螺栓連接裝配式低層框架結構深化設計與試驗研究*

呂雪源，楊嘉偉，李 貝，李玉兵

(中建一局集團建設發展有限公司，北京 100102)

0 引言

我國裝配式混凝土建筑正快速、持續發展，相關設計標準[1-4]和建造方法[5-6]仍不斷完善。然而，在低、多層裝配式框架結構中，現有設計和施工方法仍有較多問題亟待解決[7]，如低、多層框架結構構件截面較小，梁柱節點區鋼筋密集，導致構件難以安裝，節點區混凝土振搗不密實，施工現場大量支設腳手架和模板等，難以充分發揮機械化施工優勢。

為解決上述問題，以裝配式別墅為研究對象，采用某廠家生產的專用螺栓連接件代替濕式連接，以全預制板代替疊合板，探索低、多層裝配式框架結構的新型建造方法。

1 工程概況

試驗設計1棟足尺裝配式別墅實驗樓(簡稱實驗樓)，為與常規建造方式相銜接，將實驗樓設計為裝配整體式框架結構，按等同現澆原則進行結構計算[8]。實驗樓東西和南北軸線分別長16.80，11.35m，為地上3層結構，抗震設防烈度為8度，抗震等級為二級。實驗樓首層層高3.3m，2層層高3.0m，3層為坡屋面，層高3.74～4.63m，結構高度為10.93m，總建筑面積350m2。

實驗樓框架柱、框架梁和樓板均采用預制混凝土構件，次梁采用型鋼梁。預制柱-基礎節點[9]、梁-柱節點采用專用螺栓連接件相連[10]，樓板為全預制板，僅在連接節點部位需要少量濕作業。實驗樓結構預制率為92%，結構模型如圖1所示。

圖1 實驗樓結構模型

2 結構布置與深化設計

2.1 結構布置

實驗樓典型柱網尺寸為4.9m×3.2m，主要柱截面為400mm×400mm，主要梁截面為250mm×520mm，樓蓋及坡屋面厚150mm。全預制樓板支承在預制梁側面的混凝土牛腿上，施工階段底部無須設置支撐。結構平面布置如圖2所示。

圖2 結構平面布置

2.2 構件種類

實驗樓中預制構件為預制柱、疊合梁和預制板，如圖3所示。預制柱共13種，21件，最大質量為4.28t。預制柱為一柱多層設計，底部預埋柱靴，通過螺栓與基礎相連，柱側面留有螺栓孔，通過螺栓與疊合梁端部的連接件相連。疊合梁共42種，74件，最大質量為1.38t，梁側面設置混凝土牛腿，施工時用于搭設預制樓板。樓板采用全預制形式，上部不再澆筑疊合層，預制板共27種，39件，最大尺寸為4.0m×2.3m×0.15m，最大質量為3.46t。

圖3 典型預制構件

2.3 連接節點

連接節點是將預制構件連接為整體的關鍵部位，合理的節點設計應滿足節點承載力和相關力學性能與結構計算模型一致，滿足預制構件生產和安裝階段的可實施性。為此，本試驗共設計3類節點。

2.3.1預制柱-基礎連接

預制柱底部設置專用連接件-柱靴，柱靴一端為鋼筋，通過搭接方式連接柱內縱筋，柱靴另一端為鋼質連接件，底部開有螺栓孔。為便于調節柱標高和垂直度，預制柱與基礎間預留50mm寬的安裝縫，擰緊螺栓后，用灌漿料填實底部安裝縫。柱靴和連接節點構造如圖4所示。

圖4 預制柱-基礎連接節點

2.3.2疊合梁-預制柱連接

疊合梁與預制柱通過梁靴相連(見圖5)。梁靴構造與柱靴相似，一端為鋼筋，與梁內縱筋搭接連接，另一端為開有螺栓孔的鋼質連接件，通過高強螺栓將疊合梁與預制柱連接為整體。預制柱與疊合梁相對部位設置鍵槽，以抵抗使用階段的豎向荷載。為便于構件安裝，將安裝縫設計為50mm寬。該節點具有較高承載力和剛度，在安裝縫內灌漿后能承擔一定施工荷載，當驗算滿足要求時，梁下部可不設置臨時支撐。

