摘要：預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)是由預(yù)制構(gòu)件在現(xiàn)場(chǎng)裝配而成, 具有施工速度快、節(jié)能降耗等優(yōu)點(diǎn), 有利于建筑工業(yè)化和住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。由于預(yù)制構(gòu)件之間存在大量連接縫, 故裝配式建筑結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接問(wèn)題成為裝配式結(jié)構(gòu)可靠與否的關(guān)鍵。本文簡(jiǎn)要總結(jié)國(guó)內(nèi)外裝配式建筑的發(fā)展概況和常用的節(jié)點(diǎn)連接技術(shù), 指出了預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的研究方向和有待解決的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：裝配式; 套筒灌漿; 漿錨連接;
0、 引言
預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)是指在工廠預(yù)先加工好結(jié)構(gòu)圖紙所示的結(jié)構(gòu)構(gòu)件, 然后將其運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng), 在現(xiàn)場(chǎng)起吊、安裝就位、節(jié)點(diǎn)連接形成整體的混凝土結(jié)構(gòu)。預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)對(duì)比現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于, 結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以工廠預(yù)制, 實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化, 整體結(jié)構(gòu)可以施工現(xiàn)場(chǎng)裝配, 實(shí)現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化, 并且具有生產(chǎn)效率高、構(gòu)件加工精度高、節(jié)能、環(huán)保、施工進(jìn)度快、經(jīng)濟(jì)效益高、降低施工場(chǎng)地限制等優(yōu)點(diǎn)。為了保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性, 整個(gè)裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有足夠的承載力、剛度和延性, 以及抵抗地震、風(fēng)等動(dòng)荷載的能力, 因此裝配式結(jié)構(gòu)相對(duì)比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問(wèn)題是預(yù)制構(gòu)件之間連接節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)各國(guó)建筑結(jié)構(gòu)方面專家學(xué)者有關(guān)裝配式結(jié)構(gòu)的研究成果進(jìn)行歸納和分析, 特別對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)的發(fā)展及預(yù)制構(gòu)件之間的節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)方法進(jìn)行綜述。
1、 預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)在世界各地的發(fā)展概況
預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)起始于1920年, 第二次世界大戰(zhàn)后, 戰(zhàn)爭(zhēng)使得大量房屋遭到破壞, 短時(shí)間內(nèi)需要修筑大量房屋, 因此開始了住宅產(chǎn)業(yè)化的興起, 從法國(guó)到美國(guó)、日本、加拿大等各個(gè)國(guó)家, 開始了建筑工業(yè)化、住宅產(chǎn)業(yè)化之路。
1.1、 歐洲預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的發(fā)展
法國(guó)是世界上最早推行建筑工業(yè)化的國(guó)家之一[1]。1960年法國(guó)建設(shè)科學(xué)技術(shù)中心開始推行大型板式PCa構(gòu)法;1977年, 法國(guó)成立建筑構(gòu)件協(xié)會(huì), 該協(xié)會(huì)的成立推動(dòng)了法國(guó)住宅產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
丹麥?zhǔn)撬邪l(fā)展預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)的國(guó)家中首個(gè)采用模數(shù)化概念的國(guó)家, 因此國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO制定模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)參照了丹麥的模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
