裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵連接及相關(guān)檢測(cè)技術(shù)

詹婧潔

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州510500）

0 引言

裝配式建筑是適合未來的。各種類型的裝配式建筑看似是新型的結(jié)構(gòu)體系，實(shí)際上確是以“創(chuàng)新工法”為手段，兼取現(xiàn)澆與預(yù)制的各自優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)的是建造方式上的轉(zhuǎn)變。隨著未來中國(guó)適齡勞動(dòng)人口的不斷減少，人口紅利逐漸消失，國(guó)家必須在節(jié)約人力成本上做長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，裝配式建筑高技術(shù)、低勞動(dòng)力的特點(diǎn)將更加適應(yīng)這一趨勢(shì)。我國(guó)三大城市群在經(jīng)歷擴(kuò)張階段后，目前均在不同程度上迎來了建成區(qū)的更新，城市核心地段的容積率不斷上升，傳統(tǒng)粗放型的建造技術(shù)與模式已很難適應(yīng)，而部品構(gòu)件工廠預(yù)制和快速現(xiàn)場(chǎng)安裝的建造方式，將有助于把對(duì)環(huán)境的影響降到最低。

1 裝配式建筑的發(fā)展情況

1.1 日本的情況

日本作為建筑工業(yè)化最為成熟的國(guó)家之一，其工業(yè)化起點(diǎn)最初是為了解決戰(zhàn)后住房緊缺。20 世紀(jì)30 年代，德國(guó)建筑師瓦爾特·格羅皮烏斯（Walter Groupius）將“干式裝配結(jié)構(gòu)”的概念介紹到日本，通過不斷地研究、嘗試和實(shí)踐，日本于1941 年開發(fā)出了木制裝配式住宅。鑒于二戰(zhàn)中木結(jié)構(gòu)建筑在轟炸中被徹底摧毀的教訓(xùn)，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的研究也在加速推進(jìn)。20 世紀(jì)50 年代，受朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)軍工繁榮的刺激，日本鋼鐵工業(yè)迅速發(fā)展，適應(yīng)新需求的大規(guī)模住宅工業(yè)化開始出現(xiàn)，戰(zhàn)爭(zhēng)產(chǎn)能過剩的材料被用于輕型鋼骨裝配式建筑。70 年代，住房短缺問題雖已基本解決，但當(dāng)時(shí)建筑業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)變成經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力；然而，房子畢竟不是可以出口的商品，于是建筑業(yè)聚焦完善住宅功能，致力于提高抗震、耐火性能等來激發(fā)新的社會(huì)需求。除主體結(jié)構(gòu)工業(yè)化之外，日本在內(nèi)裝工業(yè)化、集成化上也有異常成熟的工藝技術(shù)和完備的產(chǎn)品體系，綜合水平很高。近10 年，預(yù)制住宅約占到日本總竣工住宅數(shù)量的15%（見圖1）。其中高層或超高層裝配式住宅的比例逐步提升，以受力明確、現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)便快速的框架結(jié)構(gòu)體系（RPC）為主要形式［1］，結(jié)合高強(qiáng)材料、減震隔震技術(shù)、集成SI 內(nèi)裝體系的應(yīng)用，市場(chǎng)推廣效果很好。

圖1 日本預(yù)制裝配式住宅占比（2009-2018）Fig.1 The Proportion of Prefab Housing in Japan（2009-2018）

