預制混凝土構件鋼筋約束漿錨連接技術發展展望

吳 濤，劉全威，張 磊，白國良，徐亞洲

（ 1. 長安大學建筑工程學院，陜西 西安 710061；2. 西安建筑科技大學土木工程學院， 陜西 西安 710055 ）

和現澆混凝土結構相比，預制裝配式結構可以大量節約資源，提高生產效率，提升建筑品質，促進技術、材料和工藝創新，帶動設計、建材、裝飾等關聯產業發展，是建筑產業現代化的必然途徑和發展方向[1-3]．

預制構件的連接節點是裝配式混凝土結構的薄弱環節，成熟可靠的節點連接技術是保證裝配式結構整體性、安全性的關鍵[4]．和現澆結構相比，預制結構鋼筋連接部位較小，其鋼筋錨固在構件中，不能靈活調整，傳統的鋼筋綁扎搭接、焊接連接和機械連接受限于施工空間和精度的問題，難以在預制構件中應用．

國外預制構件的鋼筋普遍采用套筒灌漿連接，我國近年來基于國內裝配式結構體系的特點開發了約束漿錨連接技術，該技術是將兩連接鋼筋拉開一定距離后進行灌漿錨固從而實現鋼筋可靠連接的方式[5-6]．約束漿錨連接技術施工工藝簡單，成本低廉，已成為預制剪力墻等構件鋼筋縱向連接的主要方式之一．

1 約束漿錨連接機理及技術要點

1.1 約束漿錨連接機理

搭接鋼筋之間能夠傳力是由于鋼筋與混凝土之間的粘結錨固作用．兩根相向受力的鋼筋分別錨固在搭接區段的混凝土中而將力傳遞給混凝土，從而實現鋼筋之間應力的傳遞[7]．

約束漿錨連接的理論基礎為鋼筋的非接觸搭接，又在鋼筋搭接區段配置了橫向約束．其傳力路徑為：構件受力時，拉力先通過剪力傳遞到灌漿料中，再傳遞到灌漿料和周圍混凝土之間的界面中去．其連接機理(如圖1)是：當錨固鋼筋受拉時，隨著拉力增大，縱向鋼筋表面的應力增大直到出現應力峰值，同時應力最大處應變達到最大，拉力增大到一定階段高應力區鋼筋會出現徑向縮變，峰值區鋼筋與灌漿料間的摩阻力和膠結力降低，鋼筋產生局部滑移．此后，鋼筋錨固的握裹力峰值區向縱向延伸，鋼筋拉力仍可繼續增長．

約束漿錨連接的抗拉能力主要是由以下幾點決定[8]：鋼筋的拉拔破壞；灌漿料的拉拔破壞；周圍混凝土的劈裂破壞．因此，須保證鋼筋有足夠的錨固長度和有效的橫向約束來提高約束漿錨連接性能．

圖1 約束漿錨連接機理Fig.1 Mechanism of constraint grout-filled lap connection

1.2 約束漿錨連接技術要點

1.2.1 灌漿料

用于鋼筋約束漿錨連接的灌漿料[9]要滿足高強、早強和微膨脹性的要求，具有良好的力學性能和一定的變形能力，使其能與被連接鋼筋很好地共同工作，同時還要滿足裝配式結構快速施工的要求．

1.2.2 成孔工藝

成孔工藝是約束漿錨連接的技術核心，優良的成孔工藝不僅要保證約束漿錨連接的可靠性，還要能節省灌漿料和鋼材，并能降低施工精度和難度．約束漿錨連接成孔要做到內壁粗糙，連接界面安全可靠，且能滿足快速施工的要求．

1.2.3 搭接長度

連接鋼筋要有足夠的搭接長度以充分利用鋼筋強度，使鋼筋達到極限強度被拉斷之前，不發生錨固破壞．鋼筋搭接長度的長短能充分說明約束漿錨連接技術的優劣．在保證連接安全可靠的前提下，如何縮短鋼筋搭接長度是約束漿錨連接技術的改進和發展方向．

