螺栓連接裝配式低層框架結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究*

呂雪源，楊嘉偉，李 貝，李玉兵

(中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100102)

0 引言

我國(guó)裝配式混凝土建筑正快速、持續(xù)發(fā)展，相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[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(jié)構(gòu)中，現(xiàn)有設(shè)計(jì)和施工方法仍有較多問(wèn)題亟待解決[7]，如低、多層框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面較小，梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋密集，導(dǎo)致構(gòu)件難以安裝，節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土振搗不密實(shí)，施工現(xiàn)場(chǎng)大量支設(shè)腳手架和模板等，難以充分發(fā)揮機(jī)械化施工優(yōu)勢(shì)。

為解決上述問(wèn)題，以裝配式別墅為研究對(duì)象，采用某廠家生產(chǎn)的專用螺栓連接件代替濕式連接，以全預(yù)制板代替疊合板，探索低、多層裝配式框架結(jié)構(gòu)的新型建造方法。

1 工程概況

試驗(yàn)設(shè)計(jì)1棟足尺裝配式別墅實(shí)驗(yàn)樓(簡(jiǎn)稱實(shí)驗(yàn)樓)，為與常規(guī)建造方式相銜接，將實(shí)驗(yàn)樓設(shè)計(jì)為裝配整體式框架結(jié)構(gòu)，按等同現(xiàn)澆原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算[8]。實(shí)驗(yàn)樓東西和南北軸線分別長(zhǎng)16.80，11.35m，為地上3層結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為8度，抗震等級(jí)為二級(jí)。實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)高度為10.93m，總建筑面積350m2。

實(shí)驗(yàn)樓框架柱、框架梁和樓板均采用預(yù)制混凝土構(gòu)件，次梁采用型鋼梁。預(yù)制柱-基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)[9]、梁-柱節(jié)點(diǎn)采用專用螺栓連接件相連[10]，樓板為全預(yù)制板，僅在連接節(jié)點(diǎn)部位需要少量濕作業(yè)。實(shí)驗(yàn)樓結(jié)構(gòu)預(yù)制率為92%，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)樓結(jié)構(gòu)模型

2 結(jié)構(gòu)布置與深化設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)布置

實(shí)驗(yàn)樓典型柱網(wǎng)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(yù)制樓板支承在預(yù)制梁側(cè)面的混凝土牛腿上，施工階段底部無(wú)須設(shè)置支撐。結(jié)構(gòu)平面布置如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)平面布置

2.2 構(gòu)件種類

實(shí)驗(yàn)樓中預(yù)制構(gòu)件為預(yù)制柱、疊合梁和預(yù)制板，如圖3所示。預(yù)制柱共13種，21件，最大質(zhì)量為4.28t。預(yù)制柱為一柱多層設(shè)計(jì)，底部預(yù)埋柱靴，通過(guò)螺栓與基礎(chǔ)相連，柱側(cè)面留有螺栓孔，通過(guò)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(zhì)量為1.38t，梁側(cè)面設(shè)置混凝土牛腿，施工時(shí)用于搭設(shè)預(yù)制樓板。樓板采用全預(yù)制形式，上部不再澆筑疊合層，預(yù)制板共27種，39件，最大尺寸為4.0m×2.3m×0.15m，最大質(zhì)量為3.46t。

圖3 典型預(yù)制構(gòu)件

2.3 連接節(jié)點(diǎn)

連接節(jié)點(diǎn)是將預(yù)制構(gòu)件連接為整體的關(guān)鍵部位，合理的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足節(jié)點(diǎn)承載力和相關(guān)力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)計(jì)算模型一致，滿足預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)和安裝階段的可實(shí)施性。為此，本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)3類節(jié)點(diǎn)。

2.3.1預(yù)制柱-基礎(chǔ)連接

預(yù)制柱底部設(shè)置專用連接件-柱靴，柱靴一端為鋼筋，通過(guò)搭接方式連接柱內(nèi)縱筋，柱靴另一端為鋼質(zhì)連接件，底部開有螺栓孔。為便于調(diào)節(jié)柱標(biāo)高和垂直度，預(yù)制柱與基礎(chǔ)間預(yù)留50mm寬的安裝縫，擰緊螺栓后，用灌漿料填實(shí)底部安裝縫。柱靴和連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖4所示。

