裝配式建筑新型梁柱連接節(jié)點研究及應用

卓柯先

（廣州工程總承包集團有限公司）

1 裝配式建筑中柱節(jié)點的連接形式研究現(xiàn)狀

裝配式建筑中柱節(jié)點的連接形式是設(shè)計和施工的重點研究對象，結(jié)構(gòu)柱主要是承受建筑物中的荷載和傳遞荷載，而柱的端部是建筑物結(jié)構(gòu)主要承載點和容易遭到地震破壞的薄弱點。柱端分別有水平方向的梁柱連接節(jié)點和垂直方向的柱柱連接節(jié)點。

目前裝配式梁柱節(jié)點連接形式主要有干式和濕式兩種。濕連接主要有節(jié)點現(xiàn)場澆筑法、疊合節(jié)點法、一體式澆筑節(jié)點法、疊壓漿錨式法等。Ertas 等[1]將整體現(xiàn)澆式節(jié)點與部分現(xiàn)澆節(jié)點在抗震性能上進行分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)澆預制節(jié)點的剛度與現(xiàn)澆等同。疊合節(jié)點在擬靜力作用下延性表現(xiàn)略好于整澆節(jié)點，此做法較好地保證了節(jié)點的剛度，但是施工繁瑣，不利于構(gòu)件生產(chǎn)工業(yè)化。Liu 等[2]將梁柱連接節(jié)點采用插入式方法灌注混凝土，該節(jié)點不但有較大的承載力，并且預制構(gòu)件質(zhì)量容易保證，與現(xiàn)澆節(jié)點的剛度相比較低。雖然采用螺栓連接大大減少了工作量，提高了工作效率，但是鋼構(gòu)件的防腐防火又是一大難題。丁克偉[3]采用牛腿支撐梁端設(shè)計，滿足“強柱弱梁”的設(shè)計要求，該設(shè)計取消了臨時支撐，采用的明牛腿提高了梁柱節(jié)點安裝效率和精度。節(jié)點在低周荷載反復作用下剛度退化比現(xiàn)澆節(jié)點快，但承載能力卻明顯比現(xiàn)澆節(jié)點高。

對于柱柱節(jié)點連接，目前主要有灌漿套筒連接、榫式接頭、鋼筋焊接接頭，螺栓連接等。虞國宏等[4]通過對套筒灌漿或漿錨連接的質(zhì)量進行檢測或試驗研究，發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量不易控制，事后檢測及缺陷修補困難，豎向構(gòu)件連接質(zhì)量不易保證。潘敏華[7]結(jié)合工程實踐應用經(jīng)驗，對采用等同現(xiàn)澆設(shè)計的裝配整體式混凝土框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點進行總結(jié)，柱柱節(jié)點采用灌漿套筒連接具有自重輕，連接簡易的優(yōu)勢，但如上下層柱縱筋直徑不一致時，需要在上一層或下一層就放大鋼筋直徑，才能保證接縫處及套筒內(nèi)鋼筋滿足結(jié)構(gòu)配筋要求。榫式接頭是為了更好地把上下柱連接成一個整體，把榫頭設(shè)置在下柱頂端，上柱柱端設(shè)有鋼筋飄出，最后采用焊接形式將上下柱鋼筋焊接牢靠后澆筑混凝土形成整體[5]。蘇聯(lián)最常采的一種接頭形式是鋼筋焊接接頭，當柱端只有四根鋼筋時，則削去柱端四個角部；如鋼筋密集時，應采取措施削去一邊混凝土[6]。PCI 手冊[7]描述了兩種柱與柱連接方式，均是用埋置的鋼板和螺栓進行連接，這種連接形式雖然影響節(jié)點一定的剛度和承載力，但是節(jié)點作業(yè)需求的勞動力強度低，施工簡便。

2 一種新型裝配式梁柱節(jié)點形式的設(shè)計

本研究設(shè)計了一種新型裝配式梁柱節(jié)點形式，包括梁柱節(jié)點連接以及柱柱節(jié)點連接。采用干濕結(jié)合方式，保留了節(jié)點剛度，并解決了以往施工中的難題以及鋼構(gòu)件防腐防火的問題。

2.1 新型裝配式梁柱、柱柱連接節(jié)點

本節(jié)點遵循“強柱弱梁，強節(jié)點，弱構(gòu)件”的建筑設(shè)計理念，采用干濕結(jié)合方式設(shè)計強化該節(jié)點的剛度。節(jié)點分為垂直方向柱柱連接部位和水平方向梁柱連接部位。

