裝配式異型結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與施工技術(shù)

朱東烽，陳祺榮，江幸蓮*

1.廣東筠城置業(yè)有限公司，廣東 云浮 527499

2.廣東精宏建設(shè)有限公司，廣東 云浮 527499

隨著我國建筑工業(yè)化發(fā)展，高效化養(yǎng)殖場的研究與建設(shè)需求應(yīng)運而生。包括構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、預(yù)制構(gòu)件的接縫抗?jié)B技術(shù)問題亟待解決。其中，排污結(jié)構(gòu)作為農(nóng)牧建筑的典型結(jié)構(gòu)，包括兩塊垂直于地面的側(cè)壁和設(shè)置于其之間、砌筑在基礎(chǔ)上的水平底板?？紤]生產(chǎn)使用階段的勞動成本，一般利用廢棄物在自重下堆積，實現(xiàn)廢棄物集中：當(dāng)固液混合處理時，結(jié)構(gòu)主體部分沿長度方向需0.3%的坡度要求（即采用U 型結(jié)構(gòu)形式）；當(dāng)固液分離時，除要求整體縱向0.6%的坡度要求以外，斜板尚需滿足10%的坡度要求，故采用V 型。

本文借鑒民用鋼筋混凝土建筑及裝配式建筑，通過某全裝配式豬舍項目的施工實施全過程，以兩種預(yù)制結(jié)構(gòu)的等比例試件試驗研究，首創(chuàng)了該裝配式預(yù)制結(jié)構(gòu)體系的接縫大樣及施工方法，并通過加載試驗論證了其接縫強度、抗?jié)B能力均滿足生產(chǎn)要求。試驗結(jié)果表明該施工方法，普遍適用于裝配式農(nóng)業(yè)建筑的施工作業(yè)。

1 試驗方案

本文設(shè)計出一種新型的裝配式預(yù)制結(jié)構(gòu)體系，該結(jié)構(gòu)體系由于一體化成型的構(gòu)件改變主體結(jié)構(gòu)的受力方式，在進行裝配式施工時，只依靠結(jié)構(gòu)主體自身即可對其上漏縫板等進行承托。通過對全裝配式豬舍的實際施工過程的模擬，提出一套完整的施工工藝流程。

1.1 試驗試件

本文試驗設(shè)計并制作了2 組裝配式預(yù)制結(jié)構(gòu)體系共10 個，包括U 型裝配式預(yù)制構(gòu)件和V 型裝配式預(yù)制構(gòu)件兩種形式的等比例試件，每結(jié)構(gòu)體系均由3 個預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)場拼裝完成。

其中U 型試件尺寸如圖1 所示。外形平面尺寸為3.0 m×3.28 m，高0.62 m，A-A 橫截面積為0.51 m2，體積為1.54 m3，單個構(gòu)件凈重3.93 t。表面做掃毛處理，以提高預(yù)制構(gòu)件與滿足使用工藝要求的金剛砂面層之間的粘結(jié)能力。

圖1 裝配式預(yù)制U 型試件Fig.1 Assembly type prefabricated U-shaped specimens

V 型試件尺寸板橫截面積為0.18如圖2。平面尺寸為3.0 m×6.0 m，高0.35 m，一組V 型糞溝凈重6.72 t。單個斜7 m2，單個斜板體積為1.12 m3，單個斜板凈重2.86 t；底板橫截面積為0.065 m2，體積為0.39 m3，凈重1.0 t。

圖2 裝配式預(yù)制V 型試件Fig.2 Assembled prefabricated V-shaped specimens

試驗中設(shè)計了兩種連接接口進行抗?jié)B試驗研究，即預(yù)留30 cm 的現(xiàn)澆接口及N 型（企口）連接接口。并參考裝配式建筑中的結(jié)構(gòu)防水的構(gòu)造措施預(yù)留N 型（企口）連接接口，預(yù)留灌漿空間為平面間距為2 cm。