1.2 美國(guó)的情況

裝配式住宅和建筑在美國(guó)歷經(jīng)百年發(fā)展，形成了包含研發(fā)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、零售、安裝在內(nèi)的完整裝配建筑產(chǎn)業(yè)鏈，其相關(guān)政策機(jī)制、技術(shù)體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、信息化應(yīng)用等均代表了世界最先進(jìn)的水平。美國(guó)的實(shí)際工程中，和預(yù)應(yīng)力技術(shù)相結(jié)合的預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用很廣泛。于1954 年成立的預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)（Precast/Prestressed Concrete Institute）通過研究并推廣預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)及其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、安裝等，形成了包括建筑規(guī)范、設(shè)計(jì)指南、教育計(jì)劃、培訓(xùn)認(rèn)證等一系列完善的體系，并不斷實(shí)踐、更新。目前，美國(guó)的PC 技術(shù)幾乎應(yīng)用在居住、辦公、醫(yī)院、學(xué)校、車庫、博物館建筑等各個(gè)領(lǐng)域。近年來，預(yù)制混合力矩框架結(jié)構(gòu)（PHMF）技術(shù)（見圖2）也得到陸續(xù)應(yīng)用，這種系統(tǒng)不但提供了類似鋼結(jié)構(gòu)施工的速度和簡(jiǎn)易性，并且得益于其獨(dú)特的物理韌性（Resiliency）和構(gòu)件自我復(fù)位（Self-righting）能力，有助于結(jié)構(gòu)在大震后立即恢復(fù)。美國(guó)目前正在研發(fā)并推行可持續(xù)環(huán)保與低碳節(jié)能的綠色裝配技術(shù)體系［2］，如：不受“等同現(xiàn)澆”抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念束縛的“干連接裝配混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)（ACSTC）”、以SI 理念為基礎(chǔ)的多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系（DBS）、Conxtech 體系及Modularize 體系等，以上體系均具有成熟的理論設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)際工程中也得到不斷應(yīng)用。

圖2 加州州立大學(xué)5 號(hào)停車庫（預(yù)制混合力矩框架設(shè)計(jì)）Fig.2 Parking Structure 5（Precast Hybrid Moment Frame）

1.3 我國(guó)的情況

預(yù)制裝配式建筑在我國(guó)曾于20 世紀(jì)七八十年代達(dá)到頂峰，但因當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)理念落后、建造工藝原始，經(jīng)過很長(zhǎng)一段時(shí)間的審慎冷靜期后，于近年迎來了爆發(fā)。2016 年，國(guó)務(wù)院連續(xù)發(fā)布關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑指導(dǎo)意見的重磅文件，指出“以京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角城市群和常住人口超過300 萬的其他城市為重點(diǎn)，其余城市為鼓勵(lì)推進(jìn)地區(qū)”、“力爭(zhēng)用10 年左右時(shí)間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到30%”。裝配式建造的最大優(yōu)勢(shì)在于行業(yè)規(guī)范化與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 1-2015》是我國(guó)裝配式混凝土建筑領(lǐng)域的第一本重要標(biāo)準(zhǔn)，該規(guī)程在查閱大量的國(guó)外相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)自身的工程實(shí)踐積累，歷經(jīng)11 年才編制完成。之后，我國(guó)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)迅速跟進(jìn)，目前已初步形成了適用范圍明確、重點(diǎn)突出、層次分明的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)體系［3］，但是對(duì)于新技術(shù)的覆蓋面仍舊不夠，相關(guān)質(zhì)量控制與檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)滯后。

2 關(guān)鍵連接技術(shù)

2.1 連接設(shè)計(jì)的兩大類別

連接是預(yù)制結(jié)構(gòu)中最重要的部分，連接的性能決定了結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，和結(jié)構(gòu)本身的制造、安裝、維護(hù)亦息息相關(guān)。預(yù)制構(gòu)件的連接不僅僅是彼此簡(jiǎn)單固定，而是確保整個(gè)結(jié)構(gòu)的協(xié)同性、完整性。合理的連接可以滿足環(huán)境及極限負(fù)載條件，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的結(jié)構(gòu)相互作用。裝配式建筑的節(jié)點(diǎn)連接主要分為兩類：強(qiáng)連接節(jié)點(diǎn)（Srong Connection） 和延性連接節(jié)點(diǎn)（Ductile Connection）。前者的設(shè)計(jì)方法與常規(guī)設(shè)計(jì)近似，我國(guó)裝配式混凝土建筑“等同現(xiàn)澆”原則下的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)就是強(qiáng)節(jié)點(diǎn)。而延性連接的代表如美、日合作PRESSS研究計(jì)劃（Precast Seismic Structural Systems）中針對(duì)地震區(qū)預(yù)制建筑物提出的典型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，強(qiáng)調(diào)“弱節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)構(gòu)件”，連接節(jié)點(diǎn)具有良好的變形能力，通常與其他內(nèi)部耗能裝置共同工作，在抵御地震等循環(huán)荷載下形成穩(wěn)定的能量滯后環(huán)（Hysteresis Loops）。

