裝配式混凝土構筑物的應用研究

姜 濤

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司 上海 200092)

裝配式混凝土結構是在現場拼裝預制混凝土構件形成的結構體系。相比現澆混凝土結構,它具有構件質量好、現場施工快、環境污染小等優點,是近年來國家大力推行的結構形式。

我國最早的裝配式混凝土結構出現于上世紀五十年代,用于單層工業廠房,隨后在民建領域也取得了較快發展。唐山大地震后,震毀嚴重的裝配式混凝土結構引起了人們的擔憂,應用大為減少。隨著技術的發展,尤其是借鑒美、日地震區的成功經驗,裝配式混凝土結構重新成為我國建筑行業發展的熱點。目前我國的裝配式結構主要用于住宅等建筑物,裝配式構筑物仍未得到廣泛使用。本文對其進行研究,希望為裝配式構筑物的推廣提供些許幫助。

1 裝配式混凝土結構的優勢

裝配式混凝土結構的建造過程為標準化設計、工業化生產、構件運輸、現場拼裝。相比現澆結構,裝配式混凝土結構的優勢體現在以下方面:

(1)構件采用標準化設計,可以進行工業化流水制作,生產效率大幅提高,構件尺寸精準,澆筑質量優異。

(2)裝配式結構的模塊化,有助于生產設備和模具的重復使用,實現規模效益,降低建造成本。

(3)裝配式結構現場安裝速度快、操作面小,大幅減少現澆混凝土,節約模板和人力,降低環境污染。

2 裝配式混凝土結構的設計理念和關鍵技術

標準化設計是建造裝配式混凝土結構最為關鍵的環節。相比現澆結構,它對結構規則性的要求更高。一般要求單體平、立面布置更加方正,平面長寬比和局部突出不宜過大,豎向構件上下對齊且不宜突變等。裝配式混凝土設計需要考慮的主要內容包括:標準化構件和連接節點的設計、結構整體穩定性分析、生產模具的重復利用和施工臨時措施等。

在進行裝配式結構標準化拆分時,應遵循規格少、組合多的原則,即通過少量標準模塊的多種組合來實現不同功能。標準模塊設計需要考慮構件、節點及整體受力的合理性,標準化生產的適用性,運輸及施工的便利性等。

現階段的主流設計理念是將裝配式結構等同現澆結構進行分析,以防止計算方法過于復雜,難以推廣應用。這需要在預制構件之間、預制與現澆構件之間的連接處采取可靠措施保證節點的承載力、剛度和延性等,使其不低于現澆結構的相應性能,并注意驗算施工工況。為滿足“強節點弱構件”的結構設計理念,連接節點的受力性能也不得低于標準構件。考慮到連接節點施工難度大,容易成為薄弱環節。所以在保證結構性能的前提下,節點數量應盡量減少,節點構造應力求簡單易行和傳力明確。同時為了使連接節點的耐久性滿足設計年限要求,需要采取可靠的防腐、防水和防火措施[1]。

裝配式混凝土結構的常見連接方式有后澆混凝土連接、灌漿連接、螺栓連接、連接件焊接、榫槽連接等等。后澆混凝土連接是在構件結合處鋼筋連接后,澆筑混凝土形成的連接。它具有設計簡單,施工可靠等優點,但現場工作量大,施工速度慢。國內外學者對其鋼筋連接方式、后澆混凝土性能等進行了研究,提出了埋設型鋼、采用高性能纖維增強混凝土等改進措施,可以極大的提高節點的力學性能。灌漿連接是指在構件端部套筒內灌注漿液,粘結鋼筋實現的連接。它具有性能可靠、適用性廣等優點,但對灌漿質量要求很高。灌漿套筒與鋼筋通過灌漿料的粘結作用進行傳力[2]。灌漿料是以水泥為基礎材料,添加細骨料和外加劑而成,要求具有非常好的自流性、高強性和微膨脹性。螺栓連接是通過構件端部螺栓緊固實現的連接。它具有操作簡單,安裝快等優點,但對生產和施工精度要求很高。連接件焊接是通過構件端部預埋鋼板焊接實現的連接。它具有設計簡單、質量可靠等優點,但現場焊接工作量大,質量難以保證,且焊接高溫容易對構件造成損傷。后張預應力連接是通過構件內埋設預應力筋導管,現場進行預應力筋張拉擠壓形成的連接[3]。它具有承載力高,恢復力強等優點,但耗能能力不足。榫槽連接是將構件邊緣分別做成榫頭和杯口,采用水泥漿填充形成的連接。它具有施工方便,安裝速度快等優點,但抗拉、抗彎性能較差。以上連接方式都有各自特點,適用于不同的場景,也與現階段相關領域的技術研發息息相關。隨著技術、材料的進步,試驗數據的完善,這些連接節點的應用范圍會逐步擴大,新型連接節點也將不斷出現。