1.2.4 孔徑大小

約束漿錨連接所成孔孔徑大小，對灌漿料用量、施工精度和難度影響較大，其對鋼筋搭接長度和構件承載能力也會產生一定的影響．孔徑大小對約束漿錨連接性能影響的研究目前尚屬空白．確定約束漿錨連接的最佳孔徑能夠進一步降低其成本，達到最優的綜合經濟效益．

2 我國常見體系的約束漿錨連接方式

2.1 插入式預留孔灌漿鋼筋搭接連接

2008年哈爾濱工業大學與黑龍江宇輝集團合作，研發了插入式預留孔灌漿鋼筋搭接連接技術[10]，其連接構造如圖2．上部預制構件預埋鋼筋旁邊預留有內壁粗糙的孔洞，孔洞上下部分別預留有排氣孔和灌漿孔，孔洞外圍配有螺旋箍筋．施工時，只需將下部構件鋼筋插入預留孔洞中進行壓力灌漿即可實現鋼筋的連接．

哈爾濱工業大學課題組對插入式預留孔灌漿鋼筋搭接連接技術的錨固和搭接性能、鋼筋搭接長度影響因素、剪力墻抗震性能等問題進行了大量的試驗研究和理論分析．

圖2 插入式預留孔灌漿鋼筋搭接連接Fig.2 Bar connection of plug-type preformed grout hole reinforcement

姜洪斌[11-12]采用單向拉伸的加載方式，對該技術進行了81個試件的鋼筋錨固試驗及108個試件的鋼筋搭接試驗，證明了該連接方式具有良好的錨固和搭接性能．并建議插入式預留孔灌漿鋼筋搭接連接的搭接長度減短為錨固長度．趙培[13]完成了123個搭接試件的單向拉伸和高應力反復拉壓試驗．研究表明，配置螺旋箍筋可以有效降低鋼筋搭接長度，并建立了螺旋箍筋體積配箍率對鋼筋搭接長度的影響規律．邰曉峰[14]通過3片應用該技術的預制剪力墻試件和3片現澆剪力墻試件進行了低周反復荷載試驗．研究表明：采用插入式預留孔灌漿搭接連接的預制剪力墻與現澆剪力墻相比，有相當的抗震性能．楊勇[15]對采用該技術的剪力墻連接界面抗剪問題進行了深入研究，得出了類似的結論．

清華大學錢稼茹[16]等對4個豎向鋼筋采用該連接的預制剪力墻試件進行了擬靜力試驗，得出結論：預制剪力墻邊緣構件的豎向鋼筋采用留洞漿錨間接搭接連接能有效傳遞鋼筋應力；可采用規范計算豎向鋼筋采用留洞漿錨間接搭接的預制墻的受壓承載力．

哈爾濱工業大學主持制定了黑龍江省《預制裝配整體式房屋混凝土剪力墻結構技術規范》[17](DB23T 1400-2010)，將插入式預留孔灌漿鋼筋搭接連接技術寫入了該規范．黑龍江宇輝集團已將該技術應用于哈爾濱洛克小鎮小區14#樓等工程中．

2.2 NPC漿錨插筋連接

2007年，中南控股集團有限公司與澳大利亞康諾克公司合作，引進了全預制裝配整體式剪力墻結構體系(NPC體系)．NPC漿錨插筋連接[18]（如圖3），在上部構件中預埋金屬波紋管，施工時，將下部構件鋼筋插入波紋管中，再將高強無收縮灌漿料注入波紋管中養護至規定時間，即完成鋼筋的連接．

