裝配式框架結構疊合梁連接出現的技術問題及其解決方案

張金丹 蘇 瑩 封聲鳳 邱秀麗 鄧禮嬌

賀州學院建筑與電氣工程學院 廣西 賀州 542899

國內外大地震的震害調查表明：預制混凝土框架結構的破壞主要表現為各構件間連接破壞，以及由此導致的結構整體離散和倒塌[1-3]。在裝配式混凝土框架結構中，結構抗側剛度由剛性框架提供，在水平荷載作用下通過梁端或柱端塑形鉸區耗能滿足“強節點，弱構件”，要求建筑節點處的承載能力要強于桿件的承載力，進而提高建筑結構變形能力，增強抗震性能[4]。目前裝配式建筑梁柱框架節點連接有兩大類[5]：一類是梁柱節點在工廠預制生產，構件之間在梁跨中進行連接；另一類是在構件預制廠分別預制框架梁和柱，在梁柱節點部位進行連接。梁柱節點在工廠預制，能保證梁柱節點區域連接的完整性，但其體型較大，運輸吊裝困難，因此對梁柱節點的連接研究和使用更廣泛。但實踐施工中，梁柱節點也存在節點區域鋼筋數量較多、易發生碰撞、不便施工等問題，同時疊合梁之間，疊合梁與樓板、剪力墻等連接也出現了諸多影響施工的問題，而裝配式結構的連接是結構的薄弱部位，其性能的好壞直接影響裝配式結構的整體性和抗震性，本文針對實踐施工過程中疊合梁連接出現的技術問題進行成因分析，并提出相應的解決措施和一些新技術，對推動裝配式框架結構的發展具有一定的積極作用。

1 疊合梁連接存在問題

1.1 梁柱節點連接

在裝配整體式混凝土框架中，梁-柱節點是最為重要，同時也是最復雜的節點連接之一。當前我國裝配式結構設計主要采用“等同現澆”的設計方法，因此現有裝配式混凝土結構中的節點連接大多采用模仿現澆的連接方式，下面以中間層梁柱連接節點為例介紹梁-柱節點常見做法。

現有的裝配整體式混凝土框架結構梁-柱節點連接大多采用預制梁縱筋在節點核心區內錨固，而鋼筋的連接或錨固方式多為彎折錨固、直線錨固、錨固板錨固或焊接連接、鋼筋套筒連接等[6]。這些節點構造雖然在理論和試驗結果上均滿足“強節點、弱構件”的設計原則，但由于錨入節點處鋼筋數量多，存在諸多問題。圖1為位于中間層中間梁柱框架節點處的鋼筋結構，該節點包括4個方向的梁縱筋和柱鋼筋，并且梁底部的受力鋼筋一般數量多且直徑大，因此在梁柱節點處鋼筋數量較多，鋼筋相互干涉現象嚴重，為避讓出空間，需對部分梁底外伸縱筋進行彎折，這樣不僅構件標準化程度低，同時深化設計難度也大，且梁底縱筋彎折處還需設置附加構造鋼筋，增加成本。最為嚴重的是，核心區鋼筋密集易導致節點處混凝土澆筑不密實，節點質量存在安全隱患。

圖1 錨固連接

若梁柱節點采用灌漿套筒連接，直接貫通梁底縱筋，如圖2所示，可以一定程度上減少鋼筋碰撞避讓問題，但灌漿套筒價格高，連接精度高，對構件制作精度要求也高，并且灌漿套筒內部灌漿料密實度難以檢測。

圖2 灌漿套筒連接

1.2 主次梁連接問題

預制主次梁連接節點常采用整澆式或者擱置式連接形式，多數整澆式主次梁連接中，在預制主梁中預留了槽口做現澆區段，如圖3所示，這種處理方法不但增加了主梁預制時的支模難度，而且在實際生產和施工中，預制主梁由于存在缺口，剛度被削弱，需在脫模、運輸、堆放、吊裝等過程中采取加強措施，對預制構件成品保護提出了較高的要求，不利于預制構件生產且現場吊裝難度大。同時，對于有抗扭要求的預制主梁，由于主梁預留槽口的存在，主梁受扭腰筋被打斷，但梁腹配置的抗扭腰筋需在預留槽口處貫通，從而導致預制次梁需預埋機械連接套筒，以連接伸入主梁后澆槽口的縱向鋼筋，造成預制構件的生產成本和現場吊裝工序的增加。

