裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)對(duì)比研究

鄒品增 姜安民 董彥辰

（湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 湘潭 411101）

以新型建筑工業(yè)化推動(dòng)建筑行業(yè)進(jìn)行全面轉(zhuǎn)型升級(jí)，是現(xiàn)階段我國(guó)建筑行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重點(diǎn)目標(biāo)任務(wù)。裝配式建筑按照結(jié)構(gòu)主材可以分為裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、裝配式木結(jié)構(gòu)、裝配式鋼結(jié)構(gòu)3類，是我國(guó)新型建筑工業(yè)化的重要組成部分。現(xiàn)階段裝配式建筑最主要的結(jié)構(gòu)形式是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，2020年全國(guó)新開工裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑面積達(dá)4.3億m2，占比接近70%[1]。

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是通過構(gòu)件與構(gòu)件、構(gòu)件與現(xiàn)澆混凝土等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部位的可靠連接來保證其整體力學(xué)性能。因此，確保裝配式混凝土建筑產(chǎn)品質(zhì)量安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)即為預(yù)制構(gòu)件間的連接技術(shù)。本文將分別總結(jié)梳理目前國(guó)內(nèi)裝配式混凝土建筑中常用的、比較成熟的節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)特點(diǎn)，并對(duì)4種連接技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)概述

國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范中裝配式混凝土結(jié)構(gòu)主要采用的是“等同現(xiàn)澆”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，高層建筑基本上采用裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)。現(xiàn)行《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 1—2014）中主推的PC構(gòu)件受力鋼筋的連接方式為鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)與鋼筋漿錨搭接連接技術(shù)，前者在美國(guó)和日本等地震高發(fā)國(guó)家已經(jīng)得到普遍應(yīng)用，后者也已經(jīng)具備了應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。在剪力墻結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)行《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51231—2016）附錄A中注明，雙面預(yù)制剪力墻通過現(xiàn)澆疊合連接的方式在國(guó)內(nèi)特定條件下也有較為廣泛的應(yīng)用。此外，在裝配式多層房屋中，干法連接技術(shù)推廣較為普遍。

2 鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)

鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)主流的豎向受力構(gòu)件連接技術(shù)，是形成各類裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)的重要基礎(chǔ)。該技術(shù)在日本、歐美應(yīng)用廣泛，國(guó)外大量的試驗(yàn)研究論證了鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)的可靠性，同時(shí)使用該技術(shù)建造的房屋也多次經(jīng)歷了地震的考驗(yàn)，其中還包括了日本的多次大震。隨著裝配式建筑技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)也對(duì)鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)進(jìn)行了大量的研究與實(shí)踐。

錢稼茹等（2017）采用雙排套筒，在不同軸壓比下進(jìn)行抗震試驗(yàn)，結(jié)果表明該連接方式預(yù)制剪力墻的承載力、延性、耗能和剛度退化等抗震性能指標(biāo)與相應(yīng)的現(xiàn)澆剪力墻接近[2]。張微敬等（2012）對(duì)豎向鋼筋采用單排套筒灌漿連接技術(shù)方案開展了一系列抗震試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明其抗震性能各主要指標(biāo)均與采用雙排套筒及現(xiàn)澆混凝土剪力墻接近[3]。兩種方案的試驗(yàn)結(jié)果均表明其滿足現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范要求，可采用相同的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。目前已有大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和成功案例驗(yàn)證了鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)的可行性。

2.1 工作機(jī)理

鋼筋套筒灌漿連接是指將帶肋鋼筋插入PC構(gòu)件預(yù)埋的灌漿套筒中，通過在套筒內(nèi)灌注高性能水泥基灌漿料而實(shí)現(xiàn)的鋼筋連接方式。具有微膨脹性的灌漿料在套筒內(nèi)處于約束狀態(tài)，受力時(shí)套筒內(nèi)側(cè)壁與高強(qiáng)度的灌漿料界面產(chǎn)生較大的正向應(yīng)力，粗糙的帶肋鋼筋表面因此正向應(yīng)力產(chǎn)生摩擦力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鋼筋軸向力的傳遞。該技術(shù)對(duì)套筒的剛度、變形能力、灌漿料抗壓強(qiáng)度及其微膨脹性均有較高的要求。

2.2 目前存在的問題

（1）灌漿套筒連接技術(shù)在國(guó)外主要用于梁、柱節(jié)點(diǎn)連接，梁、柱鋼筋直徑較大，而裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)是我國(guó)目前最主要的裝配式結(jié)構(gòu)形式，通常剪力墻結(jié)構(gòu)中鋼筋數(shù)量多而直徑較小。我國(guó)普遍采用直徑小的灌漿套筒，因此套筒內(nèi)灌漿料少，施工時(shí)對(duì)灌漿密實(shí)度控制難度高。

