裝配式混凝土框架結構柱梁節點連接分析及應用研究

馬立群

（上海松江雅居樂房地產開發有限公司，上海市 201611）

0 引言

隨著近年我國各級政府不斷推出鼓勵或強制性的引導政策，在相關企業的推動下，裝配式建筑應用迎來了新一輪快速增長。裝配式建筑體系可分為預制混凝土結構體系、鋼結構體系和木結構體系，其中預制混凝土結構體系在目前應用最為廣泛，而預制混凝土框架結構又為其中一種常見結構形式[1-3]。對于預制混凝土框架結構來說，柱梁節點核心區的連接方式選擇非常關鍵，不同的連接方式對于施工質量及框架結構整體力學性能影響較大，可靠的節點連接至關重要，是結構安全的最基本保障[4-5]。在當下設計人員技術水平良莠不齊、預制構件加工相對粗放、現場施工管理不夠規范的前提下，很容易造成節點核心區鋼筋無法連接或相互碰撞現象，進而影響工程安全、進度及質量[6-9]。因此針對預制混凝土框架結構中柱梁節點核心區連接方式的研究及應用尤為重要。本文分析總結目前框架結構節點常用連接方式的優缺點，提出節點連接方式的選擇和優化思路，并結合工程項目進行應用示范。

1 框架結構柱梁節點常用連接方式

框架結構柱梁節點連接按照是否先行整體澆筑分為兩種：第一種柱梁節點先行澆筑，通過將鋼筋連接轉移至節點核心區之外的方式實現（圖1）；第二種柱梁節點現場澆筑，通過解決節點核心區內的鋼筋連接實現。本文僅針對第二種情況展開分析及研究。

圖1節點整體先行澆筑而鋼筋核心區外連接

目前，裝配式混凝土框架結構中柱梁現澆節點處柱-柱連接多采用套筒灌漿連接（圖2）；梁-梁連接按照施工工藝分類可分為濕法連接、干法連接兩種方式，濕法連接主要采用套筒灌漿連接（圖3），干法連接包括端錨連接（圖 4）、彎錨連接（圖5）、牛腿連接（圖6）、新型可調組合鋼筋接頭連接（圖7）及其他方式。

1.1 套筒灌漿連接

鋼筋套筒灌漿連接技術是指帶肋鋼筋插入內腔為凹凸表面的灌漿套筒，通過向鋼筋與套筒的間隙灌注專用高強水泥基灌漿料，待灌漿料凝固后將鋼筋錨固在套筒內實現針對預制構件的一種鋼筋連接技術。

圖2柱-柱套筒灌漿連接

圖3梁-梁套筒灌漿連接

圖4端錨連接

圖5彎錨連接

圖6牛腿連接

圖7新型可調組合鋼筋接頭連接

套筒灌漿連接有以下優點：

（1）鋼筋連接安全可靠。灌漿料強度等級達到C85，能夠保障結構連接安全可靠，且行業內配套標準及規范已相對齊全。

（2）技術成熟穩定，國內外項目實踐案例多。日本作為多地震國家廣泛采用套筒灌漿連接技術，目前國內預制混凝土整體式剪力墻結構、預制混凝土框架結構中豎向承重構件連接也已大量應用。

（3）成本優勢不斷顯現。灌漿套筒、灌漿料及配套注漿設備等產品生產廠家逐漸增多，成本不斷下降。

但是，實踐證明，某些情況下套筒灌漿連接存在以下不足：

（1）套筒直徑大，影響混凝土的有效保護層厚度。目前常用的處理方法有兩種，一種是加大構件截面尺寸，這樣就造成混凝土用量增加進而導致成本增加、影響建筑使用空間等一系列問題；另一種是將鋼筋位置向構件內移動，這種方式會造成構件受力性能減弱。

（2）灌漿連接節點區域箍筋易受影響。通常構件在節點核心區域的箍筋需要加密，由于灌漿套筒長度較長且直徑較大，會影響箍筋的排布及安裝，進而造成連接節點受力性能的發揮。

（3）需要嚴格控制灌漿作業與主體施工之間的相對間隔。如間隔時間短，則灌漿作業容易受到主體拆模影響，如間隔時間長則可能影響整體結構穩定性。

（4）灌漿質量不易控制。灌漿必須要有專業人員作業，人為因素影響大，灌漿料生產及存儲出現問題將導致質量不穩定，工地現場復雜，比較容易引起某些部位灌漿不密實，而目前灌漿是否密實尚無成熟的現場檢測手段。由于灌漿作業是不可逆的，一旦灌漿作業出現問題，將可能引起嚴重的結構安全隱患。