節(jié)點的預制構(gòu)件主要分為預制柱和預制梁，如圖1所示。

圖1 施工圖與預制構(gòu)件成品

預制梁：本節(jié)點采用干濕結(jié)合方式，梁端除了鑿毛處理，還采用螺栓抗剪鋼板與柱端連接，梁同時用一組螺栓鎖死梁底部縱筋，梁面受力筋伸入柱端錨固后現(xiàn)澆混凝土連接，一方面增強新老混凝土界面的粘結(jié)力，另一方面設(shè)置抗剪連接鋼板提高節(jié)點抗彎能力和抗剪能力。

預制柱：本節(jié)點上下柱部位主要采用鋼砼組合連接，即先連接上下柱部位的鋼圈，再澆筑內(nèi)部混凝土完成連接。柱端主要由鋼牛腿和鋼圈組成，鋼牛腿是由中間腹板和兩邊翼板組成，腹板上下梁端設(shè)有加強肋，中部設(shè)有加強筋，并設(shè)有螺栓孔。翼板設(shè)有螺栓孔，翼板主要是提高結(jié)構(gòu)的抗剪能力。柱頭鋼圈預埋在預制柱端部同步預制而成。此做法解決了傳統(tǒng)預制柱節(jié)點安裝時鋼筋碰撞問題，并且提高了節(jié)點的承載力。

梁柱節(jié)點連接時，用螺栓依次穿過翼板、主梁和腹板，主梁上部預留箍筋外露，梁頂端受力筋在箍筋內(nèi)部穿入柱頭鋼圈后用錨頭鎖死，最后澆筑節(jié)點混凝土連成一體。如圖2（a）所示。

至于柱柱連接，主要是通過上下柱端焊接連接。下柱柱端鋼圈內(nèi)部設(shè)有加勁肋提高整體剛度，下柱縱筋與鋼圈焊接貫通。安裝時上柱底部縱筋直接插入下柱鋼圈內(nèi)部，柱端設(shè)有澆筑口和人工鑿毛。上下柱在連接時，上柱下端插入下柱端部后，采用三級焊縫圍焊一圈連接成一體固定后，在預留澆筑口澆筑混凝土使得上下柱連接牢靠，如圖2（b）所示。

圖2 梁柱節(jié)點

2.2 梁柱節(jié)點BIM 模型可視化

如圖3 所示，項目裝配式梁柱節(jié)點模型輪廓借助CAD 圖形制作，主要涉及柱模型和梁模型輪廓。柱和梁模型采用revit 中的柱梁類型，細化構(gòu)件尺寸。端部鋼板為族類型，采用嵌入方式結(jié)合梁柱構(gòu)件。鋼筋主要采用放樣的方式生成：繪制鋼筋截面尺寸后，輸入長度繪制路徑，調(diào)入項目中的鋼筋族，按照要求調(diào)整鋼筋的間距。本項目通過BIM 建模平臺，建立一批常用的裝配式建筑構(gòu)件節(jié)點模型，用三維模型直觀表現(xiàn)二維節(jié)點，提高工程人員對新型裝配式梁柱節(jié)點的理解，有利于節(jié)點生產(chǎn)工業(yè)化和吊裝順利開展，提高工作效率。

圖3 梁柱節(jié)點BIM 模型

3 工程應用

3.1 工程概況

本工程位于廣州生物島寰宇一路以北廣州國際生物島標準產(chǎn)業(yè)單元四期（地塊二）項目用地位置，M3 棟工程±0.00 以上主體結(jié)構(gòu)采用裝配式結(jié)構(gòu)，其中首層層高為6.05m、二層層高為4.8m、3 層～12 層層高為4.5m、屋面層層高為3.6m。框架柱和框架梁的混凝土強度分別為C50 和C40，其余構(gòu)件混凝土強度為C35,裝配率為80%，滿足AA 級標準[8]。現(xiàn)場施工如圖4 所示，表1為梁柱預制構(gòu)件概況表。

圖4 現(xiàn)場施工圖

表1 預制梁柱構(gòu)件概況

為驗證梁端焊縫抗剪強度，以500×300 預制梁為例。該預制梁底部為φ22 四級鋼4 根，箍筋加密區(qū)φ8@100，混凝土強度C40，柱端翼板和腹板采用Q345，厚度均為5mm，長度500，焊縫為一級雙面角焊縫6mm，抗剪強度200N/mm2。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，柱端鋼板承受梁端剪力的角焊縫承載力計算如公式⑴。