1.2、 美國(guó)預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的發(fā)展
美國(guó)于20世紀(jì)50年代開始大力推廣預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)[2]。1962年預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土產(chǎn)品達(dá)到153萬(wàn)方。1954年成立的預(yù)制/預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì) (PCI) 主編的PCI手冊(cè)總結(jié)了預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方面的經(jīng)驗(yàn), 作為美國(guó)裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的指南。美國(guó)混凝土協(xié)會(huì) (ACI) 還出版了多項(xiàng)專門的技術(shù)文獻(xiàn), 如:ACI550.1R-01《Emulating Cast-inPlace Detailing in Precast Concrete Structures》專門論述了裝配式建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)概念和受力鋼筋的連接技術(shù)。1977年頒布《美國(guó)統(tǒng)一建筑規(guī)范》UBC97指出, 在高烈度地震區(qū)使用預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)時(shí), 應(yīng)確保結(jié)構(gòu)的承載力、剛度、延性等性能不低于同等條件下的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。2012年, PCI出版了《PCI預(yù)制及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)》 (MNL-140) , 編制出詳細(xì)的鏈接構(gòu)造要求、施工技術(shù)方案、質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范。
1.3、 日本預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的發(fā)展
日本1966年提出《住宅建設(shè)的工業(yè)化構(gòu)想》, 開始推行住宅產(chǎn)業(yè)化。1969年日本建設(shè)省工業(yè)技術(shù)研究院開始實(shí)行《關(guān)于推進(jìn)住宅產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的五年計(jì)劃》, 制定了住宅的基本尺寸和模數(shù)。日本借鑒歐洲的PCa構(gòu)法, 研發(fā)出W-PC構(gòu)法。日本2002年版的標(biāo)準(zhǔn)《現(xiàn)澆等同裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南及解說(shuō)》中, 具體并系統(tǒng)地提出了裝配式結(jié)構(gòu)的承載能力和正常使用的各項(xiàng)要求。
1.4、 中國(guó)預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的發(fā)展[3]
中國(guó)1959年引入蘇聯(lián)拉姑欽科薄壁深梁式大板裝配式建筑。80年代末, 隨著商品混凝土的興起, 大批農(nóng)民工作為廉價(jià)勞動(dòng)力涌入城市, 技術(shù)、設(shè)備的發(fā)展等, 使得原有的預(yù)制構(gòu)件缺少優(yōu)勢(shì)。90年代初裝配式結(jié)構(gòu)在中國(guó)基本消亡。
進(jìn)入21世紀(jì)后, 裝配式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)重新得到體現(xiàn), 中國(guó)的裝配式結(jié)構(gòu)開始重新崛起。2014年10月1日正式實(shí)施《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 (簡(jiǎn)稱JGJ1-2014) , 該規(guī)程中, 預(yù)制構(gòu)件受力鋼筋的連接技術(shù)主要借鑒了美日技術(shù)。即, 框架柱和剪力墻的豎向連接主要采用套筒灌漿技術(shù), 垂直縫主要采用后澆混凝土帶的形式。隨后姜洪斌提出插入式留孔灌漿鋼筋搭接連接方法, 并獲得專利。
1.5、 其他國(guó)家預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的發(fā)展
新西蘭在20世紀(jì)80年代開始在房屋建筑中嘗試使用預(yù)制框架結(jié)構(gòu)和預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)。為了減小地震作用對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響, 新西蘭還研制出T型節(jié)點(diǎn)連接和十字型節(jié)點(diǎn)連接技術(shù), 既保證結(jié)構(gòu)整體性又能夠有效抵抗地震力的作用。1960年, 新加坡采用預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行房屋建造, 該方式使得建設(shè)項(xiàng)目的計(jì)劃工期實(shí)際縮短了22-55%, 大大提高了生產(chǎn)效率。
