基于超高性能混凝土連接的裝配式框架結(jié)構(gòu)體系

張潔龍

上海建工房產(chǎn)有限公司 上海 200080

裝配式結(jié)構(gòu)是建筑工業(yè)化發(fā)展的主要結(jié)構(gòu)形式之一，在推廣和運(yùn)用裝配式建筑的同時(shí)也必須認(rèn)識(shí)到目前我國(guó)在裝配式施工技術(shù)方面仍然有較大的提升空間[1-2]。裝配式框架結(jié)構(gòu)主要由預(yù)制柱、預(yù)制梁和疊合樓板裝配而成，其關(guān)鍵技術(shù)在于預(yù)制構(gòu)件間的有效連接。現(xiàn)有規(guī)范一般采用梁柱節(jié)點(diǎn)處現(xiàn)澆連接和柱底采用鋼筋套筒連接的形式。但從實(shí)踐應(yīng)用看，存在一定的缺陷：梁柱節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)施工質(zhì)量難以保證、套筒灌漿管理難度高、安裝效率低等，在一定程度上制約了裝配式框架結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

超高性能混凝土（UHPC）以水泥基材料和RPC高強(qiáng)混凝土制備原理為基礎(chǔ)研發(fā)而成，抗壓強(qiáng)度通常在120 MPa以上，極限拉伸變形大于0.2%，類似金屬變形性能，在鋼筋連接技術(shù)上具有短連接的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

基于裝配式框架存在的問題和UHPC的技術(shù)特性，研究出一種基于超高性能混凝土連接的新型裝配式框架結(jié)構(gòu)體系（PCUS）[3]。PCUS體系有2個(gè)特點(diǎn)：梁柱節(jié)點(diǎn)采用預(yù)制構(gòu)件；梁梁節(jié)點(diǎn)和柱節(jié)點(diǎn)連接是基于UHPC材料的后澆節(jié)點(diǎn)（圖1）。

圖1 UHPC材料及連接

課題組針對(duì)鋼筋與UHPC黏結(jié)性能、梁受彎性能、柱抗震性能、梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能等進(jìn)行了大量基礎(chǔ)試驗(yàn)，試驗(yàn)證明：鋼筋搭接長(zhǎng)度為鋼筋直徑的10倍時(shí)，節(jié)點(diǎn)連接的力學(xué)性能均滿足規(guī)范要求，等同現(xiàn)澆構(gòu)件；PCUS體系具有形式靈活、施工高效、結(jié)構(gòu)可靠等優(yōu)點(diǎn)（圖2）。

圖2 PCUS體系試驗(yàn)研究

為了推進(jìn)PCUS體系的工程應(yīng)用，依托上海金山海玥瀜庭項(xiàng)目的物業(yè)辦公樓進(jìn)行示范項(xiàng)目應(yīng)用，進(jìn)一步論證PCUS體系的結(jié)構(gòu)安全性與施工操作可行性，為今后PCUS體系的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 工程概況及設(shè)計(jì)

上海金山海玥瀜庭項(xiàng)目的物業(yè)辦公樓（30#樓）位于上海市金山區(qū)楓涇古鎮(zhèn)內(nèi)，建筑面積1 154.93 m2，分為一層、二層及悶頂層（不利用），其中一層建筑面積589.62 m2，二層建筑面積565.31 m2（圖3）。30#樓采用裝配整體式框架結(jié)構(gòu)，單體預(yù)制率為≥45%，預(yù)制構(gòu)件范圍為1～2層，主要構(gòu)件類型為預(yù)制柱、預(yù)制梁、疊合預(yù)制板。結(jié)構(gòu)體系采用PCUS體系，梁梁節(jié)點(diǎn)和柱節(jié)點(diǎn)采用UHPC短連接技術(shù)（圖4）。

圖3 工程效果示意

圖4 PCUS結(jié)構(gòu)體系

1.1 預(yù)制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

梁柱節(jié)點(diǎn)采用預(yù)制工藝，梁從柱端伸出1～1.5倍梁高，鋼筋預(yù)留長(zhǎng)度為10倍鋼筋直徑。預(yù)制柱內(nèi)縱筋穿過預(yù)制梁柱節(jié)點(diǎn)預(yù)留的螺紋對(duì)穿孔后，注漿封閉。柱縱筋直徑均為25 mm，選用螺紋孔直徑為40 mm。通過預(yù)埋在預(yù)制柱里直徑為50 mm的灌漿口進(jìn)行灌漿料灌漿，形成整體（圖5）。