圖4 預(yù)制柱-基礎(chǔ)連接節(jié)點(diǎn)

2.3.2疊合梁-預(yù)制柱連接

疊合梁與預(yù)制柱通過(guò)梁靴相連(見圖5)。梁靴構(gòu)造與柱靴相似，一端為鋼筋，與梁內(nèi)縱筋搭接連接，另一端為開有螺栓孔的鋼質(zhì)連接件，通過(guò)高強(qiáng)螺栓將疊合梁與預(yù)制柱連接為整體。預(yù)制柱與疊合梁相對(duì)部位設(shè)置鍵槽，以抵抗使用階段的豎向荷載。為便于構(gòu)件安裝，將安裝縫設(shè)計(jì)為50mm寬。該節(jié)點(diǎn)具有較高承載力和剛度，在安裝縫內(nèi)灌漿后能承擔(dān)一定施工荷載，當(dāng)驗(yàn)算滿足要求時(shí)，梁下部可不設(shè)置臨時(shí)支撐。

圖5 疊合梁-預(yù)制柱連接節(jié)點(diǎn)

2.3.3預(yù)制板連接

為減少施工現(xiàn)場(chǎng)的臨時(shí)支撐和濕作業(yè)量，樓板采用全預(yù)制板。預(yù)制板端部與梁連接時(shí)，板端支承在梁側(cè)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(cè)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(yù)制板側(cè)設(shè)置T形抗剪槽，然后將連接鋼板在槽底預(yù)埋鋼板上進(jìn)行三面圍焊，最后在抗剪槽中澆筑混凝土，使相鄰預(yù)制板連為整體。預(yù)制板連接節(jié)點(diǎn)如圖6所示。

圖6 預(yù)制板連接節(jié)點(diǎn)

3 施工要點(diǎn)

設(shè)計(jì)、施工一體化是裝配式建造方式的關(guān)鍵特征之一[11]，在設(shè)計(jì)階段充分考慮建筑全生命周期的需求，而施工階段作為設(shè)計(jì)階段的延伸，是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖的過(guò)程。為考察設(shè)計(jì)合理性，建造足尺實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 柱基礎(chǔ)施工

柱基礎(chǔ)中預(yù)埋螺栓定位準(zhǔn)確是預(yù)制柱準(zhǔn)確安裝的前提。為使預(yù)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(zhì)量，鋼筋綁扎時(shí)對(duì)預(yù)埋螺栓采取雙層定位措施。下部為鋼筋網(wǎng)片，將基礎(chǔ)內(nèi)的柱插筋從網(wǎng)片中穿過(guò)，使各鋼筋位置基本準(zhǔn)確；頂部為帶孔定位鋼板，將螺栓從定位孔中穿過(guò)后用螺母進(jìn)行固定，實(shí)現(xiàn)預(yù)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(tǒng)，以減少擾動(dòng)。混凝土初凝前及時(shí)進(jìn)行復(fù)測(cè)和校正。

3.2 預(yù)制柱安裝

預(yù)制柱安裝流程如下：測(cè)量放線→調(diào)整下部螺栓標(biāo)高→預(yù)制柱翻身、起吊→預(yù)制柱就位、調(diào)整→接縫支模、灌漿。

預(yù)制柱吊裝前，首先復(fù)測(cè)預(yù)埋螺栓的位置和頂部標(biāo)高，然后在基礎(chǔ)面上放出預(yù)制柱軸線和邊線，并清理安裝范圍內(nèi)的雜物。將預(yù)埋螺栓上的螺母頂部標(biāo)高調(diào)整為設(shè)計(jì)標(biāo)高。之后進(jìn)行預(yù)制柱的安裝和就位工作，將吊具固定在柱頂預(yù)埋件上，檢查無(wú)誤后進(jìn)行翻身和起吊，翻身時(shí)在柱底放置軟質(zhì)材料，防止損壞連接件和柱腳。將預(yù)制柱吊至安裝位置后緩慢下落，使預(yù)埋螺栓穿入柱靴螺栓孔中。通過(guò)調(diào)節(jié)螺母高度調(diào)整預(yù)制柱垂直度，滿足設(shè)計(jì)要求后，在預(yù)埋螺栓上部擰入螺母并緊固，夾緊柱靴，復(fù)測(cè)無(wú)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(yǎng)護(hù)試塊強(qiáng)度≥15MPa(經(jīng)設(shè)計(jì)驗(yàn)算，后續(xù)安裝擾動(dòng)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(shè)獨(dú)立支撐→疊合梁就位、調(diào)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(dú)立支撐作為梁的臨時(shí)施工措施，支撐頂部標(biāo)高調(diào)整合格后吊裝梁。疊合梁起吊和就位后調(diào)整位置，使梁靴螺栓孔對(duì)齊預(yù)制柱側(cè)面預(yù)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(yè)完成后，將梁上部疊合層鋼筋擰入預(yù)制柱側(cè)面螺栓孔中，完成上部縱筋安裝。

