預制混凝土構件新型連接體系開發(fā)與工程應用

楊佳林

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 上海超高層建筑智能建造技術研究中心 上海 200080

建筑業(yè)作為我國重要的物質生產行業(yè)，對國民經濟的支撐作用越來越明顯。2019年，建筑業(yè)對國民生產總值的貢獻度達到了7.95%，未來建筑業(yè)對國民經濟的拉動作用將更加顯著[1]。

綠色化、工業(yè)化和數字化是當前世界各國建筑形式發(fā)展的主要方向，而其中綠色化建筑發(fā)展可有效解決目前我國城鎮(zhèn)化加快進程中所帶來的能源資源與生態(tài)環(huán)境問題，已越來越得到社會的廣泛關注[2]。政府相關部門也發(fā)布了相關指導性文件和發(fā)展規(guī)劃，要求2020年城鎮(zhèn)綠色建筑面積占新建建筑面積的比例達到50%以上。

建筑圍護結構作為直接與外界環(huán)境接觸的部分，其能耗損失占建筑物總能耗的70%～80%，因此建筑節(jié)能的重點是外圍護結構[3-4]。一般而言，建筑外墻與建筑陽臺的面積之和占到了建筑圍護結構總面積的90%以上[5]，故其節(jié)能保溫效果將直接影響整個建筑物的節(jié)能水平。目前國內建造的綠色建筑工程中，節(jié)能保溫外墻及其陽臺大都采用國外技術產品，價格高昂，且存在與國內建造體系適應性差等問題[6]。國內一些研究機構雖然也開發(fā)出一些同類技術產品，但普遍存在耐腐蝕性和耐久性差、力學性能較低的問題，難以滿足現場施工的要求。針對上述問題，本項目團隊設計研發(fā)了預制混凝土構件新型連接體系，包括預制混凝土外墻連接體系和預制混凝土陽臺連接體系2種。

1 預制混凝土外墻連接體系

本項目研發(fā)的新型預制混凝土外墻連接體系由鋼-纖維組合連接器和節(jié)能型預制外墻掛板2種部件組成，下面分別對2種部件進行介紹。

1.1 節(jié)能型預制外墻掛板

本項目研發(fā)的節(jié)能型預制外墻掛板（圖1）由內層鋼筋混凝土板、外層鋼筋混凝土板、保溫材料層以及阻熱連接筋組成。其中保溫材料層夾設于內、外層鋼筋混凝土板之間，保溫材料層包括有機保溫（EPS或XPS材料）部分以及繞設于有機保溫（保溫砂漿、膨脹珍珠巖或波化微珠）部分四周的無機保溫部分，無機保溫部分的設置寬度為100～200 mm，有機保溫部分占保溫材料層的大部分區(qū)域，保溫材料層的厚度為30～50 mm；阻熱連接筋穿經保溫材料層且兩端分別與內、外層鋼筋混凝土板內的鋼筋固定連接，其在墻板中呈現梅花形布置，布置間距為300～500 mm；內、外層鋼筋混凝土板厚度均為50～60 mm，板內分別設有由縱向分布鋼筋和橫向分布鋼筋縱橫交錯設置形成的單層網格鋼筋網。

圖1 節(jié)能型預制外墻掛板示意

內層鋼筋混凝土板和外層鋼筋混凝土板的上、下兩邊分別設置用于與建筑主體結構連接的限位預埋件，位于上邊的限位預埋件與建筑主體結構采用焊接連接，位于下邊的限位預埋件采用柔性螺栓與建筑主體結構連接；在節(jié)能型預制外墻掛板連接施工時，相鄰墻板的對接端面分別設有1層水泥漿薄層，2個水泥漿薄層之間填充防水密封材料層（圖2）。研發(fā)的外墻掛板具有輕質和保溫性能好的優(yōu)點，并且能夠避免火災時火焰和高溫煙氣經由板縫進入外墻掛板內部所引發(fā)的安全隱患。