（2）目前國(guó)內(nèi)常用的裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)中多采用小直徑鋼筋和小直徑套筒，套筒內(nèi)徑尺寸小，因此施工現(xiàn)場(chǎng)鋼筋和套筒對(duì)接難度較大，灌漿質(zhì)量不易控制。預(yù)制構(gòu)件在制作、運(yùn)輸、安裝過程中外伸鋼筋易受碰撞變形，也會(huì)一定程度上增加對(duì)位難度。

（3）國(guó)內(nèi)規(guī)范規(guī)定灌漿套筒尺寸需滿足長(zhǎng)徑比（L/D）≥8的要求，但由于鋼筋套筒直徑較小，因此按長(zhǎng)徑比計(jì)算的錨固長(zhǎng)度絕對(duì)值偏小。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)裝配式建筑施工經(jīng)驗(yàn)不足，缺乏高素質(zhì)的技術(shù)工人，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)施工安裝過程中出現(xiàn)對(duì)位偏差時(shí)，對(duì)套筒內(nèi)連接的受力鋼筋錨固長(zhǎng)度將產(chǎn)生明顯影響。

（4）預(yù)制剪力墻豎向受力鋼筋需對(duì)位精準(zhǔn)，因此對(duì)構(gòu)件設(shè)計(jì)、施工安裝均提出了更高要求。但國(guó)內(nèi)多數(shù)工程項(xiàng)目由于各種原因，施工現(xiàn)場(chǎng)常出現(xiàn)鋼筋與套筒對(duì)位不準(zhǔn)，較難實(shí)現(xiàn)有效快速對(duì)接，從而影響了施工質(zhì)量與精度。

2.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

（1）國(guó)內(nèi)外有較為充分的試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在施工質(zhì)量有可靠保障的前提下能實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件間的可靠連接。

（2）灌漿套筒和灌漿料的單價(jià)高，預(yù)制剪力墻內(nèi)豎向受力鋼筋多，工程成本高。

（3）施工難度較大，且工程質(zhì)量要求較高，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于套筒灌漿施工質(zhì)量尚無簡(jiǎn)便可靠的檢測(cè)方法。

3 鋼筋漿錨搭接連接技術(shù)

鋼筋漿錨搭接連接技術(shù)是指在PC構(gòu)件中預(yù)留灌漿孔道，構(gòu)件吊裝就位時(shí)，將上部構(gòu)件鋼筋插入預(yù)留孔道內(nèi)，然后采用專用設(shè)備通過注漿孔在孔道內(nèi)灌注水泥基灌漿料，待灌漿料凝結(jié)硬化后實(shí)現(xiàn)構(gòu)件之間可靠的搭接連接。根據(jù)成孔工藝的不同，可將漿錨搭接連接分為螺旋箍筋約束漿錨搭接連接和金屬波紋管預(yù)成孔漿錨搭接連接兩種方式。該技術(shù)對(duì)灌漿料的質(zhì)量、搭接鋼筋區(qū)域螺旋箍筋形成約束方法、孔洞成型技術(shù)及質(zhì)量均有較高要求，這些要求是其形成可靠連接的關(guān)鍵。漿錨搭接連接技術(shù)在歐洲有豐富的研究成果和多年的使用經(jīng)驗(yàn)，隨著裝配式建筑在國(guó)內(nèi)的廣泛推廣，我國(guó)許多單位對(duì)不同形式的鋼筋漿錨搭接連接技術(shù)開展了一系列試驗(yàn)研究，目前已積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和研究成果。

金屬波紋管預(yù)成孔漿錨搭接連接技術(shù)于2008年由江蘇中南集團(tuán)引進(jìn)國(guó)內(nèi)[4]，郭正興等[5-6]對(duì)該技術(shù)行了一系列的剪力墻足尺模型抗震試驗(yàn)。螺旋箍筋約束漿錨搭接連接技術(shù)主要由黑龍江宇輝集團(tuán)在工程中推廣應(yīng)用，姜洪斌等（2011）[7]、邰曉峰（2012）[8]針對(duì)采用該連接技術(shù)的預(yù)制剪力墻開展了一系列不同軸壓比下的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)和子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用這兩種不同漿錨搭接方式連接的預(yù)制剪力墻，其承載力、延性和剛度總體上與現(xiàn)澆剪力墻接近，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