圖5 疊合梁-預制柱連接節點

2.3.3預制板連接

為減少施工現場的臨時支撐和濕作業量，樓板采用全預制板。預制板端部與梁連接時，板端支承在梁側牛腿上，板上部鋼筋伸出向下彎折，錨固于疊合梁后澆混凝土中；板側與梁為密拼連接，板上部鋼筋向外伸出直錨于疊合層中。為使樓板具有良好的整體性，在預制板側設置T形抗剪槽，然后將連接鋼板在槽底預埋鋼板上進行三面圍焊，最后在抗剪槽中澆筑混凝土，使相鄰預制板連為整體。預制板連接節點如圖6所示。

圖6 預制板連接節點

3 施工要點

設計、施工一體化是裝配式建造方式的關鍵特征之一[11]，在設計階段充分考慮建筑全生命周期的需求，而施工階段作為設計階段的延伸，是實現設計意圖的過程。為考察設計合理性，建造足尺實體結構進行驗證。

3.1 柱基礎施工

柱基礎中預埋螺栓定位準確是預制柱準確安裝的前提。為使預埋螺栓定位、角度均滿足安裝要求，綜合考慮成本、施工效率、質量，鋼筋綁扎時對預埋螺栓采取雙層定位措施。下部為鋼筋網片，將基礎內的柱插筋從網片中穿過，使各鋼筋位置基本準確；頂部為帶孔定位鋼板，將螺栓從定位孔中穿過后用螺母進行固定，實現預埋螺栓精確定位。完成螺栓定位和鋼筋綁扎后澆筑混凝土，且振搗棒不能直接接觸定位系統，以減少擾動。混凝土初凝前及時進行復測和校正。

3.2 預制柱安裝

預制柱安裝流程如下：測量放線→調整下部螺栓標高→預制柱翻身、起吊→預制柱就位、調整→接縫支模、灌漿。

預制柱吊裝前，首先復測預埋螺栓的位置和頂部標高，然后在基礎面上放出預制柱軸線和邊線，并清理安裝范圍內的雜物。將預埋螺栓上的螺母頂部標高調整為設計標高。之后進行預制柱的安裝和就位工作，將吊具固定在柱頂預埋件上，檢查無誤后進行翻身和起吊，翻身時在柱底放置軟質材料，防止損壞連接件和柱腳。將預制柱吊至安裝位置后緩慢下落，使預埋螺栓穿入柱靴螺栓孔中。通過調節螺母高度調整預制柱垂直度，滿足設計要求后，在預埋螺栓上部擰入螺母并緊固，夾緊柱靴，復測無誤后摘鉤。完成就位后，在柱底接縫處支模，然后在柱底灌滿C50灌漿料，灌漿料同條件養護試塊強度≥15MPa(經設計驗算，后續安裝擾動不損傷灌漿料)后安裝疊合梁。

3.3 疊合梁安裝

疊合梁安裝流程如下：搭設獨立支撐→疊合梁就位、調整→安裝連接件→接縫支模、灌漿→安裝上部縱筋。

為提高效率，采用獨立支撐作為梁的臨時施工措施，支撐頂部標高調整合格后吊裝梁。疊合梁起吊和就位后調整位置，使梁靴螺栓孔對齊預制柱側面預留螺栓孔，然后穿入螺栓、擰緊螺母。完成疊合梁的固定工作后，于拼縫部位支模，從梁頂接縫處灌入C50灌漿料。灌漿作業完成后，將梁上部疊合層鋼筋擰入預制柱側面螺栓孔中，完成上部縱筋安裝。

3.4 預制板安裝

梁柱接縫灌漿料同條件養護試塊強度≥15MPa后安裝預制板，流程如下：搭設獨立支撐→安裝預制板→焊接連接板→澆筑接縫混凝土。首先搭設板底獨立支撐，再將預制板吊起并就位。清理抗剪槽中的預埋鋼板，在上部放置連接鋼板，然后將預埋鋼板和連接鋼板焊接為整體，連接相鄰預制板。最后，在板拼縫和疊合梁頂部澆筑C40自密實補償收縮混凝土，完成預制板安裝。將全預制板應用于坡屋面，免去復雜的支模工作，大幅降低濕作業難度，提升施工效率和工程質量。

4 試驗結果

本試驗開展時，建筑方案和結構設計已完成，深化設計是在已有資料的基礎上進行的。研究結果表明，在低、多層裝配式框架結構中采用螺栓連接是可行的。

相比常規濕法連接的裝配式框架，采用螺栓連接可使豎向構件提前對水平構件形成側向約束，防止臨時支撐體系出現側向失穩，故現場僅需獨立支撐即可安裝構件，大幅提高施工效率。由于采用全預制板，無須綁扎上部鋼筋和澆筑疊合層混凝土，減少現場鋼筋綁扎和濕作業工作量，并降低坡屋面施工難度。經測算，本實驗樓可實現3d/層的施工速度，相比同體量裝配式框架施工，減少現場工人數量65%。