圖2 外墻掛板連接處構造示意

1.2 鋼-纖維塑料組合連接器

本項目研發(fā)的鋼-纖維塑料組合連接器（圖3）由柱狀連接體、連接底座與連接帽等部分組成。連接底座與連接帽分別固定連接于柱狀連接體兩端；柱狀連接體（圖4）包括金屬柱、包裹于金屬柱外的纖維布以及沿金屬柱軸向纏繞于纖維布上的纖維束；連接底座包括金屬底座體與若干金屬肋角，金屬肋角間隔分布于金屬底座體的側表面；連接帽包括金屬帽體、金屬插筋以及塑料帽套，金屬插筋橫向穿經金屬帽體且金屬插筋的兩端分別向金屬帽體的兩側伸出，塑料帽套包裹于金屬帽體與金屬插筋的外露部分。

連接器纖維布為碳纖維布或玄武巖纖維布，纖維束為碳纖維或玄武巖纖維束，纖維束沿與金屬柱軸向成30°～45°角環(huán)向纏繞于纖維布的外側；金屬帽體為頂端封閉、底端開口的空心圓柱體，其兩側開設有與金屬插筋相匹配的圓孔，金屬插筋經圓孔穿設于金屬帽體中；連接底座為頂端開口、下端由外凸錐面封閉的筒狀體，連接底座的外側對稱焊接1組或2組金屬肋角，金屬肋角為直角三角形，其一條直角邊緊貼筒狀體的側面設置，其斜邊與筒狀體的軸向的夾角為30°；連接底座與連接帽分別以螺紋形式連接于柱狀連接體的兩端，柱狀連接體的金屬柱的兩端分別設有外螺紋，連接底座與連接帽分別設有與外螺紋相匹配的內螺紋。研發(fā)的連接器（圖5）具有抗剪強度高、加工成本低、耐火性能強、導熱系數低、安裝便捷等優(yōu)點。

圖3 鋼-纖維塑料組合連接器構造示意

圖4 柱狀連接體構造示意

2 斷熱型預制裝配式陽臺體系

建筑物通過陽臺與外界傳遞的熱量占建筑物總耗散熱量的20%以上[4]，如何有效減少建筑物陽臺與主體結構連接的熱傳遞，避免其連接部位出現冷熱橋效應，是我國建筑節(jié)能所面臨的一項關鍵技術問題。針對上述問題，本項目組設計研發(fā)了斷熱型預制裝配式陽臺。

斷熱型預制裝配式陽臺（圖6）體系由預制陽臺板、無機泡沫混凝土斷熱層以及若干連接鋼筋組成，連接鋼筋的根部間隔埋設于預制陽臺板內部，連接鋼筋的端部暴露在預制陽臺板之外，連接鋼筋的端部由纖維布包裹覆蓋；金屬合金連接體的根部間隔埋設于預制陽臺板內部，金屬合金連接體的端部暴露在預制陽臺板之外。

圖5 連接器在墻體結構中的布置

圖6 斷熱型預制裝配式陽臺體系

連接鋼筋（圖7）的纖維布經環(huán)氧樹脂液浸漬，纖維布外纏繞浸漬過環(huán)氧樹脂的纖維繩，纖維繩沿連接鋼筋的端部軸向呈60°角環(huán)向纏繞；連接鋼筋的端部表面還涂抹環(huán)氧樹脂層，環(huán)氧樹脂層設置在連接鋼筋的端部表面與纖維布之間；金屬合金連接體側面的截面為平行四邊形，正面的截面為梯形；合金連接體側面的截面所形成的平行四邊形的一個角的角度為45°～60°，金屬合金連接體正面的截面所形成的梯形的較長底邊的長度為4～6 mm，相鄰的金屬合金連接體的間距為200～400 mm。

無機泡沫混凝土斷熱層（圖8）的外側與預制陽臺板的內側澆筑連接，連接鋼筋穿過斷熱層，露出連接鋼筋的端部，金屬合金連接體穿過斷熱層，露出金屬合金連接體的端部；斷熱層為無機泡沫混凝土隔熱材料，厚度為50～100 mm；現澆混凝土樓板的外側通過連接鋼筋的端部以及金屬合金連接體的端部與斷熱層的內側澆筑連接，斷熱型預制裝配式陽臺與混凝土外墻澆筑在一起，斷熱層澆筑于混凝土外墻的上端。

