摘要：预制装配式建筑结构是由预制构件在现场装配而成, 具有施工速度快、节能降耗等优点, 有利于建筑工业化和住宅产业化的发展。由于预制构件之间存在大量连接缝, 故装配式建筑结构的节点连接问题成为装配式结构可靠与否的关键。本文简要总结国内外装配式建筑的发展概况和常用的节点连接技术, 指出了预制装配式结构的研究方向和有待解决的问题。
关键词：装配式; 套筒灌浆; 浆锚连接;
0、 引言
预制装配式建筑结构是指在工厂预先加工好结构图纸所示的结构构件, 然后将其运输到施工现场, 在现场起吊、安装就位、节点连接形成整体的混凝土结构。预制装配式建筑结构对比现浇混凝土结构的优势在于, 结构构件可以工厂预制, 实现建筑工业化, 整体结构可以施工现场装配, 实现住宅产业化, 并且具有生产效率高、构件加工精度高、节能、环保、施工进度快、经济效益高、降低施工场地限制等优点。为了保证建筑结构的安全性、适用性和耐久性, 整个装配式结构应该具有足够的承载力、刚度和延性, 以及抵抗地震、风等动荷载的能力, 因此装配式结构相对比现浇结构的关键问题是预制构件之间连接节点的问题。本文通过对各国建筑结构方面专家学者有关装配式结构的研究成果进行归纳和分析, 特别对装配式结构的发展及预制构件之间的节点连接技术方法进行综述。
1、 预制装配式建筑结构在世界各地的发展概况
预制装配式结构起始于1920年, 第二次世界大战后, 战争使得大量房屋遭到破坏, 短时间内需要修筑大量房屋, 因此开始了住宅产业化的兴起, 从法国到美国、日本、加拿大等各个国家, 开始了建筑工业化、住宅产业化之路。
1.1、 欧洲预制装配式结构的发展
法国是世界上最早推行建筑工业化的国家之一[1]。1960年法国建设科学技术中心开始推行大型板式PCa构法;1977年, 法国成立建筑构件协会, 该协会的成立推动了法国住宅产业化进程。
丹麦是所有发展预制装配式建筑结构的国家中首个采用模数化概念的国家, 因此国际标准化组织ISO制定模数协调标准时参照了丹麦的模数标准。
1.2、 美国预制装配式结构的发展
美国于20世纪50年代开始大力推广预制预应力混凝土结构[2]。1962年预制预应力混凝土产品达到153万方。1954年成立的预制/预应力混凝土协会 (PCI) 主编的PCI手册总结了预制装配式建筑结构设计和施工方面的经验, 作为美国装配式建筑结构设计和施工的指南。美国混凝土协会 (ACI) 还出版了多项专门的技术文献, 如:ACI550.1R-01《Emulating Cast-inPlace Detailing in Precast Concrete Structures》专门论述了装配式建筑结构的设计概念和受力钢筋的连接技术。1977年颁布《美国统一建筑规范》UBC97指出, 在高烈度地震区使用预制装配式混凝土结构时, 应确保结构的承载力、刚度、延性等性能不低于同等条件下的现浇结构。2012年, PCI出版了《PCI预制及预应力混凝土结构抗震设计》 (MNL-140) , 编制出详细的链接构造要求、施工技术方案、质量验收规范。
1.3、 日本预制装配式结构的发展
日本1966年提出《住宅建设的工业化构想》, 开始推行住宅产业化。1969年日本建设省工业技术研究院开始实行《关于推进住宅产业标准化的五年计划》, 制定了住宅的基本尺寸和模数。日本借鉴欧洲的PCa构法, 研发出W-PC构法。日本2002年版的标准《现浇等同装配式结构设计指南及解说》中, 具体并系统地提出了装配式结构的承载能力和正常使用的各项要求。
1.4、 中国预制装配式结构的发展[3]
中国1959年引入苏联拉姑钦科薄壁深梁式大板装配式建筑。80年代末, 随着商品混凝土的兴起, 大批农民工作为廉价劳动力涌入城市, 技术、设备的发展等, 使得原有的预制构件缺少优势。90年代初装配式结构在中国基本消亡。
进入21世纪后, 装配式结构的优点重新得到体现, 中国的装配式结构开始重新崛起。2014年10月1日正式实施《装配式混凝土结构技术规程》 (简称JGJ1-2014) , 该规程中, 预制构件受力钢筋的连接技术主要借鉴了美日技术。即, 框架柱和剪力墙的竖向连接主要采用套筒灌浆技术, 垂直缝主要采用后浇混凝土带的形式。随后姜洪斌提出插入式留孔灌浆钢筋搭接连接方法, 并获得专利。
1.5、 其他国家预制装配式结构的发展
