裝配式混凝土構(gòu)筑物的應(yīng)用研究

姜 濤

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司 上海 200092)

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是在現(xiàn)場(chǎng)拼裝預(yù)制混凝土構(gòu)件形成的結(jié)構(gòu)體系。相比現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu),它具有構(gòu)件質(zhì)量好、現(xiàn)場(chǎng)施工快、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn),是近年來(lái)國(guó)家大力推行的結(jié)構(gòu)形式。

我國(guó)最早的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)于上世紀(jì)五十年代,用于單層工業(yè)廠房,隨后在民建領(lǐng)域也取得了較快發(fā)展。唐山大地震后,震毀嚴(yán)重的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)引起了人們的擔(dān)憂,應(yīng)用大為減少。隨著技術(shù)的發(fā)展,尤其是借鑒美、日地震區(qū)的成功經(jīng)驗(yàn),裝配式混凝土結(jié)構(gòu)重新成為我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)。目前我國(guó)的裝配式結(jié)構(gòu)主要用于住宅等建筑物,裝配式構(gòu)筑物仍未得到廣泛使用。本文對(duì)其進(jìn)行研究,希望為裝配式構(gòu)筑物的推廣提供些許幫助。

1 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的建造過(guò)程為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工業(yè)化生產(chǎn)、構(gòu)件運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)拼裝。相比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下方面:

(1)構(gòu)件采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),可以進(jìn)行工業(yè)化流水制作,生產(chǎn)效率大幅提高,構(gòu)件尺寸精準(zhǔn),澆筑質(zhì)量?jī)?yōu)異。

(2)裝配式結(jié)構(gòu)的模塊化,有助于生產(chǎn)設(shè)備和模具的重復(fù)使用,實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益,降低建造成本。

(3)裝配式結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)安裝速度快、操作面小,大幅減少現(xiàn)澆混凝土,節(jié)約模板和人力,降低環(huán)境污染。

2 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念和關(guān)鍵技術(shù)

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是建造裝配式混凝土結(jié)構(gòu)最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。相比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),它對(duì)結(jié)構(gòu)規(guī)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(zhǎng)寬比和局部突出不宜過(guò)大,豎向構(gòu)件上下對(duì)齊且不宜突變等。裝配式混凝土設(shè)計(jì)需要考慮的主要內(nèi)容包括:標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件和連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析、生產(chǎn)模具的重復(fù)利用和施工臨時(shí)措施等。

在進(jìn)行裝配式結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化拆分時(shí),應(yīng)遵循規(guī)格少、組合多的原則,即通過(guò)少量標(biāo)準(zhǔn)模塊的多種組合來(lái)實(shí)現(xiàn)不同功能。標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)需要考慮構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)及整體受力的合理性,標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的適用性,運(yùn)輸及施工的便利性等。

