問(wèn)題[6]。國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)雖然也開(kāi)發(fā)出一些同類(lèi)技術(shù)產(chǎn)品，但普遍存在耐腐蝕性和耐久性差、力學(xué)性能較低的問(wèn)題，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。針對(duì)上述問(wèn)題，本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)了預(yù)制混凝土構(gòu)件新型連接體系，包括預(yù)制混凝土外墻連接體系和預(yù)制混凝土陽(yáng)臺(tái)連接體系2種。

1 預(yù)制混凝土外墻連接體系

本項(xiàng)目研發(fā)的新型預(yù)制混凝土外墻連接體系由鋼-纖維組合連接器和節(jié)能型預(yù)制外墻掛板2種部件組成，下面分別對(duì)2種部件進(jìn)行介紹。

1.1 節(jié)能型預(yù)制外墻掛板

本項(xiàng)目研發(fā)的節(jié)能型預(yù)制外墻掛板（圖1）由內(nèi)層鋼筋混凝土板、外層鋼筋混凝土板、保溫材料層以及阻熱連接筋組成。其中保溫材料層夾設(shè)于內(nèi)、外層鋼筋混凝土板之間，保溫材料層包括有機(jī)保溫（EPS或XPS材料）部分以及繞設(shè)于有機(jī)保溫（保溫砂漿、膨脹珍珠巖或波化微珠）部分四周的無(wú)機(jī)保溫部分，無(wú)機(jī)保溫部分的設(shè)置寬度為100～200 mm，有機(jī)保溫部分占保溫材料層的大部分區(qū)域，保溫材料層的厚度為30～50 mm；阻熱連接筋穿經(jīng)保溫材料層且兩端分別與內(nèi)、外層鋼筋混凝土板內(nèi)的鋼筋固定連接，其在墻板中呈現(xiàn)梅花形布置，布置間距為300～500 mm；內(nèi)、外層鋼筋混凝土板厚度均為50～60 mm，板內(nèi)分別設(shè)有由縱向分布鋼筋和橫向分布鋼筋縱橫交錯(cuò)設(shè)置形成的單層網(wǎng)格鋼筋網(wǎng)。

圖1 節(jié)能型預(yù)制外墻掛板示意

內(nèi)層鋼筋混凝土板和外層鋼筋混凝土板的上、下兩邊分別設(shè)置用于與建筑主體結(jié)構(gòu)連接的限位預(yù)埋件，位于上邊的限位預(yù)埋件與建筑主體結(jié)構(gòu)采用焊接連接，位于下邊的限位預(yù)埋件采用柔性螺栓與建筑主體結(jié)構(gòu)連接；在節(jié)能型預(yù)制外墻掛板連接施工時(shí)，相鄰墻板的對(duì)接端面分別設(shè)有1層水泥漿薄層，2個(gè)水泥漿薄層之間填充防水密封材料層（圖2）。研發(fā)的外墻掛板具有輕質(zhì)和保溫性能好的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠避免火災(zāi)時(shí)火焰和高溫?zé)煔饨?jīng)由板縫進(jìn)入外墻掛板內(nèi)部所引發(fā)的安全隱患。

圖2 外墻掛板連接處構(gòu)造示意

1.2 鋼-纖維塑料組合連接器

本項(xiàng)目研發(fā)的鋼-纖維塑料組合連接器（圖3）由柱狀連接體、連接底座與連接帽等部分組成。連接底座與連接帽分別固定連接于柱狀連接體兩端；柱狀連接體（圖4）包括金屬柱、包裹于金屬柱外的纖維布以及沿金屬柱軸向纏繞于纖維布上的纖維束；連接底座包括金屬底座體與若干金屬肋角，金屬肋角間隔分布于金屬底座體的側(cè)表面；連接帽包括金屬帽體、金屬插筋以及塑料帽套，金屬插筋橫向穿經(jīng)金屬帽體且金屬插筋的兩端分別向金屬帽體的兩側(cè)伸出，塑料帽套包裹于金屬帽體與金屬插筋的外露部分。

連接器纖維布為碳纖維布或玄武巖纖維布，纖維束為碳纖維或玄武巖纖維束，纖維束沿與金屬柱軸向成30°～45°角環(huán)向纏繞于纖維布的外側(cè)；金屬帽體為頂端封閉、底端開(kāi)口的空心圓柱體，其兩側(cè)開(kāi)設(shè)有與金屬插筋相匹配的圓孔，金屬插筋經(jīng)圓孔穿設(shè)于金屬帽體中；連接底座為頂端開(kāi)口、下端由外凸錐面封閉的筒狀體，連接底座的外側(cè)對(duì)稱焊接1組或2組金屬肋角，金屬肋角為直角三角形，其一條直角邊緊貼筒狀體的側(cè)面設(shè)置，其斜邊與筒狀體的軸向的夾角為30°；連接底座與連接帽分別以螺紋形式連接于柱狀連接體的兩端，柱狀連接體的金屬柱的兩端分別設(shè)有外螺紋，連接底座與連接帽分別設(shè)有與外螺紋相匹配的內(nèi)螺紋。研發(fā)的連接器（圖5）具有抗剪強(qiáng)度高、加工成本低、耐火性能強(qiáng)、導(dǎo)熱系數(shù)低、安裝便捷等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 鋼-纖維塑料組合連接器構(gòu)造示意