3 裝配式混凝土構筑物的應用研究

在前文分析的基礎上,以下就裝配式構筑物的具體應用進行分析。常見的構筑物有圓形和矩形兩種。為保證構筑物結構的整體性,底板宜采用現澆混凝土結構。若遇巖石等優良地基,也可采用裝配式混凝土底板,基底設置滑動層,通過后張預應力提高整體性。

圓形裝配式構筑物壁板的標準形式一般為圓殼片,通過杯口與現澆底板連接。按《給水排水工程預應力混凝土圓形水池結構技術規程》規定,杯口節點可按鉸接進行設計[4]。考慮到圓殼主要承受切向水平力,通過對其施加預應力既可以提高結構整體性,又可以抵抗水平拉力。我國的一些早期項目采用壁板外側纏絲施加預應力,采用噴射水泥砂漿對預應力鋼絲進行防腐保護。這種結構形式近年來較少出現,預應力鋼絲的耐久性問題、板殼間接縫漏水問題和施工質量問題是關鍵原因。根據近年來裝配式技術的發展,可以對其進行優化。首先是預應力筋可設置在圓殼片中心區域,個別圓殼片局部突出張拉錨固,使得預應力筋可以更好的定位和獲得保護,提高工程質量。其次,圓殼片間的連接可以從后澆混凝土、水泥砂漿連接等改為榫槽連接和螺栓連接,榫槽連接具有一定抗剪和抗彎能力,螺栓連接可以傳力或輔助定位,利于后期預應力筋的張拉。榫槽內設置遇水膨脹橡膠墊,迎水面設置凹槽,附加防水卷材,多措施結合確保止水效果。

圖1 圓形裝配式構筑物簡圖

矩形裝配式構筑物壁板的標準形式一般為一字板、L型板等。《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》中規定現澆矩形構筑物的底板和池壁節點可按剛接進行設計,但對杯口節點未予明確[5]。王澤明等建立有限元模型進行分析,認為裝配式矩形水池杯口節點可視作半剛性節點,杯口節點的承載力、轉動剛度等與杯口高度正相關。考慮到矩形構筑物壁板的受力情況,豎向單向一字板在頂端無法按不動鉸支座設計時,不可采用杯口與底板連接。按《給水排水工程結構設計手冊》,當走道板滿足下述公式,壁板頂端可按不動鉸支座進行設計。

L型板具有受力合理,施工自立的特點,需要重點考慮的是其與現澆底板的連接。簡單有效的處理方式是預留鋼筋,與底板現澆連接。接縫處迎水面可設置凹槽,增設防水卷材止水[6]。更為保險的處理方式是L型板落底,與底板采用局部疊合板連接,以增強底板的整體性和防水性能。壁板間連接應根據受力情況選用不同的連接方式,豎向單向板可采用榫槽連接和螺栓連接,也可設置后張預應力筋增強結構整體性和抵抗溫度應力,雙向板及壁板轉角處可采用后澆混凝土連接或增加轉角標準構件。

4 裝配式混凝土構筑物的發展困境

預制化是我國混凝土構筑物建設必然的發展趨勢,但現階段裝配式構筑物的應用還存在政策不完善、應用不系統、技術不成熟等問題。

裝配式構筑物的發展缺少頂層設計。相關的政策、標準不完善,導致甲方、設計、施工和運營等部門無法協力,共同推動裝配式混凝土構筑物的發展。

裝配式構筑物的產業鏈仍處于初步階段。裝配式結構的建造過程包括設計、生產、運輸和安裝等多個環節,是以裝配式結構為核心,風險利益共享、上下游一體的產業系統。缺乏專業的設計人員、無法實現構件的標準化和規模化生產、尚未建立多方的協調機制等等都阻礙了裝配式構筑物的發展。

裝配式構筑物的關鍵技術尚未成熟。裝配式構筑物相比上部建筑物,對連接處的防水、防腐性能等提出了更高的要求,相應技術的研發和應用尚未成熟,具體性能尚待數據的進一步驗證。

5 結語

本文基于裝配式混凝土結構的設計理念和關鍵技術,對裝配式構筑物的具體應用進行了研究。雖然裝配式構筑物的應用還面臨著諸多困難,但相信隨著政策的制訂、系統的集成與技術的革新,其產業體系必將逐步完善,并在今后得到廣泛應用。