2.2 鋼筋灌漿套筒連接

鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)，根本上講利用的是直錨原理的力學(xué)規(guī)律，通過高強(qiáng)灌漿料與鋼筋、套筒之間的粘結(jié)作用傳遞應(yīng)力。作為一種鋼筋連接方式，主要應(yīng)用于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)制構(gòu)件鋼筋連接、現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋籠整體對(duì)接，以及既有建筑改造中新舊建筑鋼筋連接，其受力機(jī)理、施工操作、質(zhì)量檢驗(yàn)等方面均不同于傳統(tǒng)的鋼筋連接方式［4］。

2.3 鋼筋灌漿套筒發(fā)展

20 世紀(jì)60 年代后期，由美國(guó)華裔結(jié)構(gòu)工程師余占疏博士（Dr.Alfred A.Yee）根據(jù)中國(guó)傳統(tǒng)手指套游戲發(fā)明的鋼筋接頭套筒（見圖3），首次應(yīng)用在檀香山AlaMoana 酒店預(yù)制混凝土柱的連結(jié)上。1973 年，該套筒連接技術(shù)被介紹到日本，通過不斷研發(fā)、推廣及反饋，連接套筒應(yīng)用愈發(fā)廣泛，1994 年的關(guān)島地震（里氏8.2 級(jí)），1995 年的阪神地震（里氏7.9 級(jí)），在震后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，所有使用鋼筋灌漿套筒的建設(shè)工程都沒有遭受破壞。應(yīng)用該技術(shù)的代表建筑有舊金山的39 層派拉蒙大廈、東京汐留的56 層超高層住宅（見圖4）。

2.4 套筒灌漿缺陷

鋼筋套筒灌漿連接質(zhì)量是保證裝配式混凝土結(jié)構(gòu)整體性能“等同現(xiàn)澆”的重要保證，灌漿質(zhì)量是影響鋼筋套筒接頭性能的主要因素，對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震性能有著決定性影響［5］。但由于這種連接構(gòu)造復(fù)雜，屬于隱蔽工程，灌漿質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)一直沒有實(shí)質(zhì)突破。發(fā)達(dá)國(guó)家主要依靠技術(shù)工人的系統(tǒng)培訓(xùn)、合理工法及有效管理來保證灌漿質(zhì)量［6］。我國(guó)因應(yīng)用時(shí)間短、各項(xiàng)優(yōu)良認(rèn)定制度尚未建立、工人操作水平低、監(jiān)管體系尚不健全等原因，套筒灌漿缺陷影響因素很多，其產(chǎn)生原因［7］歸納如表1 所示。

圖3 中國(guó)手指套游戲和NMB 套筒Fig.3 Chinese Finger Trick and NMB Splices Leeve

圖4 舊金山派拉蒙大廈及東京汐留塔Fig.4 Paramount Tower San Francisco & Shiodome Tower

表1 套筒灌漿缺陷及產(chǎn)生原因Tab.1 Existing Problems and Reasons for Sleeve Grouting Defects

3 套筒灌漿質(zhì)量的檢測(cè)方法

灌漿質(zhì)量體現(xiàn)在漿料的飽滿性和密實(shí)性［8］。飽滿性主要是指套筒出漿口是否完全灌滿，即灌漿結(jié)束并穩(wěn)定后，套筒內(nèi)灌漿料液面是否達(dá)到出漿口。密實(shí)性主要是指套筒內(nèi)部是否存在空洞或夾雜。鑒于鋼筋套筒灌漿連接的重要性，應(yīng)對(duì)灌漿質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)以保證滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 X 射線工業(yè)CT 法