圖7 連接鋼筋構造

圖8 無機泡沫混凝土斷熱層布置

本項目研發(fā)的斷熱型預制裝配式陽臺避免了在現場澆筑過程中連接鋼筋與現澆混凝土的直接接觸，從而顯著提高了斷熱型預制裝配式陽臺的隔熱效果。

3 預制混凝土構件連接體系施工工藝

3.1 預制混凝土外墻連接體系

預制節(jié)能型預制外墻掛板的生產工藝如下：

1）外墻掛板底模涂刷脫模劑，安裝外墻掛板安裝邊模，在掛板邊模架內鋪設外層鋼筋混凝土板外裝飾面層。

2）在外裝飾面層上部布設外層鋼筋混凝土板的單層雙向鋼筋網，外層鋼筋混凝土板的單層雙向鋼筋網由外層縱向分布鋼筋和外層橫向分布鋼筋縱橫交錯設置而成，并澆筑外層鋼筋混凝土板。

3）澆筑完成外層鋼筋混凝土板后，待混凝土未初凝前鋪設保溫材料層（分為無機保溫層和有機保溫層），將鋼-纖維塑料組合連接器的一端按照矩陣形或梅花形分布方式布置于保溫層內。

4）在保溫材料層上方布設內層鋼筋混凝土板的單層雙向鋼筋網，單層雙向鋼筋網由內層縱向分布鋼筋和內層橫向分布鋼筋交錯縱橫布置而成，最后澆筑內層鋼筋混凝土板，完成預制節(jié)能型預制外墻掛板的生產。

預制節(jié)能型預制外墻掛板的施工包括掛板的吊裝就位、臨時固定、校正誤差、現澆連接點等關鍵步驟，具體施工工藝如下：

1）起吊時采用豎立靠放放置，保證外飾面朝外，用以防止外飾面損壞；通過四點平行起吊提升至一定高度后，緩慢下降吊索，直至預制板呈垂直狀態(tài)，卸下下方吊具和輔助吊索，裝上纜風繩。

2）通過在現澆樓板上彈出的基準線配合下層施工完畢的預制外墻板及斜撐，對預制板進行支撐微調校正就位。

3）在預制板調整到位后進行預制板背面的牛腿焊接，通過校正后產生的空隙要墊實，墊片采用厚1～3 mm薄鋼板，最終完成外墻掛板的安裝。

3.2 斷熱型預制裝配式陽臺體系

斷熱型預制裝配式陽臺體系的施工工藝如下：

1）將若干連接鋼筋以及若干金屬合金連接體按照設計間距布置于模板中，澆筑預制陽臺板以及斷熱層，使其一次成型，并露出連接鋼筋的端部以及金屬合金連接體的端部，運至施工現場。

2）用砂紙除去連接鋼筋端部表面的銹污，并用紗布沾丙酮清洗干凈，在連接鋼筋的端部表面涂抹環(huán)氧樹脂，形成環(huán)氧樹脂層。

3）將浸漬環(huán)氧樹脂的纖維布包裹住連接鋼筋的端部，沿連接鋼筋的端部軸向去除多余的環(huán)氧樹脂，并在纖維布外纏繞浸漬過環(huán)氧樹脂的纖維繩。

4）在環(huán)氧樹脂固化后，將現澆混凝土樓板的外側，通過連接鋼筋的端部以及金屬合金連接體的端部與斷熱層的內側澆筑連接。

4 結語

在國內綠色化建筑大規(guī)模建設的過程中，針對目前預制構件連接體系造價高、力學性能低、保溫及耐久性差等問題，研究了預制混凝土構件新型連接體系，包括預制混凝土外墻連接體系和預制混凝土陽臺連接體系2種。其中，外墻掛板具有輕質和保溫性能好的優(yōu)點，并且能夠避免因火災時火焰和高溫煙氣經由板縫進入外墻掛板內部所引發(fā)的安全隱患；斷熱型預制裝配式陽臺，避免了在現場澆筑過程中連接鋼筋與現澆混凝土的直接接觸，從而顯著提高了斷熱型預制裝配式陽臺的隔熱效果。預制混凝土結構構件新型連接體系顯示出良好的應用前景，也為今后國內綠色建筑節(jié)能預制構件的研發(fā)與應用提供了借鑒。