圖3 主次梁整澆式連接

為避免預制主梁預留缺口，增加預制和吊裝難度，也提出了主梁不預留缺口的連接形式，擱置式即為其中一種，如圖4所示。如主次梁牛擔板連接、主次梁鋼企口連接等。但這些連接方式更適用于采用鉸接連接、次梁不直接承受動力載荷且跨度不大于9 m的主次梁連接[7]。

圖4 主次梁擱置式連接

1.3 梁板鋼筋連接問題

為保證樓板的整體性以及傳遞水平力的要求，預制底板內縱向受力鋼筋宜從板端伸出并錨入支承預制梁的后澆混凝土中，其錨固長度不應小于5d（d為縱向受力鋼筋直徑），且宜伸過梁支座中心線[8]。因此在實際工程項目中，會出現很多疊合板“胡子筋”與梁鋼筋碰撞的問題，影響施工安裝效率。施工擺放時，甚至會出現鋼筋彎折、移位等情況。

2 解決措施

裝配式混凝土結構中，預制構件之間的連接對整體結構的抗震性能和結構倒塌能力影響極大，而目前裝配式構件連接節點普遍存在鋼筋碰撞、混凝土澆筑不密實等問題。考慮裝配的可行性，針對此類問題，主要的解決措施有如下幾種。

2.1 采用高強度、大直徑鋼筋

裝配式建筑不同于現澆結構，先綁扎鋼筋后澆筑混凝土，鋼筋位置可根據現場實際情況進行調整，裝配式建筑預制構件在工廠統一生產，再到工程現場進行拼裝，現場再移動鋼筋位置比較困難，而鋼筋數量過多是造成鋼筋碰撞的主要原因之一，因此裝配式建筑在前期結構設計階段就要考慮鋼筋碰撞問題，可通過選用大直徑、高強度鋼筋減少鋼筋數量。鋼筋數量減少不僅簡化了節點區縱筋排布，便于核心區錨固，同時方便預制構件吊裝，提高吊裝效率，若采用灌漿套筒連接，可減少灌漿套筒數量，節約成本，同時現場套筒灌漿工作量也相應減少，提高了現場施工效率。

2.2 高差錯開，鋼筋彎折加錨固板錨固

對于x軸和y軸2個方向都有框架梁的梁柱節點，鋼筋最密集，最容易出現鋼筋碰撞、混凝土澆筑不密實等情況。對于這些節點，可以使2個方向的梁高存在高度差，為梁底筋避讓留出空間，同時縱筋錨固采用鋼筋彎折和錨固板相結合的方式[9]，即位于下部的預制梁底部縱筋伸入支座水平段長度不小于0.4lbE后采用錨固板進行錨固，對于同方向只需進行1∶6水平彎折避讓，無需90°向上彎折。如果同方向也設置不同高差，梁底縱筋伸入支座水平段長度不小于0.4lbE即可，無須鋼筋1∶6水平彎折避讓和90°向上彎折，上部的梁縱筋可采用鋼筋彎折錨固[10]。

設置不同高差的預制梁極大地方便了設計、生產和施工，但也可能導致預制構件種類變多，標準化不足，因此要綜合考慮設置。

2.3 減少伸入支座鋼筋數量

經設計計算出梁配筋出現多排時，如果都伸入節點區域錨固，會導致節點區域鋼筋密集且易出現鋼筋碰撞問題。而支座處負彎矩比較大，下部彎矩較小，因此可以考慮有多排鋼筋的梁，在滿足抗彎、抗剪承載力要求的情況下，減少梁下部伸入支座鋼筋的數量。

2.4 三維BIM技術正向設計

建筑信息模型（building information modeling，簡稱BIM，又稱建筑信息模擬），指的是應用建筑工程項目的相關參數作為基礎建立模型，具有模擬性、可視化、可出圖等特點[11]。應用BIM技術可對裝配式建筑構件進行碰撞檢測和優化，減少返工現象，可模擬施工現場安裝流程，發現構件缺陷并進行構件優化和深化設計，也可模擬裝配式建筑施工現場場地布置和施工工藝，指導現場施工，真正將設計、制作、施工等縱向環節串聯起來，對建筑、結構、設備、內裝修等各個專業進行協同設計，實現建筑智能建造的目標。