現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程：JGJ 355-2015》第7.0.6 條強(qiáng)制性條文要求鋼筋套筒灌漿前，應(yīng)模擬施工條件和方案在現(xiàn)場(chǎng)同步制作“平行試件”，以進(jìn)行灌漿套筒連接接頭抗拉強(qiáng)度檢驗(yàn)。高潤(rùn)東等人［9］采用高能X 射線工業(yè)CT 在接頭試件拉伸前，對(duì)套筒內(nèi)部灌漿的飽滿性和密實(shí)性進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)。通過模擬套筒加外澆混凝土、套筒外同時(shí)存在混凝土和復(fù)雜鋼筋布置的實(shí)際情況，試驗(yàn)結(jié)果表明：該方法對(duì)存在縱筋和箍筋遮擋、套筒布置位置變化、雙排套筒布置等復(fù)雜情形，均能有效顯示套筒內(nèi)部灌漿密實(shí)情況，套筒內(nèi)漿體空洞位置、大小清晰可見。但該方法目前只限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)適用性需進(jìn)一步研發(fā)。

3.2 預(yù)埋傳感器法

基于阻尼衰減振動(dòng)原理，當(dāng)系統(tǒng)受到摩擦和介質(zhì)阻力時(shí)，振幅隨時(shí)間逐漸衰減，阻尼越大，振動(dòng)能量耗散越快，振幅衰減越快（見圖5）。崔士起等人［10］采用灌漿傳感器對(duì)套筒灌漿飽滿度進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)。灌漿前，在套筒出漿孔預(yù)先放置振動(dòng)傳感器，傳感器周圍介質(zhì)的阻尼系數(shù)由小到大依次為空氣、流動(dòng)砂漿、凝固砂漿，通過傳感器反饋的振動(dòng)幅值衰減情況即能夠判斷傳感器有無被灌漿料包裹，從而判斷套筒內(nèi)部灌漿的飽滿程度。該方法非常有效，但成本高昂，實(shí)際應(yīng)用中所有套筒均預(yù)先埋置傳感器幾乎不可行。

圖5 不同阻尼系數(shù)衰減振動(dòng)示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Low and High Damped Vibration

3.3 超聲波法

超聲測(cè)試技術(shù)的原理主要是基于超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度有明顯差異，當(dāng)聲波從固態(tài)傳播到氣態(tài)時(shí)，波速顯著減小，聲波能量迅速衰減，致使傳播時(shí)間增加、波幅增大，聲波相位也隨之發(fā)生改變。當(dāng)灌漿料密實(shí)性良好時(shí)，接收的首波信號(hào)（ultrasonic first wave）是沿鋼筋套筒徑向到達(dá)的縱波，另一路徑是沿套筒半周到達(dá)的信號(hào)（見圖6）；相反，當(dāng)灌漿料密實(shí)性較差甚至未灌漿時(shí)，測(cè)試到的首波速度會(huì)顯著降低。Hua Yan 等人［11］基于該原理，主要以超聲波聲速作為檢測(cè)指標(biāo)，對(duì)不同缺陷條件下的套筒灌漿密實(shí)度進(jìn)行了測(cè)試。研究結(jié)果表明：超聲波檢測(cè)可以有效檢測(cè)套筒中灌漿缺陷的位置，缺陷與無缺陷之間存在明顯的界線。

圖6 超聲波傳導(dǎo)路徑示意圖（未灌漿vs 已灌漿）Fig.6 Schematic Diagram of UltrasonicPropagation Path（Empty Sleeve vs after Grouting）

