裝配式建筑結構節點連接方式及施工技術改進研究

葉 睿

(四川省財政投資評審中心,四川 成都 610000)

裝配式建筑為一種新型的建筑結構,與傳統建筑結構相比具有快速、高效、環保的優點,目前正推廣應用。裝配式建筑結構的連接節點是連接不同構件和部件的關鍵部分,其設計和施工工藝直接影響建筑的安全性和可靠性。因此,改進裝配式建筑連接節點的設計和施工工藝對于提高建筑的質量和可靠性至關重要。

1 裝配式建筑節點連接方式分析

通過調研和分析現有的裝配式建筑連接節點設計和施工工藝,發現還存在著部分問題和不足。其中一些連接節點的強度和穩定性不夠,容易出現開裂和變形等問題。此外,一些連接節點的設計和施工工藝不合理,無法達到建筑的使用要求和安全標準。此外,部分材料選取和施工工藝也存在不合理的情況,無法充分發揮材料的性能和優勢[1]。

1.1 機械連接

機械連接是裝配式建筑結構中常用的節點連接方式之一,其通過螺栓、銷子等來實現構件的連接,機械連接方式具有施工簡單、拆卸便利等優點,但也存在著螺栓松動、構件整體受力不均、連接部位應力集中等問題。

1.2 焊接連接

焊接連接是一種常用的裝配式建筑結構節點連接方式,通過電焊將結構材料組件連接在一起,可以實現較高的剛性和強度,適用于各種類型的節點連接,如梁柱連接、主次梁連接、梁板連接等。現階段裝配式建筑結構節點焊接連接存在焊縫強度不足且焊接工藝難以控制等問題。焊接連接方式雖連接強度高、抗震性好,但焊縫脆性、焊接質量難以保證[2]。

1.3 螺栓連接

通過在連接端鉆孔并使用螺栓組件來連接裝配式建筑結構節點,能夠提供結構較高的連接強度和剛性,其適用于各類節點,包括主次梁連接、梁柱連接和板件連接等。螺栓連接在連接件不厚且要求連接力較大的情況下使用,常用的緊固件有螺栓、螺母、墊圈,其他螺紋連接包括高強螺栓、吊環螺栓、地腳螺栓和T形槽螺栓。但螺栓連接的開孔會對裝配式建筑結構截面產生一定的削弱,且因構件相互搭接耗材較多。

1.4 搭接連接

搭接連接是將裝配式建筑結構的連接節點端部延長,通過重疊或嵌入方式進行連接。搭接連接適用于短距連接和輕型結構,如裝配式建筑結構的板件連接、桁架連接等。搭接連接施工簡便焊接點少,鋼筋用量少,具有較好的強度和剛性,但人工成本較高。

1.5 套筒灌漿

套筒灌漿是一種常用的裝配式建筑結構節點加固的方法,特別適用于混凝土結構中的鋼筋缺失或腐蝕嚴重的情況。通過在鋼筋上套筒接頭,并注入灌漿材料來增加鋼筋、套筒與預制裝配式結構的承載力和結構的整體強度,常用的灌漿材料包括水泥漿、環氧樹脂漿等。施工過程中根據節點設計要求添加黏結劑或加入劑,以提高灌漿材料的流動性和黏結力。將套筒軸線與鋼筋軸線保持一致,將套筒沿著鋼筋正確安裝在需要加固的位置。套筒與鋼筋之間、套筒與混凝土的間隙應小,使灌漿材料充分均勻填充套筒和鋼筋的空隙。可以使用注射器或泵等設備進行灌漿,確保灌漿材料能夠均勻分布并完全填充套筒和鋼筋周圍。完成灌漿后,需要對灌漿部位進行養護,以達到設計強度。根據灌漿材料的要求,采取適當的養護措施,如保溫覆蓋、濕潤養護等。