1.2 梁梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

梁梁節(jié)點(diǎn)鋼筋使用搭接連接的方式，連接的搭接長(zhǎng)度為10倍鋼筋直徑。澆筑材料使用UHPC，以保證裝配式節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)具有相當(dāng)?shù)目拐鹉芰?。梁縱筋鋼筋為20 mm，梁與梁鋼筋搭接10倍鋼筋直徑，考慮兩端各10 mm的安裝誤差，梁與梁間距為220 mm。節(jié)點(diǎn)預(yù)制和梁端連接的設(shè)計(jì)，可以使節(jié)點(diǎn)在受力破壞時(shí)首先在梁端形成塑性鉸，符合“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)思路（圖6）。

圖5 節(jié)點(diǎn)預(yù)制及連接

圖6 梁梁節(jié)點(diǎn)采用UHPC短連接

1.3 柱柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

柱子縱筋采用UHPC短連接技術(shù)，鋼筋搭接采用10倍鋼筋直徑（250 mm），考慮10 mm的安裝誤差，預(yù)制柱距底部間距為260 mm。通過預(yù)埋在上層柱子里的10#工字鋼支撐在下層柱子上，完成豎直方向的定位；同時(shí)靠?jī)蓚?cè)斜撐桿件支撐柱體，完成水平方向的定位（圖7）。

圖7 柱柱節(jié)點(diǎn)

2 PCUS現(xiàn)場(chǎng)壓載試驗(yàn)

為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)整體剛度和強(qiáng)度，在地面進(jìn)行1∶1模型荷載試驗(yàn)。通過現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)，檢驗(yàn)預(yù)制現(xiàn)澆整體梁、板構(gòu)件的豎向變形和受力性能，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性。依據(jù)設(shè)計(jì)資料，結(jié)構(gòu)自重梁板的均布荷載為6.20 kN/m2，附加恒荷載為2.55 kN/m2，樓面活荷載為2.50 kN/m2。使用模擬均布荷載進(jìn)行檢驗(yàn)，適用性采用正常使用短期荷載檢驗(yàn)值11.25 kN/m2為標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)。安全性檢測(cè)采用承載力檢驗(yàn)荷載設(shè)計(jì)值18.38 kN/m2為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)荷載分為九級(jí)加載，分三級(jí)荷載卸載（圖8）。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)壓載試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用沙袋作為配重進(jìn)行加載模擬。試驗(yàn)采用DH3816N靜態(tài)應(yīng)變采集儀進(jìn)行撓度和應(yīng)變數(shù)據(jù)采集，采用F130手持式裂縫觀測(cè)儀進(jìn)行裂縫量測(cè)。加載試驗(yàn)于2019年7月14日下午19：20開始進(jìn)行，歷經(jīng)72 h完成分級(jí)加載、觀測(cè)記錄、分級(jí)卸載等過程，于2019年7月17日19：20結(jié)束。

本次現(xiàn)場(chǎng)壓載試驗(yàn)得到以下結(jié)論：

1）未出現(xiàn)撓度超限、裂縫寬度超限和受壓區(qū)混凝土開裂、破碎現(xiàn)象，因此試驗(yàn)結(jié)構(gòu)承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

2）在最大荷載作用下，主梁最大撓度短期值為12.19 mm，小于根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB/T 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算的限值20.50 mm，表明主梁剛度足夠。

3）荷載-撓度實(shí)測(cè)曲線整體趨勢(shì)接近直線，試驗(yàn)構(gòu)件基本處于彈性工作狀態(tài)，表明結(jié)構(gòu)具有較大的安全儲(chǔ)備和良好的工作性能。

3 PCUS體系施工

PCUS體系施工主要包括預(yù)制柱、預(yù)制節(jié)點(diǎn)、預(yù)制梁、節(jié)點(diǎn)處現(xiàn)澆的施工。通過技術(shù)措施，可實(shí)現(xiàn)無排架施工（圖9）。

圖9 PCUS施工技術(shù)