裝配整體式混凝土框架結構連接節點具有鋼筋密集、鋼筋直徑較粗、多向鋼筋交錯等特點，只根據二維平面圖難以想象出所有鋼筋的放置是否會出現碰撞，利用BIM技術建立預制構件模型進行現場安裝三維模擬，可及時發現構件設計中的問題，對其進行優化和深化設計，避免現場吊裝安裝困難。也可檢查構件之間的碰撞，及時進行節點鋼筋的避讓設計，避免碰撞沖突導致返工，增加建設成本。

3 連接新技術

3.1 環扣鋼筋連接技術

針對疊合梁連接出現的眾多連接問題，不少學者進行了相關研究，提出了不少新技術。其中，環扣鋼筋連接技術的預制梁下部縱筋不伸入節點核心區域，而是通過跨過節點的附加環扣鋼筋與梁端伸出鋼筋進行成指搭接，如圖5所示。采用環扣鋼筋連接技術，梁柱核心區可在構件廠隨框架柱一起預制，也可以在施工現場隨梁端一起現澆，構造簡單，施工方便，不僅避免了節點區大量鋼筋密集碰撞，同時可縮短梁端后澆段長度，提高了預制構件現場安裝效率和施工效率，減少工程質量隱患，提高預制構件標準化程度。環扣鋼筋連接技術不僅適用于框架梁柱節點連接，也可應用于主次梁連接中，解決主梁預留槽口施工不便等問題（圖6～圖8）。

圖5 環扣鋼筋連接技術

圖6 梁-柱環扣鋼筋連接

圖7 主次梁環扣鋼筋連接

圖8 全預制疊合梁-柱環扣鋼筋連接

3.2 C形卡槽節點連接技術

C形卡槽連接技術應用于主次梁連接中，根據梁節點的受力分析先加工好C形卡槽，然后將其放置到預制主梁中，同預制主梁整澆在一起，再在施工現場進行吊裝拼接。先將預制主梁吊裝就位，然后再將預制次梁進行吊裝安放，預制次梁的下部鋼筋采用錨固板錨固直接伸入C形卡槽進行固定，最后將節點處進行支模灌注灌漿料，當節點完成灌漿后，進行疊合梁部分混凝土的澆筑，如圖9所示。采用C形卡槽節點連接技術解決了主次梁連接時因主梁預留缺口帶來的施工弊端，且工序清晰簡單。C形卡槽與連接鋼筋的錨頭之間有較大的空隙，因此它的容錯性也很強，使得現場施工效率大幅提高，同時C形卡槽的制作加工精度要求不高，對灌漿料的要求也相對較低，因此其成本相對較低，便于工程推廣。

圖9 C形卡槽節點連接技術

4 預制新型構件

4.1 新型模殼疊合梁

模殼疊合梁由U形混凝土薄殼和附加鋼筋籠組成，如圖10所示。新型模殼疊合梁和普通疊合梁一樣分為預制部分和后澆部分，U形混凝土薄殼將下部受力縱筋與箍筋一起澆筑在預制外殼內，其中箍筋的高度和梁預制高度平齊，這樣可以避免梁箍筋與板筋碰撞，如圖11所示，然后梁上部縱筋和附加箍筋再組成鋼筋籠垂直插放，可以避免傳統疊合梁上部鋼筋穿插難的問題。在現場實際施工時，將模殼梁裝配定位后，再放置上部縱筋和箍筋組成的鋼筋籠，最后澆筑混凝土形成整體，施工效率高。

圖10 新型模殼疊合梁

圖11 新型模殼疊合梁-板連接

采用模殼疊合梁不僅能避免梁板鋼筋碰撞、梁上部縱筋難穿等問題，節省安裝時間，提高裝配式工程施工進度，同時，U形混凝土薄殼在工廠機械化生產，能提高建筑質量，可作為永久性模板，不僅節約模板量，同時還省去抹灰等工序，施工方便快捷，節約環保。此外，U形薄殼做成深凹槽，與后澆混凝土黏結牢靠協調工作，可提高預制梁構件的整體性。