但傳統的套筒灌漿技術在裝配式建筑結構施工中也存在一定的問題,套筒灌漿施工需要多個工序進行,包括設置灌漿孔、安裝鋼筋套筒、灌漿等,施工周期長、工序復雜且難度大,需要專業技術人員操作,導致人工成本增加,并且施工質量不穩定。所需材料工序較多,施工成本相應增加。完工后,如裂縫、鋼筋腐蝕等質量缺陷不易及時發現和修復,對于整體結構的穩定性和安全性可能存在一定的隱患。

2 裝配式建筑結構節點難點

裝配式建筑結構中常見的節點類型包括懸掛節點、受壓節點、搭接節點等。不同類型的節點存在不同的難點。

2.1 懸掛節點

懸掛節點是指懸掛構件與主體結構之間的連接節點。由于裝配式建筑結構懸掛節點要承受懸掛構件的重力和作用力,所以其穩定性和承載能力是一個重要考慮因素。此外,懸掛節點處需要考慮安裝和調整的難點,以確保懸掛構件與主體結構之間的準確對接。

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2.2 受壓節點

受壓節點是承受結構壓力的構件,是與主體結構之間的連接節點。受壓節點的主要難點在于裝配式建筑結構抗壓能力和穩定性的要求。由于受壓節點處的構件需要承受外部的壓力荷載,所以需要通過合理的設計和材料選擇來確保節點具有足夠的承載能力,并防止壓力引發節點的失穩。

2.3 搭接節點

搭接節點是指構件與構件之間的連接節點。搭接節點在裝配式建筑結構中是常見的節點類型,其難點在于精確的構件搭接和連接。搭接節點的連接方式通常采用螺栓連接、焊接連接或膠合連接等。然而,不同的連接方式存在著不同的難點,例如螺栓連接需要保證螺栓的預拉力,焊接連接需要保證焊接質量,膠合連接需要保證膠合劑的黏結強度。

3 節點連接技術改進方法

3.1 材料選取的優化

通過選取高強度、耐磨性強耐腐蝕和輕質的材料及元件,從而提高連接節點的強度和剛度。同時,材料的選擇還應考慮其可持續性和環保性,以滿足綠色建筑的要求。

3.2 結構設計的改進

通過改變裝配式建筑結構連接節點的結構設計形式,優化結構力學性能。可采用增加連接面積、改變連接方式等方法,提高連接強度和剛度。

3.3 加工技術的優化

通過改進裝配式建筑結構連接節點的加工技術,提高其制造精度和表面質量。例如,可以采用熱處理和精密加工的方式,提高裝配式建筑結構連接節點的剛度和強度。

4 改進研究及新型連接件設計

針對現有裝配式建筑結構節點連接方式和施工技術存在的問題和不足,本文提出了一些新的節點連接方式以及改進了施工技術,將鋼結構連接、混凝土連接和建筑抗震連接的優點結合,既具有較高的強度和剛度,又能夠提高連接的耐久性和抗震性能。

4.1 鎖扣連接技術

鎖扣連接是裝配式建筑結構節點連接的一種新型方式,鎖扣作為連接器是由兩個半圓形金屬環組成,用螺栓在連接節點端部將鎖扣固定,鎖扣連接的承載力強、剛度大,更加穩固和安全。鎖扣連接適用于模塊化建筑和臨時結構等,且可以方便地拆卸和重裝,適用于需要頻繁改變或移動的建筑物。鎖扣連接采用了先拼裝后組裝的施工順序,通過提高拼裝準確度和安裝速度,提高施工效率。

4.2 鋼板加固技術

通過在裝配式建筑結構節點處加固鋼板,可以提高節點連接的強度和穩定性,避免組件的松動滑移和位移現象。鋼板加固構件連接部位是一種常用的結構加固方法,施工時在原有結構的節點位置增加鋼板來提高節點的強度和剛度。鋼板加固節點連接首先根據結構的受力情況對需要加固的位置進行定位。在加固節點位置前先清理表面,確保表面沒有積灰、氧化物等雜物,以保證加固材料的黏結性。將預制鋼板安裝在節點位置。可以通過螺栓連接或焊接等方式固定鋼板,使鋼板與結構間剛性連接,實際操作過程中其材料用量較多,施工難度較大。通常會在連接部位進行必要的補強措施,如增加焊縫、加固帶等,以增強節點的整體強度[3-5]。