圖4 柱狀連接體構(gòu)造示意

2 斷熱型預(yù)制裝配式陽(yáng)臺(tái)體系

建筑物通過(guò)陽(yáng)臺(tái)與外界傳遞的熱量占建筑物總耗散熱量的20%以上[4]，如何有效減少建筑物陽(yáng)臺(tái)與主體結(jié)構(gòu)連接的熱傳遞，避免其連接部位出現(xiàn)冷熱橋效應(yīng)，是我國(guó)建筑節(jié)能所面臨的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)研發(fā)了斷熱型預(yù)制裝配式陽(yáng)臺(tái)。

斷熱型預(yù)制裝配式陽(yáng)臺(tái)（圖6）體系由預(yù)制陽(yáng)臺(tái)板、無(wú)機(jī)泡沫混凝土斷熱層以及若干連接鋼筋組成，連接鋼筋的根部間隔埋設(shè)于預(yù)制陽(yáng)臺(tái)板內(nèi)部，連接鋼筋的端部暴露在預(yù)制陽(yáng)臺(tái)板之外，連接鋼筋的端部由纖維布包裹覆蓋；金屬合金連接體的根部間隔埋設(shè)于預(yù)制陽(yáng)臺(tái)板內(nèi)部，金屬合金連接體的端部暴露在預(yù)制陽(yáng)臺(tái)板之外。

圖5 連接器在墻體結(jié)構(gòu)中的布置

圖6 斷熱型預(yù)制裝配式陽(yáng)臺(tái)體系

連接鋼筋（圖7）的纖維布經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂液浸漬，纖維布外纏繞浸漬過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂的纖維繩，纖維繩沿連接鋼筋的端部軸向呈60°角環(huán)向纏繞；連接鋼筋的端部表面還涂抹環(huán)氧樹(shù)脂層，環(huán)氧樹(shù)脂層設(shè)置在連接鋼筋的端部表面與纖維布之間；金屬合金連接體側(cè)面的截面為平行四邊形，正面的截面為梯形；合金連接體側(cè)面的截面所形成的平行四邊形的一個(gè)角的角度為45°～60°，金屬合金連接體正面的截面所形成的梯形的較長(zhǎng)底邊的長(zhǎng)度為4～6 mm，相鄰的金屬合金連接體的間距為200～400 mm。

無(wú)機(jī)泡沫混凝土斷熱層（圖8）的外側(cè)與預(yù)制陽(yáng)臺(tái)板的內(nèi)側(cè)澆筑連接，連接鋼筋穿過(guò)斷熱層，露出連接鋼筋的端部，金屬合金連接體穿過(guò)斷熱層，露出金屬合金連接體的端部；斷熱層為無(wú)機(jī)泡沫混凝土隔熱材料，厚度為50～100 mm；現(xiàn)澆混凝土樓板的外側(cè)通過(guò)連接鋼筋的端部以及金屬合金連接體的端部與斷熱層的內(nèi)側(cè)澆筑連接，斷熱型預(yù)制裝配式陽(yáng)臺(tái)與混凝土外墻澆筑在一起，斷熱層澆筑于混凝土外墻的上端。

圖7 連接鋼筋構(gòu)造

圖8 無(wú)機(jī)泡沫混凝土斷熱層布置

本項(xiàng)目研發(fā)的斷熱型預(yù)制裝配式陽(yáng)臺(tái)避免了在現(xiàn)場(chǎng)澆筑過(guò)程中連接鋼筋與現(xiàn)澆混凝土的直接接觸，從而顯著提高了斷熱型預(yù)制裝配式陽(yáng)臺(tái)的隔熱效果。

3 預(yù)制混凝土構(gòu)件連接體系施工工藝

3.1 預(yù)制混凝土外墻連接體系

預(yù)制節(jié)能型預(yù)制外墻掛板的生產(chǎn)工藝如下：

1）外墻掛板底模涂刷脫模劑，安裝外墻掛板安裝邊模，在掛板邊模架內(nèi)鋪設(shè)外層鋼筋混凝土板外裝飾面層。

2）在外裝飾面層上部布設(shè)外層鋼筋混凝土板的單層雙向鋼筋網(wǎng)，外層鋼筋混凝土板的單層雙向鋼筋網(wǎng)由外層縱向分布鋼筋和外層橫向分布鋼筋縱橫交錯(cuò)設(shè)置而成，并澆筑外層鋼筋混凝土板。

