基于超高性能混凝土連接的裝配式框架結構體系

張潔龍

上海建工房產有限公司 上海 200080

裝配式結構是建筑工業化發展的主要結構形式之一，在推廣和運用裝配式建筑的同時也必須認識到目前我國在裝配式施工技術方面仍然有較大的提升空間[1-2]。裝配式框架結構主要由預制柱、預制梁和疊合樓板裝配而成，其關鍵技術在于預制構件間的有效連接。現有規范一般采用梁柱節點處現澆連接和柱底采用鋼筋套筒連接的形式。但從實踐應用看，存在一定的缺陷：梁柱節點連接構造復雜、節點施工質量難以保證、套筒灌漿管理難度高、安裝效率低等，在一定程度上制約了裝配式框架結構的發展。

超高性能混凝土（UHPC）以水泥基材料和RPC高強混凝土制備原理為基礎研發而成，抗壓強度通常在120 MPa以上，極限拉伸變形大于0.2%，類似金屬變形性能，在鋼筋連接技術上具有短連接的技術優勢。

基于裝配式框架存在的問題和UHPC的技術特性，研究出一種基于超高性能混凝土連接的新型裝配式框架結構體系（PCUS）[3]。PCUS體系有2個特點：梁柱節點采用預制構件；梁梁節點和柱節點連接是基于UHPC材料的后澆節點（圖1）。

圖1 UHPC材料及連接

課題組針對鋼筋與UHPC黏結性能、梁受彎性能、柱抗震性能、梁柱節點抗震性能等進行了大量基礎試驗，試驗證明：鋼筋搭接長度為鋼筋直徑的10倍時，節點連接的力學性能均滿足規范要求，等同現澆構件；PCUS體系具有形式靈活、施工高效、結構可靠等優點（圖2）。

圖2 PCUS體系試驗研究

為了推進PCUS體系的工程應用，依托上海金山海玥瀜庭項目的物業辦公樓進行示范項目應用，進一步論證PCUS體系的結構安全性與施工操作可行性，為今后PCUS體系的推廣應用奠定基礎。

1 工程概況及設計

上海金山海玥瀜庭項目的物業辦公樓（30#樓）位于上海市金山區楓涇古鎮內，建筑面積1 154.93 m2，分為一層、二層及悶頂層（不利用），其中一層建筑面積589.62 m2，二層建筑面積565.31 m2（圖3）。30#樓采用裝配整體式框架結構，單體預制率為≥45%，預制構件范圍為1～2層，主要構件類型為預制柱、預制梁、疊合預制板。結構體系采用PCUS體系，梁梁節點和柱節點采用UHPC短連接技術（圖4）。

圖3 工程效果示意

圖4 PCUS結構體系

1.1 預制節點設計

梁柱節點采用預制工藝，梁從柱端伸出1～1.5倍梁高，鋼筋預留長度為10倍鋼筋直徑。預制柱內縱筋穿過預制梁柱節點預留的螺紋對穿孔后，注漿封閉。柱縱筋直徑均為25 mm，選用螺紋孔直徑為40 mm。通過預埋在預制柱里直徑為50 mm的灌漿口進行灌漿料灌漿，形成整體（圖5）。

1.2 梁梁節點設計

梁梁節點鋼筋使用搭接連接的方式，連接的搭接長度為10倍鋼筋直徑。澆筑材料使用UHPC，以保證裝配式節點與現澆節點具有相當的抗震能力。梁縱筋鋼筋為20 mm，梁與梁鋼筋搭接10倍鋼筋直徑，考慮兩端各10 mm的安裝誤差，梁與梁間距為220 mm。節點預制和梁端連接的設計，可以使節點在受力破壞時首先在梁端形成塑性鉸，符合“強節點、弱構件”的設計思路（圖6）。

圖5 節點預制及連接

圖6 梁梁節點采用UHPC短連接

1.3 柱柱節點設計

柱子縱筋采用UHPC短連接技術，鋼筋搭接采用10倍鋼筋直徑（250 mm），考慮10 mm的安裝誤差，預制柱距底部間距為260 mm。通過預埋在上層柱子里的10#工字鋼支撐在下層柱子上，完成豎直方向的定位；同時靠兩側斜撐桿件支撐柱體，完成水平方向的定位（圖7）。

圖7 柱柱節點

2 PCUS現場壓載試驗

為驗證結構整體剛度和強度，在地面進行1∶1模型荷載試驗。通過現場加載試驗，檢驗預制現澆整體梁、板構件的豎向變形和受力性能，驗證設計方案的合理性。依據設計資料，結構自重梁板的均布荷載為6.20 kN/m2，附加恒荷載為2.55 kN/m2，樓面活荷載為2.50 kN/m2。使用模擬均布荷載進行檢驗，適用性采用正常使用短期荷載檢驗值11.25 kN/m2為標準檢測。安全性檢測采用承載力檢驗荷載設計值18.38 kN/m2為檢測標準。試驗荷載分為九級加載，分三級荷載卸載（圖8）。