在進行鋼板加固節點連接時,需要根據具體情況選擇合適的鋼板材料和加固方式,同時要保證加固后的節點能夠滿足結構的剛度和強度要求,通過施工質量檢查驗收。

4.3 預應力螺栓連接技術

預應力螺栓可提高裝配式建筑結構節點連接的強度和可靠性,防止螺栓連接斷裂、松動。預應力法主要是利用高強度螺栓的彈性變形,通過預先施加一定的拉伸力來實現連接。預應力螺栓緊固時,需要被拉伸至預應力狀態,保持一定的時間和強度,這樣在使用過程中,由于受力均勻能夠減少螺栓的松動和變形,保證連接的可靠性和安全性。摩擦法是通過螺栓的螺紋和連接件之間的摩擦力來實現連接。在使用中,螺栓和連接件之間的摩擦力會使螺栓得到一定的預加載力,從而保證連接的穩定性和安全性。此外,摩擦法還需要注意緊固力的大小,過大或過小都會影響連接效果。需要注意的是,高強度螺栓連接過程中需要按照相關規范和要求操作,避免出現操作不當或材料質量問題等因素導致連接效果不理想。

4.4 機械連接技術改進

在傳統機械連接基礎上選擇高強度的機械連接材料,如高強度鋼材或合金材料等元件,能夠提高裝配式建筑結構節點的承載能力和抗震性能。增加連接面積、增加機械連接件的數量,提高連接的可靠性和穩定性,通過增加螺栓或鉚釘的數量、增大連接板的尺寸等方式來實現。優化節點的設計和連接結構,例如,采用雙重螺栓連接、增加連接件的有效長度或者采用鋼板聯接等方法。同時,使用專用連接件如鋼梁連接釘、鋼筋套筒連接件等,考慮在節點連接處引入預應力設計,通過預應力的作用,可以增加機械連接節點的緊密度和強度。在節點處預留加固筋的位置,使得連接更牢固。

4.5 焊接連接技術改進

在傳統焊接連接施工的基礎上優化焊接接頭的幾何形狀和連接方式,采用倒角、焊接雙縫、V形焊縫等,提高裝配式建筑結構節點的強度和穩固力,在焊接過程中采用高品質的焊接輔助材料,如焊接支撐物、通條、焊絲等,增強焊接接頭兩端融合度和耐久性。采用先進的焊接技術,如激光焊接、等離子焊接、TIG焊、MIG/MAG焊、復合材料焊接等,可提高焊接的精度和效率,減少焊接缺陷的發生。另外,在焊接前對焊接材料進行預處理,如去油、除銹、拋光等,以保證焊接接頭的質量,嚴格控制焊接電壓、電流、焊接速度等參數,引入自動化設備,裝配式建筑結構節點或重要工程可使用自動化焊接設備,保證焊接工藝。