圖3 NPC外墻豎向連接Fig.3 External wall vertical connection in NPC

中南控股集團有限公司與東南大學合作，對NPC漿錨插筋連接技術的界面性能、節點和構件抗震性能等問題進行了大量的理論和試驗研究．

陳云鋼[19]等以混凝土強度、鋼筋直徑和錨固長度等為變參數，通過了162個波紋管漿錨試件的拉拔試驗．試驗中，所有試件均發生鋼筋拉斷破壞，證明了波紋管界面連接可靠．陳耀剛[20]等用足尺模型對NPC連接T形外墻、梁、板節點；內墻、板節點；外周剪力墻間填充墻節點進行了低周反復荷載試驗．系列試驗結果表明：NPC結構體系的抗震耗能能力和承載能力與現澆結構體系相當，可滿足工程需要．朱張峰[21]等對2個預制和1個現澆的1/2比例三層平面剪力墻模型進行了低周反復荷載試驗，結果表明：NPC模型具有與現澆模型相近的承載能力、位移延性及耗能能力，具有相當的抗震性能．

東南大學主編了江蘇省《預制裝配整體式剪力墻結構體系技術規程》[22](DGJ32/TJ125-2010)，將NPC漿錨插筋連接技術寫入了該規程，NPC漿錨插筋連接技術已經應用于江蘇海門中南世紀城33號樓等工程中．

2.3 兩種約束漿錨連接方式對比

2.3.1 連接構造對比[23]

從構造上看，兩種約束漿錨連接都是通過非接觸搭接的方式將兩構件的鋼筋連接在一起，都具有預留孔洞．其不同之處在于：(1) 約束配置．插入式預留孔灌漿搭接在鋼筋搭接區段外圍配置有螺旋箍筋加強，而NPC漿錨插筋連接沒有配置橫向約束；(2) 接縫構造不同．NPC漿錨插筋連接外墻豎向接縫采用了外低內高的企口構造，具有防水功能．而插入式預留孔灌漿搭接只需在接縫處澆筑20mm的水平座漿層；(3) 成孔工藝不同．插入式預留孔灌漿搭接采用抽芯方式成孔，而NPC漿錨插筋連接采用埋置金屬波紋管成孔．

2.3.2 連接性能對比

插入式預留孔灌漿搭接在鋼筋搭接區段配置有螺旋箍筋，可以有效約束搭接鋼筋間的橫肋斜向擠壓錐楔作用造成的縱向劈裂裂縫的發展，能有效降低鋼筋搭接長度．而NPC漿錨插筋連接沒有配置相應的橫向約束，導致其鋼筋搭接長度與前兩者相比增加很多，不僅會浪費鋼材和灌漿料，還會造成施工難度的增加．

從試驗資料來看，此兩種約束漿錨連接方式在滿足各自鋼筋搭接長度要求的前提下，其相應的預制構件均能達到與現澆構件相同或相近的承載能力和抗震性能，符合我國《裝配式混凝土結構技術規程》[24](JGJ 1-2014)的設計理念．

表1 約束漿錨連接相關規范Tab.1 Relevant code of constraint grout-filled lap connection

3 約束漿錨連接相關規范分析

近幾年，隨著國家大力推行裝配整體式結構的相關政策相繼出臺，各省各地區紛紛響應，分別編制了本省市的裝配式混凝土結構相關規程．截至目前，全國一共制定了17本裝配式混凝土結構方面的規范．這些規范大部分都納入了約束漿錨連接技術，但只有少數省份對約束漿錨連接的設計方法和主要技術要點進行了詳細規定．表1給出了較有代表性的幾個省份的相關規定．

從表中可以看出，只有江蘇省采用了NPC漿錨插筋連接技術，江蘇省依賴于NPC技術已形成了獨立完備的裝配體系．而其他省份大多推薦采用插入式預留孔灌漿連接技術，且圍繞約束漿錨連接的幾個技術要點進行了相關規定．各省對鋼筋搭接長度的規定與現有研究資料相比較為保守，對螺旋箍筋直徑、間距和環徑等參數的規定差異較大，各省都沒有對約束漿錨連接的預留孔徑做出規定．總的來看，各省規范對約束漿錨連接技術的規定條文殘缺，且差異較大．