3.4 預(yù)制板安裝

梁柱接縫灌漿料同條件養(yǎng)護(hù)試塊強(qiáng)度≥15MPa后安裝預(yù)制板，流程如下：搭設(shè)獨(dú)立支撐→安裝預(yù)制板→焊接連接板→澆筑接縫混凝土。首先搭設(shè)板底獨(dú)立支撐，再將預(yù)制板吊起并就位。清理抗剪槽中的預(yù)埋鋼板，在上部放置連接鋼板，然后將預(yù)埋鋼板和連接鋼板焊接為整體，連接相鄰預(yù)制板。最后，在板拼縫和疊合梁頂部澆筑C40自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土，完成預(yù)制板安裝。將全預(yù)制板應(yīng)用于坡屋面，免去復(fù)雜的支模工作，大幅降低濕作業(yè)難度，提升施工效率和工程質(zhì)量。

4 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)開展時(shí)，建筑方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已完成，深化設(shè)計(jì)是在已有資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。研究結(jié)果表明，在低、多層裝配式框架結(jié)構(gòu)中采用螺栓連接是可行的。

相比常規(guī)濕法連接的裝配式框架，采用螺栓連接可使豎向構(gòu)件提前對(duì)水平構(gòu)件形成側(cè)向約束，防止臨時(shí)支撐體系出現(xiàn)側(cè)向失穩(wěn)，故現(xiàn)場(chǎng)僅需獨(dú)立支撐即可安裝構(gòu)件，大幅提高施工效率。由于采用全預(yù)制板，無(wú)須綁扎上部鋼筋和澆筑疊合層混凝土，減少現(xiàn)場(chǎng)鋼筋綁扎和濕作業(yè)工作量，并降低坡屋面施工難度。經(jīng)測(cè)算，本實(shí)驗(yàn)樓可實(shí)現(xiàn)3d/層的施工速度，相比同體量裝配式框架施工，減少現(xiàn)場(chǎng)工人數(shù)量65%。

4.1 方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)13種預(yù)制柱、42種疊合梁、27種疊合板，構(gòu)件種類多，標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，導(dǎo)致后期深化設(shè)計(jì)工作量大、生產(chǎn)模具投入量多。因?yàn)樵囼?yàn)在現(xiàn)澆別墅方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)件拆分，未針對(duì)裝配式建造特點(diǎn)優(yōu)化建筑和結(jié)構(gòu)方案。為避免這類問(wèn)題，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段提高柱網(wǎng)、層高和構(gòu)件截面的標(biāo)準(zhǔn)化水平，協(xié)調(diào)使用功能和建造需求的關(guān)系。

4.2 深化設(shè)計(jì)

為滿足GB 50011—2019《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，本試驗(yàn)典型柱截面尺寸為400mm×400mm，梁截面尺寸為250mm×520mm。常規(guī)預(yù)制構(gòu)件尺寸能滿足構(gòu)件內(nèi)部鋼筋構(gòu)造要求，當(dāng)采用專用連接件時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域的連接件與鋼筋易發(fā)生碰撞，且由于空間狹小導(dǎo)致避讓困難。如預(yù)制柱中，梁上部受力縱筋一般向下彎折錨固，由于預(yù)制柱截面尺寸小，為避免鋼筋碰撞和間距過(guò)小，將部分鋼筋改為向上彎折錨固。在預(yù)制梁端部位，箍筋彎鉤與梁底縱筋發(fā)生碰撞，為此將箍筋彎鉤調(diào)整至疊合層內(nèi)。典型問(wèn)題處理方法如圖7,8所示。