3.4 沖擊回波法

沖擊回波法是20 世紀(jì)80 年代由美國(guó)提出的一項(xiàng)技術(shù)，在無損檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其基本原理是利用一個(gè)瞬時(shí)機(jī)械沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波，應(yīng)力波傳到結(jié)構(gòu)內(nèi)部并被缺陷反射回來，通過信號(hào)采集對(duì)反射波進(jìn)行頻譜分析，從而確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的情況（見圖7）。該技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)厚度、內(nèi)部缺陷、預(yù)應(yīng)力孔道灌漿密實(shí)度的定性定位檢測(cè)中已日趨成熟。劉輝等人［12］基于該方法，率先開展了在鋼筋套筒灌漿密實(shí)度檢測(cè)方面的可行性，研究結(jié)果表明：對(duì)于模擬實(shí)際施工狀態(tài)的鋼筋套筒雙排布置試件，由于受到不對(duì)稱性與套筒外鋼筋的遮擋，沖擊回波法測(cè)試結(jié)果并不理想。

圖7 沖擊回波法檢測(cè)原理示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Impact-echo Detection

3.5 超聲相控陣法

超聲相控陣技術(shù)早期主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲成像領(lǐng)域，后逐步應(yīng)用于工業(yè)無損檢測(cè)，如焊縫探傷。該技術(shù)的檢測(cè)原理如圖8 所示。探頭中的壓晶片按一定規(guī)定分布排列（線陣、面陣和環(huán)陣），工作時(shí)系統(tǒng)依照程序時(shí)間設(shè)定，逐次激發(fā)各個(gè)晶片，在構(gòu)件中形成一個(gè)整體超聲波陣面，通過控制波陣面的形狀和方向，實(shí)現(xiàn)波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦，在實(shí)現(xiàn)探測(cè)不連續(xù)缺陷形狀、大小和方位上展現(xiàn)出比單個(gè)探頭更好的性能。何勝華等人［13］針對(duì)疊合構(gòu)件預(yù)制部分與現(xiàn)澆部分交界面往往結(jié)合不良，后澆混凝土可能存在孔洞等非密實(shí)區(qū)，認(rèn)為采用超聲相控陣法可準(zhǔn)確識(shí)別上述缺陷。朱自強(qiáng)等人［14］在檢測(cè)預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量時(shí)，將超聲波能量集中在預(yù)應(yīng)力管道附近，提高有效信號(hào)的信噪比，灌漿缺陷孔洞檢測(cè)效率及準(zhǔn)確性均大大提高。但由于目前應(yīng)用于土木工程無損檢測(cè)中的探頭分辨率較低，對(duì)于鋼筋套筒灌漿缺陷的超聲相控陣法相關(guān)研究尚需進(jìn)一步研究。

圖8 超聲相控陣檢測(cè)原理示意圖Fig.8 Schematic Diagram of Ultrasonic Phased Array

4 結(jié)論與展望

套筒灌漿飽滿度和密實(shí)度的檢測(cè)仍需進(jìn)一步加強(qiáng)研究，特別是要重點(diǎn)研發(fā)灌漿施工過程中及施工后的能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程條件的灌漿缺陷檢測(cè)技術(shù)?，F(xiàn)行的無損檢測(cè)原理諸如超聲波法、沖擊回波法、超聲相控陣法從理論上來說對(duì)于灌漿缺陷檢測(cè)均是可行的，但受限于客觀條件如套筒內(nèi)部空間狹小、套筒布置復(fù)雜、外圍鋼筋遮擋、探頭分辨率較低、信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)反射波的識(shí)別度不夠等因素，目前對(duì)于灌漿缺陷檢測(cè)仍沒有專用的檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)。另外，在源頭上從科學(xué)設(shè)計(jì)、優(yōu)良預(yù)制構(gòu)件工廠認(rèn)定、完善產(chǎn)業(yè)工人培訓(xùn)及加強(qiáng)監(jiān)管入手，徹底依靠制度體系來保證灌漿質(zhì)量任重道遠(yuǎn)。