1.2 端錨連接

端錨連接是指鋼筋端頭采用錨固端板并按照結構規范設計達到連接要求的一種節點連接方式。端錨連接加工及安裝方便，但主要存在連接力學性能差的缺點。

1.3 彎錨連接

彎錨連接是指鋼筋端頭采用彎折并按照結構規范設計達到連接要求的一種節點連接方式。彎錨連接加工及安裝方便，但主要存在鋼筋避讓設計復雜、現場容易發生鋼筋碰撞的缺點。

1.4 牛腿連接

牛腿連接是指通過設置在柱側或梁側的牛腿支撐豎向荷載及梁端剪力而形成的一種節點連接方式，具體又可劃分為焊接、螺栓、疊合等形式。牛腿連接構造簡單，但適用性相對有限，通常應用于工業廠房柱-梁、主-次梁連接。

1.5 新型可調組合鋼筋連接

新型可調組合鋼筋連接是指通過一組可調節、帶導向功能的簡單配件實現預制梁-梁節點快速連接的一種方式。

這種連接方式優點包括：

（1）不影響保護層且可實現鋼筋同一截面連接。外徑較小不影響混凝土的保護層，同時不影響箍筋的排布及安裝，可實現鋼筋同一截面機械連接。

（2）鋼筋連接強度高。鋼筋絲扣采用擠壓滾絲加工而成，而非采用剝肋車絲工藝，增強了絲扣段的鋼筋強度，經過拉拔試驗測試，所有接頭均斷裂在鋼筋原材處。

（3）適用性強。通過特有的接頭導向裝置，能夠容許對接的兩根鋼筋接頭存在1 cm以內的錯位誤差，且對鋼筋長度可以補償，在現有構件廠加工精度相對粗放的情況下，增加了產品的適用性和生產施工效率。

該連接方式具有以下缺點：

（1）組合接頭為單一企業發明專利，可選擇性相對較差，且鋼筋接頭擠壓滾絲僅能由該企業加工，影響整體構件生產效率。

（2）該連接方式相對成本較高。

1.6 其他連接方式

內置鋼盒式節點、GOK-W疊合式節點等方式，因存在構造復雜、操作性較差等特點，應用較少。

另外，普通機械套筒連接在目前建筑工程現澆結構中最為常見，產品工藝及連接質量穩定可靠。現場施工時通過轉動鋼筋予以連接然后綁扎成型，最后澆筑混凝土實現結構成型。在裝配式混凝土結構中，針對梁-梁連接國內曾有技術人員通過工裝嚴格控制構件中的鋼筋定位來嘗試直螺紋套筒連接（圖8），但因對接的兩根預制梁中鋼筋絲扣相對位置固定，而鋼筋無法轉動，導致直螺紋套筒無法由一端鋼筋正常接入另一端鋼筋，如強行連接則可能破壞鋼筋端頭絲扣，進而導致連接效果大打折扣，無法滿足一級接頭要求，故此種嘗試不具可行性。

圖8預制構件嘗試普通機械套筒連接

2 項目概況

某新建廠房項目位于上海市青浦區，總用地面積6 394.40 m2，總計容建筑面積10 539.20 m2，地上布置3棟廠房，其中1#、2#廠房為地上5層，地下1層，柱間跨距7.8 m，層高4.5 m，采用裝配式整體框架結構體系，建筑單體預制裝配率大于40%，構件類型包括預制柱、預制疊合梁、預制疊合板、預制樓梯。由于該項目預制柱、預制疊合梁數量占比分別達到96%、80%，存在大量“I型”、“一型”、“L 型”、“T 型”、“十型”預制柱梁連接節點，故預制柱梁節點核心區的連接方式選擇與實施至關重要。

3 節點優化設計及施工

3.1 節點連接方式選擇與優化

由于柱-柱豎向節點連接方式可選擇性相對較少且套筒灌漿工藝相對成熟，故該項目柱-柱節點采用套筒灌漿方式。在具體選擇時又分兩種情況：（1）5層以下柱-柱連接；（2）出屋面柱頂收頭。針對情況（1），采用常規的套筒灌漿連接方式（圖9），由于±0及3層頂標高處存在鋼筋變截面情況，故該項目共計采用 ?28～?25、?25～?25、?25～?20、?20～?20共 4種含變截面規格的灌漿套筒；針對情況（2），預制柱鋼筋收頭采用端錨方式（圖10），直接錨入屋面梁中。