3）澆筑完成外層鋼筋混凝土板后，待混凝土未初凝前鋪設(shè)保溫材料層（分為無(wú)機(jī)保溫層和有機(jī)保溫層），將鋼-纖維塑料組合連接器的一端按照矩陣形或梅花形分布方式布置于保溫層內(nèi)。

4）在保溫材料層上方布設(shè)內(nèi)層鋼筋混凝土板的單層雙向鋼筋網(wǎng)，單層雙向鋼筋網(wǎng)由內(nèi)層縱向分布鋼筋和內(nèi)層橫向分布鋼筋交錯(cuò)縱橫布置而成，最后澆筑內(nèi)層鋼筋混凝土板，完成預(yù)制節(jié)能型預(yù)制外墻掛板的生產(chǎn)。

預(yù)制節(jié)能型預(yù)制外墻掛板的施工包括掛板的吊裝就位、臨時(shí)固定、校正誤差、現(xiàn)澆連接點(diǎn)等關(guān)鍵步驟，具體施工工藝如下：

1）起吊時(shí)采用豎立靠放放置，保證外飾面朝外，用以防止外飾面損壞；通過(guò)四點(diǎn)平行起吊提升至一定高度后，緩慢下降吊索，直至預(yù)制板呈垂直狀態(tài)，卸下下方吊具和輔助吊索，裝上纜風(fēng)繩。

2）通過(guò)在現(xiàn)澆樓板上彈出的基準(zhǔn)線配合下層施工完畢的預(yù)制外墻板及斜撐，對(duì)預(yù)制板進(jìn)行支撐微調(diào)校正就位。

3）在預(yù)制板調(diào)整到位后進(jìn)行預(yù)制板背面的牛腿焊接，通過(guò)校正后產(chǎn)生的空隙要墊實(shí)，墊片采用厚1～3 mm薄鋼板，最終完成外墻掛板的安裝。

3.2 斷熱型預(yù)制裝配式陽(yáng)臺(tái)體系

斷熱型預(yù)制裝配式陽(yáng)臺(tái)體系的施工工藝如下：

1）將若干連接鋼筋以及若干金屬合金連接體按照設(shè)計(jì)間距布置于模板中，澆筑預(yù)制陽(yáng)臺(tái)板以及斷熱層，使其一次成型，并露出連接鋼筋的端部以及金屬合金連接體的端部，運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)。

2）用砂紙除去連接鋼筋端部表面的銹污，并用紗布沾丙酮清洗干凈，在連接鋼筋的端部表面涂抹環(huán)氧樹(shù)脂，形成環(huán)氧樹(shù)脂層。

3）將浸漬環(huán)氧樹(shù)脂的纖維布包裹住連接鋼筋的端部，沿連接鋼筋的端部軸向去除多余的環(huán)氧樹(shù)脂，并在纖維布外纏繞浸漬過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂的纖維繩。

4）在環(huán)氧樹(shù)脂固化后，將現(xiàn)澆混凝土樓板的外側(cè)，通過(guò)連接鋼筋的端部以及金屬合金連接體的端部與斷熱層的內(nèi)側(cè)澆筑連接。

4 結(jié)語(yǔ)

在國(guó)內(nèi)綠色化建筑大規(guī)模建設(shè)的過(guò)程中，針對(duì)目前預(yù)制構(gòu)件連接體系造價(jià)高、力學(xué)性能低、保溫及耐久性差等問(wèn)題，研究了預(yù)制混凝土構(gòu)件新型連接體系，包括預(yù)制混凝土外墻連接體系和預(yù)制混凝土陽(yáng)臺(tái)連接體系2種。其中，外墻掛板具有輕質(zhì)和保溫性能好的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠避免因火災(zāi)時(shí)火焰和高溫?zé)煔饨?jīng)由板縫進(jìn)入外墻掛板內(nèi)部所引發(fā)的安全隱患；斷熱型預(yù)制裝配式陽(yáng)臺(tái)，避免了在現(xiàn)場(chǎng)澆筑過(guò)程中連接鋼筋與現(xiàn)澆混凝土的直接接觸，從而顯著提高了斷熱型預(yù)制裝配式陽(yáng)臺(tái)的隔熱效果。預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件新型連接體系顯示出良好的應(yīng)用前景，也為今后國(guó)內(nèi)綠色建筑節(jié)能預(yù)制構(gòu)件的研發(fā)與應(yīng)用提供了借鑒。