4 約束漿錨連接技術目前存在的問題

約束漿錨連接技術安全可靠、成本低廉，在我國已取得較快的應用和發展，但該技術目前還存在著一些缺點和不足，主要表現在以下幾個方面：

(1) 承載能力較低,應用范圍狹窄

約束漿錨連接由于荷載偏心傳遞，節點受力狀況復雜，導致其承載能力較低，難以在大直徑鋼筋連接中應用，無法滿足高層預制結構構件連接的需要，一般應用約束漿錨連接技術的連接鋼筋直徑不宜大于25 mm．且約束漿錨連接技術目前只能應用于剪力墻縱向鋼筋的連接，不能應用于預制柱等構件中．

(2) 鋼筋搭接長度過長

約束漿錨連接需要連接鋼筋具有足夠的搭接長度才能保證構件連接的安全性．插入式預留孔灌漿搭接連接鋼筋搭接長度約400～600 mm，NPC漿錨插筋連接鋼筋搭接長度約600～1 000 mm．由此導致鋼筋和灌漿料用量較大，還會增大運輸、施工吊裝難度，延緩施工進度．

(3) 應用受到構件截面尺寸限制

插入式預留孔灌漿連接的兩連接鋼筋需在螺旋箍筋內部完成搭接連接，由此導致其外圍的螺旋箍筋環外徑較大，這在斷面尺寸較小尤其是需要雙排連接的剪力墻等構件中將會受到很大限制[31]．

5 結論與展望

(1) 約束漿錨連接構造簡單、性能可靠、施工簡便、成本低廉，其應用于預制剪力墻等構件縱向鋼筋連接時，具有良好的經濟效益，有廣闊的研究空間和發展前景．

(2) 各裝配式混凝土結構相關規程對約束漿錨連接技術的規定條文殘缺，且差異較大．建議加大對約束漿錨連接技術研發力度，盡快出臺約束漿錨連接技術專項規程，對其關鍵技術指標作出統一規定．

(3) 約束漿錨連接技術還存在著承載能力較低、鋼筋搭接長度過長、灌漿料消耗量大等問題，建議從鋼筋外形、灌漿料、成孔工藝和孔徑大小等方面進行技術改進，降低鋼筋搭接長度，以進一步降低其成本，達到最佳的綜合經濟效益．

(4) 約束漿錨連接技術主要應用于低烈度區，該技術在高烈度區的推廣應用亟需理論和試驗資料支撐．建議加強約束漿錨連接技術在高烈度區應用方面的研究．

References

[1] 梁厚雙. 裝配式建筑的發展及優勢[J]. 磚瓦世界,2011(9): 21-23.LIANG Houshuang. Development and advantages of the assembly building[J]. Brick & Tile World, 2011(9):21-23.

[2] 徐義屏. 預制裝配化: 建筑業轉型升級的重要途徑[J].建筑, 2013(15): 8-9.XU Yiping. Prefabricated assembly: an important way of building industry transformation and upgrading[J]. Construction and Architecture, 2013(15): 8-9.

[3] 蔣勤儉. 中國建筑產業化發展研究報告[J]. 混凝土世界. 2014(7): 10-20.JIANG Qinjian. Research report on development of construction industry in China[J]. China Concrete, 2014(7):10-20.

[4] 陳建偉, 蘇幼坡. 預制裝配式剪力墻結構及其連接技術[J]. 世界地震工程, 2013, 29(1): 38-48.CHEN Jianwei, SU Youpo. Prefabricated concrete shear wall structure and its connecting technology[J]. World Earthquake Engineering. 2013, 29(1): 38-48.

[5] 劉瓊, 李向民, 許清風. 預制裝配式混凝土結構研究與應用現狀[J]. 施工技術, 2014, 43(22): 9-14.LIU Qiong, LI Xiangmin, XU Qingfeng. Present research and application of precast concrete structure[J].Construc-tion Technology, 2014, 43(22): 9-14.

[6] 李曉明. 裝配式混凝土結構關鍵技術在國外的發展與應用[J]. 住宅產業, 2011(6): 16-18.LI Xiaoming. Development and application of key technology of assembly concrete structure in foreign countries[J]. Housing Industry, 2011(6): 16-18.

[7] 邢亞. 非接觸方式鋼筋綁扎搭接連接的工作機理分析及應注意的問題[J]. 工程質量, 2012(6): 56-58.XING Ya. Principle analysis and attentive points of non-touched steel bar lap joint and connection[J]. Construction Quality, 2012(6): 56-58.