現(xiàn)階段的主流設(shè)計(jì)理念是將裝配式結(jié)構(gòu)等同現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,以防止計(jì)算方法過(guò)于復(fù)雜,難以推廣應(yīng)用。這需要在預(yù)制構(gòu)件之間、預(yù)制與現(xiàn)澆構(gòu)件之間的連接處采取可靠措施保證節(jié)點(diǎn)的承載力、剛度和延性等,使其不低于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的相應(yīng)性能,并注意驗(yàn)算施工工況。為滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念,連接節(jié)點(diǎn)的受力性能也不得低于標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件?？紤]到連接節(jié)點(diǎn)施工難度大,容易成為薄弱環(huán)節(jié)。所以在保證結(jié)構(gòu)性能的前提下,節(jié)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)盡量減少,節(jié)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)力求簡(jiǎn)單易行和傳力明確。同時(shí)為了使連接節(jié)點(diǎn)的耐久性滿足設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的常見(jiàn)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(gòu)件結(jié)合處鋼筋連接后,澆筑混凝土形成的連接。它具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,施工可靠等優(yōu)點(diǎn),但現(xiàn)場(chǎng)工作量大,施工速度慢。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其鋼筋連接方式、后澆混凝土性能等進(jìn)行了研究,提出了埋設(shè)型鋼、采用高性能纖維增強(qiáng)混凝土等改進(jìn)措施,可以極大的提高節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。灌漿連接是指在構(gòu)件端部套筒內(nèi)灌注漿液,粘結(jié)鋼筋實(shí)現(xiàn)的連接。它具有性能可靠、適用性廣等優(yōu)點(diǎn),但對(duì)灌漿質(zhì)量要求很高。灌漿套筒與鋼筋通過(guò)灌漿料的粘結(jié)作用進(jìn)行傳力[2]。灌漿料是以水泥為基礎(chǔ)材料,添加細(xì)骨料和外加劑而成,要求具有非常好的自流性、高強(qiáng)性和微膨脹性。螺栓連接是通過(guò)構(gòu)件端部螺栓緊固實(shí)現(xiàn)的連接。它具有操作簡(jiǎn)單,安裝快等優(yōu)點(diǎn),但對(duì)生產(chǎn)和施工精度要求很高。連接件焊接是通過(guò)構(gòu)件端部預(yù)埋鋼板焊接實(shí)現(xiàn)的連接。它具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn),但現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量大,質(zhì)量難以保證,且焊接高溫容易對(duì)構(gòu)件造成損傷。后張預(yù)應(yīng)力連接是通過(guò)構(gòu)件內(nèi)埋設(shè)預(yù)應(yīng)力筋導(dǎo)管,現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋張拉擠壓形成的連接[3]。它具有承載力高,恢復(fù)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但耗能能力不足。榫槽連接是將構(gòu)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(yōu)點(diǎn),但抗拉、抗彎性能較差。以上連接方式都有各自特點(diǎn),適用于不同的場(chǎng)景,也與現(xiàn)階段相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)息息相關(guān)。隨著技術(shù)、材料的進(jìn)步,試驗(yàn)數(shù)據(jù)的完善,這些連接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用范圍會(huì)逐步擴(kuò)大,新型連接節(jié)點(diǎn)也將不斷出現(xiàn)。

3 裝配式混凝土構(gòu)筑物的應(yīng)用研究

在前文分析的基礎(chǔ)上,以下就裝配式構(gòu)筑物的具體應(yīng)用進(jìn)行分析。常見(jiàn)的構(gòu)筑物有圓形和矩形兩種。為保證構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的整體性,底板宜采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。若遇巖石等優(yōu)良地基,也可采用裝配式混凝土底板,基底設(shè)置滑動(dòng)層,通過(guò)后張預(yù)應(yīng)力提高整體性。

圓形裝配式構(gòu)筑物壁板的標(biāo)準(zhǔn)形式一般為圓殼片,通過(guò)杯口與現(xiàn)澆底板連接。按《給水排水工程預(yù)應(yīng)力混凝土圓形水池結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定,杯口節(jié)點(diǎn)可按鉸接進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]?？紤]到圓殼主要承受切向水平力,通過(guò)對(duì)其施加預(yù)應(yīng)力既可以提高結(jié)構(gòu)整體性,又可以抵抗水平拉力。我國(guó)的一些早期項(xiàng)目采用壁板外側(cè)纏絲施加預(yù)應(yīng)力,采用噴射水泥砂漿對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絲進(jìn)行防腐保護(hù)。這種結(jié)構(gòu)形式近年來(lái)較少出現(xiàn),預(yù)應(yīng)力鋼絲的耐久性問(wèn)題、板殼間接縫漏水問(wèn)題和施工質(zhì)量問(wèn)題是關(guān)鍵原因。根據(jù)近年來(lái)裝配式技術(shù)的發(fā)展,可以對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。首先是預(yù)應(yīng)力筋可設(shè)置在圓殼片中心區(qū)域,個(gè)別圓殼片局部突出張拉錨固,使得預(yù)應(yīng)力筋可以更好的定位和獲得保護(hù),提高工程質(zhì)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(yù)應(yīng)力筋的張拉。榫槽內(nèi)設(shè)置遇水膨脹橡膠墊,迎水面設(shè)置凹槽,附加防水卷材,多措施結(jié)合確保止水效果。