2、 裝配式結(jié)構(gòu)的連接技術(shù)在世界各地的研究概況
由于預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)存在大量的水平縫和豎直縫, 因此該種結(jié)構(gòu)的主要問(wèn)題就是其整體性能能否滿足抗震的需要。經(jīng)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)裝配式建筑結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)是構(gòu)件之間節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)。目前世界各國(guó)裝配式建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的節(jié)點(diǎn)連接方式主要分為兩大類:濕連接和干連接。濕連接主要有套筒灌漿連接、漿錨連接, 干連接主要有螺栓連接、機(jī)械連接等。
2.1、 濕連接
2.1.1、 套筒灌漿連接[4]。
套筒灌漿連接是將一個(gè)預(yù)制構(gòu)件的鋼筋的一小部分預(yù)先埋在帶有凹凸槽的高強(qiáng)套筒中, 另一側(cè)與其相連接的預(yù)制構(gòu)件鋼筋外露, 兩個(gè)預(yù)制構(gòu)件組裝的時(shí)候, 將外露構(gòu)件的鋼筋插入另一構(gòu)件的套筒中, 再在套筒的空隙注入高強(qiáng)度無(wú)收縮的灌漿料, 使兩相鄰的預(yù)制構(gòu)件連接成整體的一種節(jié)點(diǎn)連接方式。
套筒灌漿連接技術(shù)在歐美和日本等國(guó)家的應(yīng)用非常廣泛。1960年后期美國(guó)余占疏博士針對(duì)預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)連接問(wèn)題發(fā)明了鋼筋套筒連接器, 并首次將此技術(shù)應(yīng)用于一棟38層高的裝配式建筑 (Ala Moana酒店, 檀香山, 夏威夷) , 用于預(yù)制柱的連接。
1972年該項(xiàng)技術(shù)專利被日本一個(gè)機(jī)械加工公司購(gòu)買, 后經(jīng)過(guò)試驗(yàn)改良成了較短的Tops Sleeve。1984年日本專家和學(xué)者研發(fā)了一種名為NMB的套筒, 被日本建筑省確認(rèn), 廣泛應(yīng)用于裝配式建筑中。
目前常用的套筒灌漿接頭主要?jiǎng)澐譃閮深?全套筒灌漿連接和半套筒灌漿連接。全套筒灌漿連接如圖1所示, 該種連接接頭兩側(cè)鋼筋都被灌漿料包裹, 灌漿口用于灌漿料的注入, 排漿口用于注入灌漿料時(shí)的排氣。該種連接接頭多適用于預(yù)制裝配式梁鋼筋的連接。
圖1 全套筒灌漿示意圖
半套筒灌漿接頭連接如圖2所示, 該種連接接頭是直螺紋套筒和常規(guī)內(nèi)腔有凹槽的套筒的結(jié)合體, 在預(yù)制結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí), 先把一側(cè)鋼筋和直螺紋套筒一端連接, 并且無(wú)需灌漿, 另一端現(xiàn)場(chǎng)安裝連接結(jié)構(gòu)構(gòu)件的預(yù)埋鋼筋, 然后在套筒內(nèi)部灌入灌漿料。該種連接方式多用于預(yù)制裝配式剪力墻、預(yù)制柱鋼筋的連接。
2.1.2、 漿錨連接[5]。
漿錨連接是一種鋼筋搭接連接的形式, 如圖3所示, 首先在被連接節(jié)點(diǎn)部位預(yù)留孔洞, 然后相鄰的預(yù)制構(gòu)件的鋼筋插入該預(yù)留孔, 兩構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)的鋼筋橫向錯(cuò)開一段距離, 再在預(yù)留孔注入灌漿料。
圖2 半套筒灌漿示意圖
2.2、 干連接
2.2.1、 螺栓連接。
螺栓連接技術(shù)是利用高強(qiáng)螺栓抗拉和抗剪性能, 將上下預(yù)制構(gòu)件連成整體。薛偉晨等提出用高強(qiáng)螺栓連接上下預(yù)制墻體并進(jìn)行試驗(yàn)證明該種連接方式受力可靠。
圖3 漿錨連接示意圖
2.2.2、 機(jī)械連接。
機(jī)械連接技術(shù)主要采用螺紋套筒連接節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的鋼筋, 通過(guò)構(gòu)件之間的機(jī)械咬合力傳遞鋼筋的拉應(yīng)力。該方法接頭強(qiáng)度高, 施工簡(jiǎn)便, 沒(méi)有濕作業(yè), 有利于現(xiàn)場(chǎng)綠色施工, 所以目前機(jī)械連接方法種類繁多, 其中幾種具有代表性的鋼筋機(jī)械連接接頭如圖4所示。
圖4 各種機(jī)械連接方法示意圖
3、 結(jié)語(yǔ)
(1) 預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)具有施工速度快、制作精良、施工簡(jiǎn)單、減少濕作業(yè)等優(yōu)點(diǎn), 能很好地實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化和住宅產(chǎn)業(yè)化。 (2) 目前對(duì)裝配式建筑結(jié)構(gòu)連接方法的研究很多, 對(duì)于主要集中在“濕連接”, 對(duì)于“干連接”的研究較少, 但是“干連接”具有接頭強(qiáng)度高、施工速度快、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn), 所以建議加強(qiáng)這方面的研究。
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