1.2 加載裝置及方式

根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點，采用水箱加載分布荷載的方式近似等代正常使用狀態(tài)下的集中荷載。

加載圍護箱體用現(xiàn)場現(xiàn)有材料模板加工成2.5 m×2.5 m×1.0 m 的水箱，水箱周圈用木方+腳手架加固，內(nèi)鋪防水彩條布盛水。水箱制作及水箱布置如下3 圖所示。

圖3 裝配式預(yù)制結(jié)構(gòu)加載平面布置圖Fig.3 Loading layout of assembly prefabricated structures

設(shè)計加水深度為0.58 m，即面荷載約為5.7 kN/m2。U 型結(jié)構(gòu)體系（3×3 m）總加水量3.63 t、V型（3×6 m）總加水量7.26 t，均未包含水箱本身重量。

加載圍護箱體用現(xiàn)場現(xiàn)有材料模板加工成2.5 m×2.5 m×1.0 m 的水箱，水箱周圈用木方+腳手架加固，內(nèi)鋪防水彩條布盛水。

正常使用中，養(yǎng)殖場中3 m 長的結(jié)構(gòu)最大承受荷載達3 t。本次加載重量每3 m 一個水箱，重3.63 t，比滿載情況下多21%，因此本文試驗的加載重量達到使用要求，加載試驗參數(shù)如下表1。

試驗中的加載方式采用慢速、一次性加載，配重物料為水，市政自然水加水，虹吸原理卸載。

表1 加載試驗參數(shù)Table1 Loading test parameters

1.3 結(jié)構(gòu)變形量測方案

排污結(jié)構(gòu)體系的變形是反映農(nóng)牧建筑適用性和耐久性和工作狀態(tài)的重要特征。

本文試驗中墊層鋪設(shè)完成后，使用水準(zhǔn)儀及數(shù)顯坡度計復(fù)核墊層面標(biāo)高。監(jiān)測每根構(gòu)件4 個角部的支承點，試驗中共需60 個測點。其中，CD1 至CD6 分別沿預(yù)制構(gòu)件鋪裝方向，吊裝后復(fù)核測點布置如圖4。

由于V 型預(yù)制結(jié)構(gòu)底板調(diào)整空間較大，且斜板與底板連接時澆筑混凝土覆蓋底板，故安裝后標(biāo)高復(fù)核不考慮底板。

圖4 吊裝后復(fù)核測點平面圖Fig.4 Plans of measuring points after hoisting

2 施工模擬試驗

2.1 試件吊裝及復(fù)核

預(yù)制構(gòu)件在現(xiàn)場組裝時，吊裝裝配均通過構(gòu)件上的預(yù)制連接件控制定位，避免了因人而異的施工質(zhì)量隨機性，保證施工質(zhì)量。

吊裝拉應(yīng)力設(shè)計限值參考《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB506666－2011）[1]，并采用等代梁模型計算預(yù)制糞溝脫模、吊裝時的彎矩，考慮預(yù)制構(gòu)件在運輸與吊運，及翻轉(zhuǎn)與安裝中的動力系數(shù)分別取1.5 及1.2 計算[2]。

按照美國規(guī)范《PCI DESIGN HANDBOOK—Precast and Prestressed Concrete》[3]預(yù)制混凝土構(gòu)件的吊裝設(shè)計，起吊最小吊裝拉應(yīng)力按吊點處板面的負彎矩與吊點間正彎矩大致相同原則，每個吊環(huán)按兩個截面計算的吊環(huán)應(yīng)力≤65 MPa。

裝配式預(yù)制構(gòu)件呈平板構(gòu)件，故以重心位置對稱布置吊環(huán)，并按樓板吊環(huán)設(shè)計原則，其中裝配式預(yù)制U 型結(jié)構(gòu)試件為4 點起吊，V 型結(jié)構(gòu)的斜板試件及底板試件為6 點起吊。