從公式⑴驗算結(jié)果得到，本新型裝配式梁柱節(jié)點焊縫抗剪能力滿足要求。梁柱連接采用螺栓連接后澆筑混凝土形成一體，不僅保留了現(xiàn)澆混凝土剛度，而且施工起來便捷，工作效率大大提高。

3.2 吊裝工藝

裝配式建筑整體預制構(gòu)件吊裝流程：放線、彈線→樓板內(nèi)腳手架安裝→預制柱吊（安）裝→預制墻吊（安）裝→預制梁安裝→預制疊合板及樓梯吊（安）裝→放線、彈線→樓面鋼筋綁扎→水電線管預埋→樓板混凝土澆筑、養(yǎng)護（養(yǎng)護、并進入下工序施工）。

3.2.1 預制柱吊（安）裝施工

項目預制柱安裝施工流程主要包括：預制柱質(zhì)量檢查與編號確認→彈柱邊線→柱子起吊與安裝就位→斜撐固定之垂直度調(diào)整、校正→脫鉤→鋼板及鋼筋焊接接口→柱頭灌漿澆筑。其中事前準備工作有：預制柱安裝前，檢查柱身質(zhì)量，先進行高程復核，柱位置彈線；檢查所需的設(shè)備如預制柱底部鋼性墊片、起吊工具、垂直度測定桿、斜撐、鋁梯或木梯等；柱垂直度調(diào)整、校正工作：預制柱在下落樓面時，保證其垂直度，調(diào)整標高符合要求后，采用墊片焊接作為臨時連接，依次在柱子四面設(shè)置斜撐，同時復核預制柱的標高以及垂直度滿足設(shè)計要求；柱底膨脹混凝土灌漿施工：柱鋼筒灌漿采用高一級強度膨脹水泥基混凝土，具有早強、自密實，強度高的特點，柱套筒灌漿采用高壓灌漿機施作，由注漿口（下口）逐漸充填，灌漿時候控制好氣壓，當排漿口（上口）有混凝土排出即停止灌漿并封口。

3.2.2 預制梁吊裝施工

起吊前在柱頭位置畫出梁底高程線，以方便主梁吊裝就位時高程調(diào)整。采用墨線儀從梁位線往上照射，確認梁平面位置準確、傾斜度滿足要求。吊裝后需派一組人調(diào)整支撐架架頂高程，使柱頭位置、梁中央部高程一致及水平。預制梁吊裝完成后，主梁通過梁端預埋鋼板與柱端采用螺栓連接，并完成基線復合澆筑混凝土。

3.3 實施效果

該項目通過采用新型裝配式梁柱連接節(jié)點，不僅剛度大、承載力高，而且施工過程勞動力需求量少，連接方式簡單，濕作業(yè)少，保護環(huán)境。最后項目通過竣工驗收并獲得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計的新型裝配式梁柱節(jié)點與國內(nèi)外其他形式的節(jié)點相比，具有以下特點：

⑴與干式或者濕式裝配式梁柱節(jié)點相比，本新型裝配式梁柱節(jié)點采用干濕結(jié)合方式，不僅等同了現(xiàn)澆混凝土節(jié)點的剛度，還提高了安裝工作效率，降低了成本。此外，外層混凝土還可以作為鋼構(gòu)件的保護層，解決了鋼結(jié)構(gòu)易腐怕火的問題。

⑵柱柱連接采用鋼板連接，與灌漿套筒相比，提高了柱節(jié)點的剛度和延性，解決了上下柱縱筋大小不一致難連接的難題，安裝操作簡便，對操作水平要求低。

⑶采用新型裝配式梁柱連接節(jié)點可明顯減少現(xiàn)場模板、鋼筋安裝的工作量，有利于降低人力成本；而構(gòu)件的預制和吊裝，依托BIM 技術(shù)及自動化生產(chǎn)技術(shù)，可以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

⑷本新型裝配式梁柱節(jié)點的施工過程極為方便，對預制構(gòu)件質(zhì)量容易把控，吊裝施工安全，整體作業(yè)效率高。同時能滿足各類建筑力學要求和使用要求，具有良好的應用和推廣前景。