圖1 圓形裝配式構(gòu)筑物簡(jiǎn)圖

矩形裝配式構(gòu)筑物壁板的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中規(guī)定現(xiàn)澆矩形構(gòu)筑物的底板和池壁節(jié)點(diǎn)可按剛接進(jìn)行設(shè)計(jì),但對(duì)杯口節(jié)點(diǎn)未予明確[5]。王澤明等建立有限元模型進(jìn)行分析,認(rèn)為裝配式矩形水池杯口節(jié)點(diǎn)可視作半剛性節(jié)點(diǎn),杯口節(jié)點(diǎn)的承載力、轉(zhuǎn)動(dòng)剛度等與杯口高度正相關(guān)?？紤]到矩形構(gòu)筑物壁板的受力情況,豎向單向一字板在頂端無(wú)法按不動(dòng)鉸支座設(shè)計(jì)時(shí),不可采用杯口與底板連接。按《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》,當(dāng)走道板滿足下述公式,壁板頂端可按不動(dòng)鉸支座進(jìn)行設(shè)計(jì)。

L型板具有受力合理,施工自立的特點(diǎn),需要重點(diǎn)考慮的是其與現(xiàn)澆底板的連接。簡(jiǎn)單有效的處理方式是預(yù)留鋼筋,與底板現(xiàn)澆連接。接縫處迎水面可設(shè)置凹槽,增設(shè)防水卷材止水[6]。更為保險(xiǎn)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(qiáng)底板的整體性和防水性能。壁板間連接應(yīng)根據(jù)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(shè)置后張預(yù)應(yīng)力筋增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性和抵抗溫度應(yīng)力,雙向板及壁板轉(zhuǎn)角處可采用后澆混凝土連接或增加轉(zhuǎn)角標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件。

4 裝配式混凝土構(gòu)筑物的發(fā)展困境

預(yù)制化是我國(guó)混凝土構(gòu)筑物建設(shè)必然的發(fā)展趨勢(shì),但現(xiàn)階段裝配式構(gòu)筑物的應(yīng)用還存在政策不完善、應(yīng)用不系統(tǒng)、技術(shù)不成熟等問(wèn)題。

裝配式構(gòu)筑物的發(fā)展缺少頂層設(shè)計(jì)。相關(guān)的政策、標(biāo)準(zhǔn)不完善,導(dǎo)致甲方、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)等部門(mén)無(wú)法協(xié)力,共同推動(dòng)裝配式混凝土構(gòu)筑物的發(fā)展。

裝配式構(gòu)筑物的產(chǎn)業(yè)鏈仍處于初步階段。裝配式結(jié)構(gòu)的建造過(guò)程包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝等多個(gè)環(huán)節(jié),是以裝配式結(jié)構(gòu)為核心,風(fēng)險(xiǎn)利益共享、上下游一體的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)。缺乏專業(yè)的設(shè)計(jì)人員、無(wú)法實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；a(chǎn)、尚未建立多方的協(xié)調(diào)機(jī)制等等都阻礙了裝配式構(gòu)筑物的發(fā)展。

裝配式構(gòu)筑物的關(guān)鍵技術(shù)尚未成熟。裝配式構(gòu)筑物相比上部建筑物,對(duì)連接處的防水、防腐性能等提出了更高的要求,相應(yīng)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用尚未成熟,具體性能尚待數(shù)據(jù)的進(jìn)一步驗(yàn)證。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念和關(guān)鍵技術(shù),對(duì)裝配式構(gòu)筑物的具體應(yīng)用進(jìn)行了研究。雖然裝配式構(gòu)筑物的應(yīng)用還面臨著諸多困難,但相信隨著政策的制訂、系統(tǒng)的集成與技術(shù)的革新,其產(chǎn)業(yè)體系必將逐步完善,并在今后得到廣泛應(yīng)用。