圖5 試件起吊及吊裝完成Fig.5 Start and finish hoisting on the test-piece

2.2 預(yù)制構(gòu)件墊層找坡

預(yù)制構(gòu)件墊層找坡如下表2 所示：

表2 安裝方向縱向墊層找坡Table 2 Longitudinal cushion slope finding in installation direction

U 型結(jié)構(gòu)縱向安裝方向坡度0.3%，本試驗中，其水平投影長度為15.54 m，預(yù)制構(gòu)件頭尾兩端墊層面標(biāo)高相差46 mm，單個構(gòu)件兩端墊層面標(biāo)高相差僅9 mm。

V 型結(jié)構(gòu)縱向安裝方向坡度為0.6%，共5 組預(yù)制構(gòu)件，其中水平投影長度為30.54 m，預(yù)制構(gòu)件頭尾兩端墊層相差188 mm。

墊層找坡有利于減少墊塊使用數(shù)量及降低墊層找坡的難度。以V 型為例，預(yù)制結(jié)構(gòu)的縱向找坡按“基槽找坡、墊層找坡、墊塊找坡”的三步控制。使用水準(zhǔn)儀及標(biāo)尺現(xiàn)場實施監(jiān)控開挖深度或回填高度；基槽內(nèi)間隔2 m 打入短鋼筋，通過短鋼筋頂標(biāo)高控制墊層厚度。

2.3 坡度復(fù)核及平整度復(fù)核

V 型結(jié)構(gòu)，墊塊最厚為40 mm，平均厚度為19.4 mm。實際施工時，墊層完成后構(gòu)件吊裝前應(yīng)繪制墊塊布置平面圖，并于墊層處標(biāo)記墊塊位置及厚度。V 型結(jié)構(gòu)、U 型結(jié)構(gòu)坐漿前后沿縱、橫向的坡度分布比較圖分別如下圖5、圖6 所示。

圖6 V 型與U 型結(jié)構(gòu)坡度復(fù)核Fig.6 Check on slopes of V-shape and U-shape

最終試驗結(jié)果證明，U、V 型預(yù)制糞溝安裝方向的坡度分別為0.22%、0.62%，V 型預(yù)制糞溝橫向坡度為9.6%，表明裝配式結(jié)構(gòu)縱向坡度實現(xiàn)方式按前文所述的三步控制的施工方法可行。

在實際工程中，排污結(jié)構(gòu)為分組跌級斜面設(shè)計，最后通過普通砂漿找平設(shè)計標(biāo)高。即結(jié)構(gòu)離設(shè)計標(biāo)高最近頂點應(yīng)預(yù)留30 mm 安裝空間，相當(dāng)于墊層面完成標(biāo)高應(yīng)比設(shè)計墊層面標(biāo)高低30 mm。

結(jié)構(gòu)與墊層見的空隙采用坐漿填實施工，方法可行，但對坡度特別是V 型糞溝的橫向坡度影響較大。U 型結(jié)構(gòu)由于預(yù)留參觀，未安裝第四、五組的預(yù)制構(gòu)件。V 型預(yù)制糞溝坐漿前后的數(shù)據(jù)變化，坐漿前的坡度，坡度離散值精度更高，均優(yōu)于坐漿后的數(shù)據(jù)。建議實際施工采用塞漿施工方法。

針對以上坐漿施工方法的平整度進行復(fù)核比較，結(jié)構(gòu)如下圖7 和表3、表4 所示：

圖7 V 型結(jié)構(gòu)坐漿前后平整度復(fù)核Fig.7 Check on V-shaped structure flatness before and after pulping

表3 U 型預(yù)制糞溝坐漿前/后平整度復(fù)核/mmTable 3 Flatness check of U-shaped prefabricated fecal ditch before setting slurry