4.2 新型復合鋼絲網疊合樓板

復合鋼絲網疊合板由桁架鋼筋混凝土疊合樓板復合鋼絲網組成，如圖12所示。由于鋼絲網對混凝土有較強的約束力，使混凝土在受力（尤其在受拉狀態）時的塑性得到很大發展，混凝土受拉后的裂縫分布趨于均勻，裂縫寬度也較小。因此復合鋼絲網疊合樓板厚度較薄，僅為普通混凝土疊合樓板厚度的一半，同時新型復合鋼絲網疊合板充分考慮桁架鋼筋的力學作用，將桁架鋼筋下弦筋作為受力底筋與混凝土底板協同發揮作用，不僅提高了樓板的剛度，同時也節約了鋼材。復合鋼絲網疊合樓板不需要如一般預制疊合板一般四面出筋，其四面不出筋，采用密拼連接，兩塊板的間距較小，直接在拼縫板底粘貼膠帶，再澆筑混凝土或砂漿即可。

圖12 復合鋼絲網疊合樓板

采用復合鋼絲網疊合板不但自重小，方便運輸吊裝，而且可將桁架鋼筋充分利用，減少鋼材使用，節約造價，最為重要的是復合鋼絲網疊合板四面不出筋，不僅大大提高工廠生產效率，在施工現場安裝也極其方便，從根本上解決了梁板鋼筋碰撞問題，體現了裝配式建筑的優勢。

4.3 新型預制波紋管柱

預制波紋管柱由預制波紋管、箍筋骨架和混凝土組成，如圖13所示。先綁扎箍筋骨架，在箍筋骨架內部需要插入縱筋的位置一一插設與柱等高的波紋管并固定，在箍筋的四個角部各插入1根構造縱筋并固定，最終將做好的箍筋骨架連同波紋管安放到預制柱模板中進行澆筑并養護得到預制柱。上下層預制柱之間的鋼筋連接不同于常見的鋼筋套筒連接，波紋管預制柱縱筋采用的是與現澆柱相同的連接方式，即采用焊接或機械連接，大大降低施工難度，提高結構安全性。實際施工時，先將加工好的本層柱縱筋與下層柱縱筋通過焊接或機械連接的方式進行連接，并采取措施固定好縱筋。之后，將預制柱吊至柱縱筋上方，并調整位置，使得柱縱筋一一插入預制柱波紋管中，之后使預制柱緩慢下落至預定位置，再灌注普通砂漿即可。

圖13 預制波紋管柱

采用新型預制波紋管柱可改善傳統采用灌漿套筒連接的各種施工弊端，上下層采用套筒連接，不僅對構件制作精度要求高，對灌漿料要求也高，導致總體造價較高，同時套筒內砂漿的密實度也難以檢測，對結構安全不利；采用新型預制波紋管柱，波紋管內徑較大，柱縱筋可在一定范圍內進行位置調整，極大地增大容錯率，從而降低構件制作精度要求，同時上下柱縱筋通過焊接連接或機械連接，力從上層柱縱筋直接傳遞給下層柱縱筋，受力路徑明確，有利于結構安全，且不需要通過砂漿傳力，對灌漿料要求降低，因此可采用普通砂漿作為灌漿料，從而降低造價。

但需注意，由于預制柱內無縱筋，為保證預制柱在脫模和吊裝過程中有足夠的剛度，因此在箍筋的四個角部插入與預制柱等長的構造縱筋。同時波紋管和箍筋骨架需要綁扎固定，以免在振搗混凝土過程中，波紋管位置發生偏移。

5 結語

1）裝配式疊合梁連接是裝配式節點連接的重要組成部分，在設計時要充分考慮裝配的可行性，合理確定梁、柱截面尺寸及鋼筋的數量、間距和位置。綜合考慮梁截面高差、預制構件生產、吊裝等方面因素，在同一節點處合理選擇多種錨固方式，并結合BIM技術進行三維設計，確定合理的預制構件吊裝順序，降低鋼筋在節點區發生碰撞的概率，從而實現設計簡潔化、施工高效化。

2）采用連接新技術，可以有效改善梁柱節點、主次梁交接等部位鋼筋碰撞、施工不便等問題，提高施工效率，節約造價，體現裝配式建筑的優勢。

3）采用新型構件類型不僅能解決目前施工中存在的一些問題，且性能優越，成本較低，便于推廣使用，滿足建筑工業化的要求。