[8] 趙唯堅, 郭婉楠, 金嶠, 等. 預制裝配式剪力墻結構豎向連接形式的發展現狀[J]. 工業建筑, 2014, 44(4):115-121.ZHAO Weijian, GUO Wannan, JIN Qiao, et al. State of the art research on connection type of vertical components for precast concrete shear wall systems[J]. Industrial Construction, 2014, 44(4): 115-121.

[9] GB/T 50448-2008 水泥基灌漿材料應用技術規范[S].北京: 中國計劃出版社, 2008.GB/T 50448-2008 Code for application technical of cementitious grout[S]. Beijing: China Planning Press, 2008.

[10] 劉文清, 姜洪斌, 耿永常, 等. 插入式預留孔灌漿鋼筋搭接連接構件: 中國, ZL200820090150. 6[P]. 2009-04-05.LIU Wenqing, JIANG Hongbin, GENG Yongchang, et al. The member of plug-type preformed grout hole reinforcement connection: China, Patent number:ZL200820090150. 6 [P]. 2009-04-05.

[11] 姜洪斌, 張海順, 劉文清, 等. 預制混凝土結構插入式預留孔灌漿鋼筋錨固性能[J]. 哈爾濱工業大學學報,2011, 43(4): 28-31.JIANG Hongbin, ZHANG Haishun, LIU Wenqing, et al.Experimental study on plug-in filling hole for steel bar anchorage of the PC structure[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2011, 43(4): 28-31.

[12] 姜洪斌, 張海順, 劉文清, 等. 預制混凝土插入式預留孔灌漿鋼筋搭接試驗[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2011,43(10): 18-23.JIANG Hongbin, ZHANG Haishun, LIU Wenqing, et al.Experimental study on plug-in filling hole for steel bar lapping of precast concrete structure[J]. Journal of Harbin Institute of Technology. 2011, 43(10): 18-23.

[13] 趙培. 約束漿錨鋼筋搭接連接試驗研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學, 2011.ZHAO Pei. Experimental research on restraint grouting-anchoring overlap-joint of steel bar[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2011.

[14] 邰曉峰. 預制混凝土剪力墻抗震性能試驗及約束漿錨搭接極限研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2012.TAI Xiaofeng. Research on seismic performance of precast RC shear wall and limited length of overlap-joint restraint grouting-anchoring[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2012.

[15] 楊勇. 帶豎向結合面預制混凝土剪力墻抗震性能試驗研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2011.YANG Yong. Experimental research on seismic performance of precast shear wall with vertical joint surface[D].Harbin Institute of Technology, 2011.

[16] 錢稼茹, 彭媛媛, 秦珩, 等. 豎向鋼筋留洞漿錨間接搭接的預制剪力墻抗震性能試驗[J]. 建筑結構, 2011,41(2): 7-11.QIAN Jiaru, PENG Yuanyuan, QIN Heng, et al. Tests on seismic behavior of pre-cast shear walls with vertical reinforcements grouted in holes and spliced indirectly[J].Building Structure, 2011, 41(2): 7-11.

[17] DB23T 1400-2010 預制裝配整體式房屋混凝土剪力墻結構技術規范[S]. 黑龍江省住房和城鄉建設廳, 2011.DB23T 1400-2010 Technical specification for concrete shear wall structure assembled with precast components[S]. Housing and urban and Rural Construction Department of Heilongjiang Province, 2011.

[18] 張軍, 侯海泉, 董年才, 等. 全預制裝配整體式剪力墻住宅結構設計及應用[J]. 施工技術, 2009, 38(5): 22-24.ZHANG Jun, HOU Haiquan, DONG Niancai, et al. Design and application of assembly integral shear wall residence with prefabricated reinforced concrete[J]. Construction Technology, 2009, 38(5): 22-24.