4.6 螺栓連接技術改進

傳統的螺栓連接需使用扭矩扳手緊固,在高處施工或狹小環境等不良工作條件下,緊固螺栓過程困難,由于螺栓本身的局限性以及設計和制造過程中的一些問題,螺栓連接在裝配式建筑結構節點連接中常遇到一些困難和故障,影響裝配的質量和安全性。因此,改進螺栓連接技術,提高連接的可靠性和安全性是一個重要的研究方向。可使用自動裝配系統,如螺栓裝配槍、螺栓裝配套筒等自動化設備進行緊固操作,采用新的螺栓連接技術,例如,形狀記憶合金在螺栓連接中的應用,通過溫度變化使螺栓形狀發生變化,從而實現自緊固效果。此外,還有一些基于磁性原理的螺栓連接技術,如電磁緊固和磁性液體螺栓連接等,提高裝配效率和質量,并減少人工操作。螺紋是螺栓連接中最關鍵的部分,螺紋的切割方式和角度過大會導致螺紋結構的疏松,降低連接的承載能力;螺紋的形狀和尺寸不合理會導致連接的松動和脫落,通過優化螺紋的設計,提高螺紋的緊密度和接觸面積,能夠顯著提高螺栓連接的質量和可靠性。預緊載荷是螺栓連接中的一個重要參數,在裝配式建筑結構節點裝配過程中,由于經驗和設備的限制,往往難以控制預緊載荷的大小,過大的預緊載荷會導致螺栓斷裂,過小的預緊載荷會導致連接松動,需引入控制裝置和監測系統,實時檢測和調整預緊載荷的大小。摩擦系數是考慮螺栓連接穩固的一個重要因素,由于螺栓和母材的材料及表面處理方式有差異,且摩擦系數不同,導致螺栓連接的緊固力和松動力不穩定,通過選擇合適的潤滑劑和表面處理技術,調整螺栓元件摩擦系數,提高連接的強度和耐磨性。同時,螺栓的表面存在一些問題,如腐蝕、氧化和磨損等,導致連接的過早失效。因此,通過選擇合適的表面處理方式,如鍍鋅、鍍鎳和熱處理等,能夠顯著提高螺栓連接的耐腐蝕性和耐磨性,延長裝配式建筑結構節點連接的壽命。

4.7 傳統鋼筋灌漿套筒工藝改進

傳統的灌漿套筒施工方法需要現場制作,影響裝配式建筑施工進度,同時材料和人工成本也較高。新型灌漿套筒施工方法應運而生。新型灌漿套筒施工方法使用預制的玻璃鋼套筒或塑料套筒,按照要求的尺寸和形狀制作成預制件,并通過質量檢查和試驗。預制套筒根據裝配式建筑節點設計要求選擇不同的材質和厚度,以滿足不同工程的需求。施工前要先將基礎整平并清理干凈,將預制套筒按照預先測算好的位置和方向嵌入基礎中,然后再進行灌漿處理。新型灌漿套筒施工方法最大的優點是可以縮短施工周期,減少現場加工,同時提高安全性和質量可控性,有效降低工程成本和人工成本。需要注意的是,新型灌漿套筒施工方法需要進行嚴謹的設計和計算,確保預制套筒的規格尺寸和材料質量符合工程設計要求,以及灌漿材料的強度和力學性能符合要求。

5 實驗驗證和數值模擬

為了驗證改進技術的實用性和有效性,我們對實驗數據進行了采集,進行了實驗驗證和數值模擬。其中實驗驗證主要針對不同材料和結構方案的物理試驗,以評估其力學性能和耐久性。數值模擬可以通過有限元分析方法,模擬和預測連接節點的力學行為和破壞模式。實驗包括連接強度測試和剛度測試,通過施加不同荷載和觀察變形情況來評估新方法技術的效果。數值模擬則通過建立裝配式建筑結構連接節點的有限元模型,分析其變形情況和受力特點,實驗結果和數值模擬結果的一致可驗證新方法新工藝連接節點的可靠性。通過實驗和數值模擬方法,對不同類型的連接節點進行了力學性能和抗震性能的測試和分析。實驗結果表明,改進的連接節點設計和施工工藝可以顯著提高連接的強度和穩定性。數值模擬結果表明,改進方案可以降低結構的風險和使用成本。

6 結論

通過分析現階段常見的裝配式建筑連接節點方法的局限性和問題,對裝配式建筑結構節點連接技術的改進進行了研究和探討,力求提高連接節點的強度和穩定性,以滿足建筑的使用要求和安全標準。改進技術加固連接節點,增強裝配式建筑結構的整體性能,實現了施工周期的縮短、成本的降低、安全和質量的可控,改進的設計和施工工藝更加高效、經濟、環保,對于提高裝配式建筑的施工質量和安全可靠性具有重要意義。