圖7 預(yù)埋件避讓設(shè)計(jì)

圖8 鋼筋避讓設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)中，最小疊合梁的長(zhǎng)度為1 400mm，梁靴長(zhǎng)度為1 700mm，梁靴尺寸大于構(gòu)件尺寸。為解決該問(wèn)題，取消梁內(nèi)縱筋，直接連接梁靴，如圖9所示。

圖9 梁靴優(yōu)化

此外，試驗(yàn)中的柱靴、梁靴和對(duì)應(yīng)連接件錨固筋均為HRB500鋼筋，與構(gòu)件中的鋼筋強(qiáng)度不一致。在搭接區(qū)域內(nèi)，鋼筋密度較大，易發(fā)生碰撞。

4.3 施工安裝

相比套管灌漿連接的基礎(chǔ)插筋，預(yù)埋螺栓對(duì)定位精度和成品保護(hù)有更高要求。因?yàn)槁菟ū砻娴穆菁y更易因磕碰發(fā)生損壞，若定位精度不高或安裝操作有誤，預(yù)制柱下落時(shí)柱靴與螺栓發(fā)生磕碰和摩擦，可能因螺紋損壞導(dǎo)致螺栓難以擰緊。

梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)的灌漿料具有足夠強(qiáng)度后，可使該節(jié)點(diǎn)具有較高承載力，使預(yù)制梁可獨(dú)立承擔(dān)施工階段荷載。安裝階段梁下部仍需設(shè)置臨時(shí)支撐，難以進(jìn)行免支撐施工。

梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)的灌漿腔為L(zhǎng)形，灌漿時(shí)可能出現(xiàn)不密實(shí)的情況。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制灌漿料的流動(dòng)度，并采取措施使模板嚴(yán)密不發(fā)生漏漿，若漏漿應(yīng)及時(shí)堵漏并進(jìn)行補(bǔ)漿。

此外，本試驗(yàn)中構(gòu)件截面尺寸較小，雖然在設(shè)計(jì)階段優(yōu)化鋼筋和預(yù)埋件布置，但仍給節(jié)點(diǎn)區(qū)域的鋼筋、預(yù)埋件定位及混凝土澆筑帶來(lái)較多困難，增加構(gòu)件出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本試驗(yàn)以裝配式別墅為對(duì)象，從深化設(shè)計(jì)和施工安裝角度研究某廠家螺栓連接件在低、層框架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的可行性。結(jié)果表明，該連接件在低多層裝配式框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用是可行的，相比常規(guī)濕法連接裝配式框架建造，優(yōu)點(diǎn)如下：①預(yù)制構(gòu)件能承擔(dān)一定施工荷載，模架支設(shè)、鋼筋綁扎和濕作業(yè)量少，現(xiàn)場(chǎng)以機(jī)械化安裝為主，可大幅提升勞動(dòng)效率，減少現(xiàn)場(chǎng)工人數(shù)量65%，緩解勞動(dòng)力短缺對(duì)項(xiàng)目造成的影響；②大量采用干法連接，節(jié)點(diǎn)區(qū)域采用灌漿料填縫，施工速度快，可實(shí)現(xiàn)3d/層的建造速度，遠(yuǎn)快于常規(guī)裝配式框架的6～7d/層。

應(yīng)用該連接技術(shù)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)注意以下方面：①在建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，除考慮建筑使用功能外，還應(yīng)考慮構(gòu)件生產(chǎn)和施工階段的需求，提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化水平，優(yōu)化構(gòu)件截面和連接件設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)角度消除后期難以解決的問(wèn)題；②提高施工管理的精細(xì)化水平，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)，重視施工質(zhì)量，充分發(fā)揮裝配式建造優(yōu)勢(shì)；③低層框架構(gòu)件截面尺寸小，為避免節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋和連接件密集問(wèn)題，可將部分豎向構(gòu)件設(shè)計(jì)為僅承擔(dān)豎向荷載，從而簡(jiǎn)化梁柱節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造。