新西兰在20世纪80年代开始在房屋建筑中尝试使用预制框架结构和预制剪力墙结构。为了减小地震作用对建筑结构的影响, 新西兰还研制出T型节点连接和十字型节点连接技术, 既保证结构整体性又能够有效抵抗地震力的作用。1960年, 新加坡采用预制装配式混凝土结构进行房屋建造, 该方式使得建设项目的计划工期实际缩短了22-55%, 大大提高了生产效率。
2、 装配式结构的连接技术在世界各地的研究概况
由于预制装配式结构存在大量的水平缝和竖直缝, 因此该种结构的主要问题就是其整体性能能否满足抗震的需要。经国内外学者研究发现装配式建筑结构关键技术是构件之间节点连接技术。目前世界各国装配式建筑结构构件之间的节点连接方式主要分为两大类:湿连接和干连接。湿连接主要有套筒灌浆连接、浆锚连接, 干连接主要有螺栓连接、机械连接等。
2.1、 湿连接
2.1.1、 套筒灌浆连接[4]。
套筒灌浆连接是将一个预制构件的钢筋的一小部分预先埋在带有凹凸槽的高强套筒中, 另一侧与其相连接的预制构件钢筋外露, 两个预制构件组装的时候, 将外露构件的钢筋插入另一构件的套筒中, 再在套筒的空隙注入高强度无收缩的灌浆料, 使两相邻的预制构件连接成整体的一种节点连接方式。
套筒灌浆连接技术在欧美和日本等国家的应用非常广泛。1960年后期美国余占疏博士针对预制装配式建筑结构中的节点连接问题发明了钢筋套筒连接器, 并首次将此技术应用于一栋38层高的装配式建筑 (Ala Moana酒店, 檀香山, 夏威夷) , 用于预制柱的连接。
1972年该项技术专利被日本一个机械加工公司购买, 后经过试验改良成了较短的Tops Sleeve。1984年日本专家和学者研发了一种名为NMB的套筒, 被日本建筑省确认, 广泛应用于装配式建筑中。
目前常用的套筒灌浆接头主要划分为两类:全套筒灌浆连接和半套筒灌浆连接。全套筒灌浆连接如图1所示, 该种连接接头两侧钢筋都被灌浆料包裹, 灌浆口用于灌浆料的注入, 排浆口用于注入灌浆料时的排气。该种连接接头多适用于预制装配式梁钢筋的连接。
图1 全套筒灌浆示意图
半套筒灌浆接头连接如图2所示, 该种连接接头是直螺纹套筒和常规内腔有凹槽的套筒的结合体, 在预制结构构件时, 先把一侧钢筋和直螺纹套筒一端连接, 并且无需灌浆, 另一端现场安装连接结构构件的预埋钢筋, 然后在套筒内部灌入灌浆料。该种连接方式多用于预制装配式剪力墙、预制柱钢筋的连接。
2.1.2、 浆锚连接[5]。
浆锚连接是一种钢筋搭接连接的形式, 如图3所示, 首先在被连接节点部位预留孔洞, 然后相邻的预制构件的钢筋插入该预留孔, 两构件的连接节点的钢筋横向错开一段距离, 再在预留孔注入灌浆料。
图2 半套筒灌浆示意图
2.2、 干连接
2.2.1、 螺栓连接。
螺栓连接技术是利用高强螺栓抗拉和抗剪性能, 将上下预制构件连成整体。薛伟晨等提出用高强螺栓连接上下预制墙体并进行试验证明该种连接方式受力可靠。
图3 浆锚连接示意图
2.2.2、 机械连接。
机械连接技术主要采用螺纹套筒连接节点两侧的钢筋, 通过构件之间的机械咬合力传递钢筋的拉应力。该方法接头强度高, 施工简便, 没有湿作业, 有利于现场绿色施工, 所以目前机械连接方法种类繁多, 其中几种具有代表性的钢筋机械连接接头如图4所示。
图4 各种机械连接方法示意图
3、 结语
(1) 预制装配式建筑结构具有施工速度快、制作精良、施工简单、减少湿作业等优点, 能很好地实现建筑工业化和住宅产业化。 (2) 目前对装配式建筑结构连接方法的研究很多, 对于主要集中在“湿连接”, 对于“干连接”的研究较少, 但是“干连接”具有接头强度高、施工速度快、无污染等优点, 所以建议加强这方面的研究。
参考文献：
[1]娄述渝.法国工业化住宅概貌[J].建筑学报, 1985 (2) .
[2]蒋勤俭.国内外装配式混凝土建筑发展综述[J].建筑技术, 2010 (12) :74-77.
[3]张伟.装配整体式混凝土结构钢筋连接技术研究[D].西安:长安大学, 2015.
[4]郭正兴, 朱张峰.装配式混凝土剪力墙结构阶段性研究成果及应用[J].施工技术, 2014 (22) :5-8, 29.
[5]马军卫, 尹万云, 刘守城, 等.钢筋约束浆锚搭接连接的试验研究[J].建筑结构, 2015 (2) :32-35, 79.
[6]姜洪斌, 张海顺, 刘文清, 等.预制混凝土插入式预留孔灌浆钢筋搭接试验[J].哈尔滨工业大学学报, 2011 (10) :18-23.