坐漿填實結(jié)構(gòu)與墊層間的空隙施工方法可行，但對坡度大特別是V 型結(jié)構(gòu)的橫向坡度影響較大。從圖9、表3，對比U 型、V 型預(yù)制糞溝坐漿前后的數(shù)據(jù)變化，坐漿前的坡度，坡度離散值精度更高，均優(yōu)于坐漿后的數(shù)據(jù)。實際施工中宜采用塞漿施工方法。

3 試驗結(jié)果及其分析

3.1 豎向抗壓試驗結(jié)果

本文中的加載試驗，比正常使用狀況下滿載的情況超載21%，緩慢加載，通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)在極限情況下結(jié)構(gòu)的最大沉降量，以分析研究滿載下接縫強度、抗?jié)B能力、結(jié)構(gòu)的整體性。

表4 U 型預(yù)制結(jié)構(gòu)加載前后沉降量Table 4 Settling amount before and after loading of U-shaped prefabricated structure

表5 V 型預(yù)制結(jié)構(gòu)加載前后沉降量Table 5 Settling amount before and after loading of V-shaped prefabricated structure

從表4、表5 監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得到，U 型預(yù)制結(jié)構(gòu)的沉降量較V 型的大，其中U 型最大沉降量達17 mm，V 型的最大沉降量只有8 mm。

U 型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻沉降，加載后U01 構(gòu)件CDA 一側(cè)甚至出現(xiàn)抬高的現(xiàn)象，且CDB 一側(cè)沉降量較多，達16、17 mm。同樣的，U05 構(gòu)件CDB 一側(cè)沉降量亦較多，達12 mm。U02、U03、U04構(gòu)件4 個角點沉降差異較大，無明顯規(guī)律。

由于試驗場地位于某攪拌站施工現(xiàn)場內(nèi)，加載階段，U 型結(jié)構(gòu)試件CDB 一側(cè)鉤機臨邊開挖路基，與試驗地基標(biāo)高形成約40～50 cm 高差。同時，存在壓路機、鉤機等機器振動及施工人員擾動影響。

V 型結(jié)構(gòu)沉降量較小，未出現(xiàn)不均勻沉降。V 型結(jié)構(gòu)最大沉降量為8 mm，出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的中部。各預(yù)制構(gòu)件沉降量較平均，為5～8 mm 范圍內(nèi)，離散度低，呈現(xiàn)出良好的整體性。

由于U 型與V 型結(jié)構(gòu)本身所處試驗場地地基基本一致，試驗荷載一致，施工工藝及質(zhì)量基本相同，但U 型結(jié)構(gòu)受施工擾動較大。故V 型試件沉降量可作為裝配式試件加載沉降依據(jù)。

在加載過程中、加載穩(wěn)定后，結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身未出現(xiàn)受力裂縫，表明這兩種裝配式構(gòu)件均滿足正常使用荷載要求。在超載21%的使用狀態(tài)下，V 型結(jié)構(gòu)沉降量較小且均勻沉降、構(gòu)件接口未出現(xiàn)破壞性裂縫，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)優(yōu)良的整體性。

3.2 接縫抗?jié)B試驗結(jié)果及其分析

由于加載彩條布不完全密封，致使結(jié)構(gòu)表面上長期積水，利用積水模擬結(jié)構(gòu)表面在正常使用狀態(tài)下長期浸泡的工況，如圖8 所示。

圖8 接口澆筑完成照片F(xiàn)ig.8 Interface pouring completed photos

通過試驗觀測可得，在長期積水狀態(tài)下，接縫側(cè)及墊層面未見壁板及底板外側(cè)濕潤或墊層積水，僅接口墊層面積壁板外側(cè)有濕潤，30 cm 現(xiàn)澆接口抗?jié)B性能可靠。

其中，N 型接口出現(xiàn)少了細微裂縫，分析其原因：一是N 型接口接縫使用防水砂漿，砂漿收縮較大；二是接口與壁板分別交到不同標(biāo)號材料，三是存在新舊混凝土交界面的抗?jié)B處理問題。