3.1 工作機(jī)理

鋼筋漿錨搭接連接技術(shù)中，PC構(gòu)件安裝時(shí)需將搭接的鋼筋插入孔洞內(nèi)一定深度，然后通過灌漿孔和排氣孔向孔洞內(nèi)灌入具有高強(qiáng)、早強(qiáng)、無收縮和微膨脹等特性的灌漿料，待灌漿料凝結(jié)硬化后，完成兩根受力鋼筋的間接搭接，從而實(shí)現(xiàn)力的傳遞。即鋼筋中的應(yīng)力是通過灌漿料傳遞給預(yù)制混凝土構(gòu)件的。

3.2 目前存在的問題

（1）梳理當(dāng)前不同地方標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于該技術(shù)中的構(gòu)造措施與技術(shù)指標(biāo)要求（見表1），不同標(biāo)準(zhǔn)存在明顯差異。

表1 漿錨搭接連接技術(shù)地方標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

（2）目前國(guó)內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)尚不充分，工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少，因此，現(xiàn)階段尚未形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。基于此，《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 1—2014）中對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用提出了相當(dāng)嚴(yán)格的要求。采用該項(xiàng)連接技術(shù)的工程項(xiàng)目，使用前須對(duì)該技術(shù)中采用的灌漿料、灌漿方法、鋼筋布置方式、約束配筋方式、混凝土孔洞成形方式等一整套技術(shù)開展力學(xué)性能與使用性能的試驗(yàn)驗(yàn)證，還須對(duì)采用該技術(shù)連接的預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行抗震性能試驗(yàn)，并經(jīng)相關(guān)部門組織鑒定或?qū)＜艺撟C通過之后才能使用。

（3）現(xiàn)行的《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中，對(duì)漿錨搭接連接技術(shù)使用范圍進(jìn)行了諸多限制：

①直徑大于20 mm的鋼筋不宜采用漿錨搭接連接；

②當(dāng)構(gòu)件直接承受動(dòng)力荷載時(shí)，不應(yīng)采用漿錨搭接連接；

③超過3層或12 m的裝配式框架結(jié)構(gòu)，PC構(gòu)件間不宜采用漿錨搭接連接。

3.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

（1）在工程應(yīng)用中具有較好的施工便利性與成本優(yōu)勢(shì)。

（2）目前采用該技術(shù)時(shí)需進(jìn)行多項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，使用范圍有諸多限制。

4 雙面疊合剪力墻連接技術(shù)

從厚度方向可以將雙面疊合剪力墻劃分為3層，內(nèi)外兩層為預(yù)制薄板，中間是空腔，兩側(cè)預(yù)制薄板通過桁架鋼筋進(jìn)行連接。PC構(gòu)件在施工現(xiàn)場(chǎng)安裝就位后，需同現(xiàn)澆構(gòu)件一樣，布置、搭接現(xiàn)澆部位的豎向和水平鋼筋，并在現(xiàn)場(chǎng)澆筑空腔疊合部分的混凝土進(jìn)而形成實(shí)心墻體，通過疊合現(xiàn)澆的方式實(shí)現(xiàn)剪力墻構(gòu)件的可靠連接。

雙面疊合墻板工廠生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度高、構(gòu)件加工精度高，由于其仍保留了中間疊合的現(xiàn)澆層，因此其結(jié)構(gòu)整體性和防水性能較其他連接方式有明顯優(yōu)勢(shì)。該連接技術(shù)在歐洲，特別是在德國(guó)得到了相當(dāng)廣泛的推廣使用。2005年德國(guó)公司在國(guó)內(nèi)建設(shè)了生產(chǎn)基地，此后國(guó)內(nèi)市場(chǎng)逐步引入了該項(xiàng)技術(shù)。裝配式建筑在國(guó)內(nèi)廣泛推廣的背景下，眾多科研單位對(duì)該技術(shù)開展了系列的試驗(yàn)研究與有限元分析。研究結(jié)果表明采用該技術(shù)連接的PC構(gòu)件具有與現(xiàn)澆構(gòu)件相近的抗震性能，能滿足現(xiàn)行現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)規(guī)范要求。

目前，國(guó)內(nèi)抗震設(shè)防烈度為6～8度地區(qū)的多高層建筑，可采用雙面疊合剪力墻連接技術(shù)，因其結(jié)構(gòu)整體性和防水性能優(yōu)良，在一些地下工程中也得到了推廣。

4.1 目前存在的問題

（1）采用疊合連接的這種疊合剪力墻結(jié)構(gòu)體系盡管可以大幅減少模板工程量，節(jié)約大量模板，但預(yù)制薄板在運(yùn)輸、安裝中易損壞，施工中組裝固定不便。