4.1 方案設計

本試驗共設計13種預制柱、42種疊合梁、27種疊合板，構件種類多，標準化程度不高，導致后期深化設計工作量大、生產模具投入量多。因為試驗在現澆別墅方案的基礎上進行構件拆分，未針對裝配式建造特點優化建筑和結構方案。為避免這類問題，應在設計階段提高柱網、層高和構件截面的標準化水平，協調使用功能和建造需求的關系。

4.2 深化設計

為滿足GB 50011—2019《建筑抗震設計規范》[4]，本試驗典型柱截面尺寸為400mm×400mm，梁截面尺寸為250mm×520mm。常規預制構件尺寸能滿足構件內部鋼筋構造要求，當采用專用連接件時，梁柱節點區域的連接件與鋼筋易發生碰撞，且由于空間狹小導致避讓困難。如預制柱中，梁上部受力縱筋一般向下彎折錨固，由于預制柱截面尺寸小，為避免鋼筋碰撞和間距過小，將部分鋼筋改為向上彎折錨固。在預制梁端部位，箍筋彎鉤與梁底縱筋發生碰撞，為此將箍筋彎鉤調整至疊合層內。典型問題處理方法如圖7,8所示。

圖7 預埋件避讓設計

圖8 鋼筋避讓設計

本試驗中，最小疊合梁的長度為1 400mm，梁靴長度為1 700mm，梁靴尺寸大于構件尺寸。為解決該問題，取消梁內縱筋，直接連接梁靴，如圖9所示。

圖9 梁靴優化

此外，試驗中的柱靴、梁靴和對應連接件錨固筋均為HRB500鋼筋，與構件中的鋼筋強度不一致。在搭接區域內，鋼筋密度較大，易發生碰撞。

4.3 施工安裝

相比套管灌漿連接的基礎插筋，預埋螺栓對定位精度和成品保護有更高要求。因為螺栓表面的螺紋更易因磕碰發生損壞，若定位精度不高或安裝操作有誤，預制柱下落時柱靴與螺栓發生磕碰和摩擦，可能因螺紋損壞導致螺栓難以擰緊。

梁柱節點區的灌漿料具有足夠強度后，可使該節點具有較高承載力，使預制梁可獨立承擔施工階段荷載。安裝階段梁下部仍需設置臨時支撐，難以進行免支撐施工。

梁柱節點區的灌漿腔為L形，灌漿時可能出現不密實的情況。因此，應嚴格控制灌漿料的流動度，并采取措施使模板嚴密不發生漏漿，若漏漿應及時堵漏并進行補漿。

此外，本試驗中構件截面尺寸較小，雖然在設計階段優化鋼筋和預埋件布置，但仍給節點區域的鋼筋、預埋件定位及混凝土澆筑帶來較多困難，增加構件出現質量問題的風險。

5 結語

本試驗以裝配式別墅為對象，從深化設計和施工安裝角度研究某廠家螺栓連接件在低、層框架結構中應用的可行性。結果表明，該連接件在低多層裝配式框架結構中的應用是可行的，相比常規濕法連接裝配式框架建造，優點如下：①預制構件能承擔一定施工荷載，模架支設、鋼筋綁扎和濕作業量少，現場以機械化安裝為主，可大幅提升勞動效率，減少現場工人數量65%，緩解勞動力短缺對項目造成的影響；②大量采用干法連接，節點區域采用灌漿料填縫，施工速度快，可實現3d/層的建造速度，遠快于常規裝配式框架的6～7d/層。

應用該連接技術時，應重點注意以下方面：①在建筑和結構設計階段，除考慮建筑使用功能外，還應考慮構件生產和施工階段的需求，提高設計標準化水平，優化構件截面和連接件設計，從設計角度消除后期難以解決的問題；②提高施工管理的精細化水平，嚴格按照設計要求和相關標準作業，重視施工質量，充分發揮裝配式建造優勢；③低層框架構件截面尺寸小，為避免節點區鋼筋和連接件密集問題，可將部分豎向構件設計為僅承擔豎向荷載，從而簡化梁柱節點的構造。