對于試驗中出現(xiàn)的滲漏和收縮裂縫問題，可通過干硬性無收縮砂漿，預(yù)制構(gòu)件做掃毛處理涂刷新舊混凝土界面劑，考慮使用裝配式建筑外墻面接縫膠等方式改進。

4 裝配式預(yù)制結(jié)構(gòu)施工的經(jīng)濟指標(biāo)

4.1 經(jīng)濟性分析比較

通過現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)使用裝配式預(yù)制U 型結(jié)構(gòu)或V 型結(jié)構(gòu)的施工效率及成本對比分析，不考慮場內(nèi)過道、養(yǎng)殖場圍護建筑的基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)、屋面或裝修等施工，僅比較該結(jié)構(gòu)本身與傳統(tǒng)砌筑的施工方式，可以發(fā)現(xiàn)，裝配式預(yù)制糞溝施工直接費高于傳統(tǒng)現(xiàn)澆，其中U型結(jié)構(gòu)每米直接費較傳統(tǒng)施工高25.6%、V 型結(jié)構(gòu)則高11.9%。由于主材費用較高（約占施工費38%），在生產(chǎn)建設(shè)中可通過增長預(yù)制構(gòu)件長度，減少構(gòu)件數(shù)量，以及按平板構(gòu)件生產(chǎn)現(xiàn)場拼裝的形式實現(xiàn)運輸效率的提高，降低施工直接費。

4.2 施工工期比較

該全裝配式豬舍為例，與傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工方式對比，采用預(yù)制裝配式建筑技術(shù)能有效地減少了現(xiàn)場施工作業(yè)和施工時間，特別是極大地縮短了等待現(xiàn)澆混凝土達到要求強度所需的時間，可節(jié)省約50%工期；同時省去了現(xiàn)場支模、扎筋、抹灰、腳手架、貼磚等手工勞作繁重的工作，可降低勞動力成本，裝配式建造的成本效益明顯，建設(shè)環(huán)境尚滿足綠色、環(huán)保、節(jié)能的生產(chǎn)建設(shè)要求。

5 結(jié)論

當(dāng)前我國工業(yè)化建設(shè)正高速發(fā)展，農(nóng)業(yè)建筑中的裝配式技術(shù)是建筑工業(yè)化進程中的重要環(huán)節(jié)，但仍然存在如建設(shè)成本居高不下、連接方式不可靠性、各結(jié)構(gòu)體系間不兼容等諸多技術(shù)問題。

本文通過對全裝配式農(nóng)業(yè)建筑中的異型結(jié)構(gòu)試驗研究，可以得到以下主要結(jié)論：

（1）本文提出的結(jié)構(gòu)體系生產(chǎn)建設(shè)成本低，填補了農(nóng)業(yè)建筑裝配式施工的空白，具有推廣意義；

（2）試驗中的裝配式農(nóng)業(yè)建筑的接縫施工工藝，試驗結(jié)果顯示，30 cm 現(xiàn)澆接縫于試驗現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)滲流，有較好的抗?jié)B能力；N 型接口有滲流現(xiàn)象，但未出現(xiàn)通縫，滲流量小，后續(xù)可進一步開展研究試驗以提升工藝；

（3）該預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的接縫強度、抗?jié)B能力及整體性均滿足生產(chǎn)使用要求。隨著新材料和新技術(shù)不斷引入建筑工業(yè)化領(lǐng)域，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展也將不斷迎來新的機遇，不斷推動工業(yè)化建筑進程；

（4）本文試驗論證了本裝配式結(jié)構(gòu)研究小組申報的實用新型專利《一種“凵”型裝配式預(yù)制糞溝》及《一種“V”型裝配式預(yù)制糞溝》的施工可行性、使用可靠度，是另一項發(fā)明專利《一種全裝配式豬舍》（專利號：ZL201710737071.3）的前置工作。