圖9 柱-柱套筒灌漿連接

圖10柱頂端錨方式收頭

該項目梁-梁橫向節點類型包括“十型”、“L型”、“T型”、“一型”，所選擇連接方式按以上類型分情況討論：（1）由于“十型”為主梁之間主要的連接形式，且該節點鋼筋連接最為復雜，為保證該項目整體結構力學性能，同時降低施工難度，故選擇新型可調組合鋼筋接頭方式（圖11）；（2）由于“L型”均處于框架結構的角部，相互垂直交叉的兩根預制梁不存在鋼筋直接連接，故優先考慮采用彎錨連接方式（圖 12）；（3）“T 型”又分為兩種情況，第一種為主梁之間的連接，為了最大程度保障受力性能，兩根對接預制主梁之間采用了新型可調組合鋼筋接頭方式，而另一根主梁采用彎錨方式（圖13），第二種為主次梁之間的連接，綜合考慮力學性能要求及安裝便利性，采用牛腿連接方式（圖14）；（4）由于該項目“一型”節點每層僅 1 處，且為主梁之間連接，綜合考慮采用了新型可調組合鋼筋接頭方式。

由于裝配式混凝土框架結構中柱梁節點核心區存在眾多豎向柱筋及橫向梁筋，該項目雖采用上述5種節點連接方式已使得連接簡化，但設計時仍首要考慮了規避鋼筋碰撞問題。該項目設計時采取的優化思路包括：（1）預制構件采用多組合、少規格的整體思路，其中預制柱優化至僅600 mm×600 mm、800 mm×600 mm兩種規格，預制梁優化至僅300 mm×500 mm、400 mm×700 mm兩種規格；（2）鋼筋采用大直徑、少根數的整體思路，最終預制柱截面鋼筋有12根、14根兩種，疊合梁底筋有3 根 ；（3）應用 BIM（Building Information Modeling）技術，針對相互垂直交叉的梁-梁鋼筋、柱-梁鋼筋進行可視化設計，通過對部分疊合梁底筋在端部按照1∶6的比例進行相應彎折來規避鋼筋碰撞。

圖11“十型”節點連接

圖12“L型”節點連接

圖13“T型”主梁連接

圖14“T型”主次梁連接

3.2 節點施工

不同于現澆結構可根據現場條件對鋼筋進行一定程度的調節，該項目是由工廠生產的構件現場組裝而成，且構件預制裝配率非常高，梁-梁之間的鋼筋連接均達到毫米級要求，因而整體測量工作非常重要。該項目技術負責人、測量員、施工員全員參與，制定了詳細的測量方案和過程控制措施，保障了測量質量。首層預制柱插筋定位非常重要，如插筋偏位或長度不足，則會帶來一系列的麻煩，現場在趕工期的情況下工人可能采取野蠻的處理方式，極易導致嚴重的結構安全隱患。該項目在定位時采用了定位鋼板（圖15）控制，且定位鋼板由構件廠根據模具加工而成，解決了定位問題。灌漿作業一般滯后于主體結構3層，由于灌漿不可逆，且目前尚無成熟的檢測方式，故灌漿作業的過程管控尤為重要。該項目在整個灌漿過程中安排技術員專人跟蹤（圖16），每個構件拍攝影像資料存檔，整體灌漿作業工序控制良好。

圖15定位鋼板

圖16專人監控灌漿作業工序

4 實施效果分析

（1）該項目在選擇柱梁節點連接方式時，根據不同的鋼筋連接部位及特點，靈活選擇了套筒灌漿連接、端錨連接、彎錨連接、牛腿連接、新型可調組合鋼筋接頭連接等5種方式，方法得當，成本更優，施工效率顯著提高。

（2）該項目重視源頭設計工作，通過預制構件多組合少規格、采用大直徑少根數鋼筋設計思路、借助BIM技術等優化工作，創造了簡化柱梁節點連接的良好前提。

（3）該項目施工過程中，注重測量、首層預制柱插筋定位及灌漿作業等重點工作的過程把控，保障了節點連接質量。

（4）該項目在節點連接方式優化時，采用了新型可調組合鋼筋接頭這類新技術產品，成為上海市首批應用在框架結構中的項目之一，并在現場實踐中取得了良好的連接效果。

5 結語

目前裝配式混凝土框架結構柱梁節點連接方式種類較多，每一種都具有獨特的優缺點，各項目在選擇時應具體問題具體分析，綜合考慮標準規范、節點適用性、施工難易程度、材料供應狀況、工期要求、相對成本等因素靈活選擇，從而實現節點連接方式的最優組合。另外，由于節點核心區鋼筋眾多，應優先考慮采用BIM技術進行設計優化，源頭上降低施工難度及質量風險。