圖8 現場壓載試驗

本次試驗采用沙袋作為配重進行加載模擬。試驗采用DH3816N靜態應變采集儀進行撓度和應變數據采集，采用F130手持式裂縫觀測儀進行裂縫量測。加載試驗于2019年7月14日下午19：20開始進行，歷經72 h完成分級加載、觀測記錄、分級卸載等過程，于2019年7月17日19：20結束。

本次現場壓載試驗得到以下結論：

1）未出現撓度超限、裂縫寬度超限和受壓區混凝土開裂、破碎現象，因此試驗結構承載力滿足設計要求。

2）在最大荷載作用下，主梁最大撓度短期值為12.19 mm，小于根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》和GB/T 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》計算的限值20.50 mm，表明主梁剛度足夠。

3）荷載-撓度實測曲線整體趨勢接近直線，試驗構件基本處于彈性工作狀態，表明結構具有較大的安全儲備和良好的工作性能。

3 PCUS體系施工

PCUS體系施工主要包括預制柱、預制節點、預制梁、節點處現澆的施工。通過技術措施，可實現無排架施工（圖9）。

圖9 PCUS施工技術

3.1 預制柱施工工藝

預制柱通過預埋在上層柱子的10#工字鋼支撐在下層柱子上，完成豎直方向的定位。預制柱臨時支撐采用2根以上斜撐桿件，待柱體下方灌漿料達到設計強度后進行拆除（圖10）。

圖10 預制柱定位與支撐

預制混凝土柱后澆段通過定型化鋼模進行封閉澆筑，定型化鋼模板由預制鋼模板和緊固件、預制鋼模板組成。通過漏斗向支撐裝置，即預制混凝土柱的后澆段區域澆筑UHPC，并進行振搗。通常分2次進行后澆段UHPC澆筑和振搗，如此可以確保混凝土后澆段質量。待開口處被UHPC填滿時，向開口處插入封口板，完成預制混凝土柱的后澆段施工（圖11）。

圖11 定型化鋼模與澆筑質量

3.2 預制節點施工工藝

首先在柱頂進行坐漿施工，厚度為2 cm，進行預制節點吊裝，預制柱內縱筋穿過預制節點預留的螺紋對穿孔。預制節點的臨時固定通過預制柱梁節點擱置于柱上，并采用專用調節器調節。灌漿梁從上面注漿孔注漿，從對穿孔溢出（圖12）。

圖12 預制節點安裝與斜撐

3.3 預制梁施工工藝

預制梁擱置于獨立支撐上，采用頂托調節標高。

預制梁與預制節點鋼筋進行搭接，采用定型化鋼模連接。通過安全計算，定型化鋼模可滿足預制梁臨時固定的受力工況要求，如圖13所示。

圖13 預制梁定型化鋼模與獨立支撐

UHPC采用立軸行星式強制攪拌機，在現場進行攪拌。攪拌設備在接料前清洗干凈并不得存有積水，采用小型自卸式翻斗車運輸。按照攪拌設備的布置位置考慮，澆筑時采用細石混凝土泵或漏斗將UHPC入模，如圖14、圖15所示。

圖14 UHPC攪拌機及測試

圖15 UHPC澆筑質量

4 經濟效益分析

通過使用UHPC預制構件安裝體系取代傳統裝配式框架構件連接方式，節約了施工排架用量、灌漿套筒材料及人工費等，可節約直接成本約39%。同時提高了連接質量，降低了結構安全風險，施工進度由標準層施工10 d縮短為5 d。

5 結語

依托上海金山海玥瀜庭項目物業辦公樓，將前期研發的基于UHPC材料連接的新型裝配式框架體系進行了示范工程應用。首先進行了PCUS關鍵節點的設計、現場壓載試驗的論證，然后在示范項目中進行了施工可行性的驗證。得出以下結論：

1）PCUS體系主要技術優勢是節點預制和基于UHPC材料的鋼筋短連接技術，結構設計簡單快捷。

2）現場壓載試驗論證了PCUS體系在設計荷載下仍具有較大的安全儲備和良好的工作性能。

3）PCUS體系采用一定的技術措施可實現無排架施工，同時研發了一系列施工專用機具。

4）與傳統裝配體系相比，PCUS體系在工程造價與進度方面都具有較大的優勢。