（2）現(xiàn)澆混凝土工程量、鋼筋工程量仍較大，相比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)無明顯優(yōu)勢(shì)，工程成本較高。

（3）雙面疊合剪力墻的結(jié)構(gòu)體系受力關(guān)系依然存在諸多疑問，后續(xù)還需解決該疊合結(jié)構(gòu)“共同受力”的關(guān)鍵問題。

4.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

（1）現(xiàn)場(chǎng)模板工程量大幅減少，板和墻均為預(yù)制件，可以提高施工效率。

（2）雙面疊合墻板在安裝過程中可以進(jìn)行誤差調(diào)整，不會(huì)造成誤差累積。

（3）現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)量大，受天氣影響大，施工污染、勞動(dòng)條件改善不明顯。

5 干法連接技術(shù)

在低層、多層的全裝配式混凝土建筑中多采用干法連接，干法連接方式有螺栓連接、機(jī)械連接、焊接連接等。干法連接技術(shù)施工現(xiàn)場(chǎng)無現(xiàn)澆和灌漿作業(yè)，多采用螺栓連接的方式在預(yù)制構(gòu)件間形成可靠連接。采用干法連接技術(shù)形成的節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比有相近的承載力和剛度，但延性和變形恢復(fù)能力不同。因此，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)存在明顯差異。

國(guó)內(nèi)部分企業(yè)，如遠(yuǎn)大住工、中民筑友、三一筑工等公司已開展了一些試驗(yàn)研究，并累積了工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。目前，針對(duì)干法連接技術(shù)的一些地方技術(shù)規(guī)程正在加緊編制。

5.1 干法連接技術(shù)存在的問題及適用范圍

目前，干法連接技術(shù)由于工程應(yīng)用較少，發(fā)展速度較慢，國(guó)內(nèi)暫無統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)技術(shù)尚未成熟。

干法連接技術(shù)具有工程成本低、構(gòu)件制作簡(jiǎn)單、現(xiàn)場(chǎng)施工速度快等特點(diǎn)。因此，在抗震要求不高的地區(qū)具有較好的商業(yè)價(jià)值和發(fā)展前景。可在我國(guó)的新農(nóng)村別墅建筑、旅游景區(qū)建筑、特色小鎮(zhèn)開發(fā)等領(lǐng)域進(jìn)行推廣使用。

5.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

（1）施工現(xiàn)場(chǎng)無須鋼筋綁扎和現(xiàn)澆濕作業(yè)，施工簡(jiǎn)便，低溫天氣可正常施工，施工進(jìn)度快。

（2）與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比成本優(yōu)勢(shì)明顯。

（3）結(jié)構(gòu)整體性較差，適用范圍窄，在技術(shù)研究、工程經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范支持等方面均有不足。

6 結(jié)語

（1）鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)中主流的節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)，其可靠性高。在廣泛應(yīng)用的剪力墻結(jié)構(gòu)中，由于鋼筋連接接頭眾多且鋼筋直徑較小，對(duì)其施工質(zhì)量要求高，在缺乏高素質(zhì)技術(shù)工人的現(xiàn)實(shí)背景下，施工質(zhì)量控制難度較大，目前尚無簡(jiǎn)便統(tǒng)一的質(zhì)量檢測(cè)方法。針對(duì)我國(guó)現(xiàn)階段國(guó)情，更新研發(fā)與之相適應(yīng)的套筒連接技術(shù)應(yīng)是后續(xù)研究工作的重點(diǎn)。

（2）鋼筋漿錨搭接連接技術(shù)施工便利，成本相對(duì)較低，但由于國(guó)內(nèi)試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)尚不十分充足，目前各地標(biāo)準(zhǔn)間差異較大，使用范圍受諸多限制。進(jìn)一步開展有針對(duì)性的試驗(yàn)研究，改進(jìn)現(xiàn)有工藝，推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一等是后續(xù)亟待解決的問題。

（3）雙面疊合剪力墻連接技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)模板施工大幅減少，不會(huì)造成安裝誤差累積，但現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)量仍較大，屬于半裝配式混凝土結(jié)構(gòu)。對(duì)于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中存在的諸多問題此技術(shù)并無明顯改善，在特定環(huán)境下可推廣使用。

（4）干法連接技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)無濕作業(yè)，施工簡(jiǎn)便、施工進(jìn)度快，但結(jié)構(gòu)整體性差，目前只適用于非抗震或低抗震設(shè)防的低層、多層建筑。相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)和統(tǒng)一是后續(xù)研究重點(diǎn)工作之一。