[19] 陳云鋼, 劉家彬, 郭正興, 等. 預制混凝土結構波紋管漿錨鋼筋錨固性能試驗研究[J]. 建筑技術, 2014, 45(1):65-67.CHEN Yungang, LIU Jiabin, GUO Zhengxing, et al. Experimental study on grouting connection in bellows for steel bar anchorage of precast concrete structure[J]. Architecture Technology, 2014, 45(1): 65-67.

[20] 陳耀剛. 工業化全預制裝配整體式剪力墻結構體系節點研究[J]. 建筑技術, 2010, 41(2): 153-156.CHEN Yaogang. Research on industrialized fully pre-fabricated assembly integral shear wall structure system nodes[J]. Architecture Technology. 2010, 41(2):153-156.

[21] 朱張峰, 郭正興. 裝配式短肢剪力墻平面模型抗震性能試驗[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2012, 44(4): 94-99.ZHU Zhangfeng, GUO Zhengxing. Test research on seismic performance of plane model of new precast concrete short-limbed shear wall[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2012, 44(4): 94-99.

[22] DGJ32/TJ125-2010 預制裝配整體式剪力墻結構體系技術規程[S]. 江蘇省住房和城鄉建設廳, 2010.DGJ32/TJ125-2010 Technical specification for precast concrete shear wall structures[S]. Housing and urban and Rural Construction Department of Jiangsu Province, 2010.

[23] 張延年, 馬佳寶, 王元清. 預制剪力墻連接方式構造比較分析[J]. 建筑與預算, 2014(2): 30-34.ZHANG Yannian, MA Jiabao, WANG Yuanqing. Comparison and analysis of the connection method of precast shear wall[J]. Construction and Budget. 2014(2): 30-34.

[24] JGJ1-2014 裝配式混凝土結構技術規程[S]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2014.JGJ1-2014 Technical specification for precast concrete structures[S]. Beingjing: China Architecture & building Press, 2014.

[25] DB23T1400-2010 預制裝配整體式房屋混凝土剪力墻結構技術規范[S]. 黑龍江省住房和城鄉建設廳, 2011.DB23T1400-2010 Technical specification for concrete shear wall structure assembled with precast components[S]. Housing and urban and Rural Construction Department of Heilongjiang Province, 2011.

[26] DB11/1003-2013 裝配式混凝土框架和框架剪力墻結構設計規程[S]. 北京市住房和城鄉建設局, 2013.DB11/1003-2013 Design Specification for Precast Concrete Frame and Frame-Shear Wall Structure[S]. Housing and urban and Rural Construction Department of Beijing, 2013.

[27] 裝配整體式混凝土剪力墻結構體系住宅技術規程[S].吉林省住房和城鄉建設廳, 2013.Technical regulation of assembled monolithic concrete shear wall structure system residential housing[S]. Housing and urban and Rural Construction Department of Jilin Province, 2013.

[28] DBJ61/T 87-2014 裝配整體式混凝土結構技術規程[S].陜西省住房和城鄉建設廳, 2014.DBJ61/T 87-2014 Technical specification for assembled monolithic concrete structure[S]. Housing and urban and Rural Construction Department of Shanxi Province, 2014.

[29] DB42/T1044-2015 裝配整體式混凝土剪力墻結構技術規程[S]. 湖北省住房和城鄉建設廳, 2014.DB42/T1044-2015 Technical specification for assembled precast concrete shear wall structures[S]. Housing and urban and Rural Construction Department of Hubei Province, 2014.

[30] DGJ32TJ125-2010 預制裝配整體式剪力墻結構體系技術規程[S]. 江蘇省住房和城鄉建設廳, 2010.DGJ32TJ125-2010 Technical specification for precast concrete shear wall structures[S]. Housing and urban and Rural Construction Department of Jiangsu Province, 2010.

[31] 錢冠龍, 郝志強. 預制混凝土構件的水泥灌漿鋼筋連接構造: 中國, CN103216044A[P]. 2013-07-24.QIAN Guanlong, HAO Zhiqiang. Connection structure of cement grouting reinforcement of precast concrete elements: China, CN103216044A[P]. 2013-07-24.