3.1 預(yù)制柱施工工藝

預(yù)制柱通過預(yù)埋在上層柱子的10#工字鋼支撐在下層柱子上，完成豎直方向的定位。預(yù)制柱臨時(shí)支撐采用2根以上斜撐桿件，待柱體下方灌漿料達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行拆除（圖10）。

圖10 預(yù)制柱定位與支撐

預(yù)制混凝土柱后澆段通過定型化鋼模進(jìn)行封閉澆筑，定型化鋼模板由預(yù)制鋼模板和緊固件、預(yù)制鋼模板組成。通過漏斗向支撐裝置，即預(yù)制混凝土柱的后澆段區(qū)域澆筑UHPC，并進(jìn)行振搗。通常分2次進(jìn)行后澆段UHPC澆筑和振搗，如此可以確保混凝土后澆段質(zhì)量。待開口處被UHPC填滿時(shí)，向開口處插入封口板，完成預(yù)制混凝土柱的后澆段施工（圖11）。

圖11 定型化鋼模與澆筑質(zhì)量

3.2 預(yù)制節(jié)點(diǎn)施工工藝

首先在柱頂進(jìn)行坐漿施工，厚度為2 cm，進(jìn)行預(yù)制節(jié)點(diǎn)吊裝，預(yù)制柱內(nèi)縱筋穿過預(yù)制節(jié)點(diǎn)預(yù)留的螺紋對(duì)穿孔。預(yù)制節(jié)點(diǎn)的臨時(shí)固定通過預(yù)制柱梁節(jié)點(diǎn)擱置于柱上，并采用專用調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)。灌漿梁從上面注漿孔注漿，從對(duì)穿孔溢出（圖12）。

圖12 預(yù)制節(jié)點(diǎn)安裝與斜撐

3.3 預(yù)制梁施工工藝

預(yù)制梁擱置于獨(dú)立支撐上，采用頂托調(diào)節(jié)標(biāo)高。

預(yù)制梁與預(yù)制節(jié)點(diǎn)鋼筋進(jìn)行搭接，采用定型化鋼模連接。通過安全計(jì)算，定型化鋼?？蓾M足預(yù)制梁臨時(shí)固定的受力工況要求，如圖13所示。

圖13 預(yù)制梁定型化鋼模與獨(dú)立支撐

UHPC采用立軸行星式強(qiáng)制攪拌機(jī)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行攪拌。攪拌設(shè)備在接料前清洗干凈并不得存有積水，采用小型自卸式翻斗車運(yùn)輸。按照攪拌設(shè)備的布置位置考慮，澆筑時(shí)采用細(xì)石混凝土泵或漏斗將UHPC入模，如圖14、圖15所示。

圖14 UHPC攪拌機(jī)及測(cè)試

圖15 UHPC澆筑質(zhì)量

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過使用UHPC預(yù)制構(gòu)件安裝體系取代傳統(tǒng)裝配式框架構(gòu)件連接方式，節(jié)約了施工排架用量、灌漿套筒材料及人工費(fèi)等，可節(jié)約直接成本約39%。同時(shí)提高了連接質(zhì)量，降低了結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)，施工進(jìn)度由標(biāo)準(zhǔn)層施工10 d縮短為5 d。

5 結(jié)語

依托上海金山海玥瀜庭項(xiàng)目物業(yè)辦公樓，將前期研發(fā)的基于UHPC材料連接的新型裝配式框架體系進(jìn)行了示范工程應(yīng)用。首先進(jìn)行了PCUS關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)壓載試驗(yàn)的論證，然后在示范項(xiàng)目中進(jìn)行了施工可行性的驗(yàn)證。得出以下結(jié)論：

1）PCUS體系主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)是節(jié)點(diǎn)預(yù)制和基于UHPC材料的鋼筋短連接技術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單快捷。

2）現(xiàn)場(chǎng)壓載試驗(yàn)論證了PCUS體系在設(shè)計(jì)荷載下仍具有較大的安全儲(chǔ)備和良好的工作性能。

3）PCUS體系采用一定的技術(shù)措施可實(shí)現(xiàn)無排架施工，同時(shí)研發(fā)了一系列施工專用機(jī)具。

4）與傳統(tǒng)裝配體系相比，PCUS體系在工程造價(jià)與進(jìn)度方面都具有較大的優(yōu)勢(shì)。