基于UHPC的鋼筋錯(cuò)位連接裝配式混凝土結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用*

李新星,周 泉,李水生,姚延化

(1.中國(guó)建筑第五工程局有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410004;2.湖南中建五局綠色市政工程研究中心有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

目前,國(guó)內(nèi)裝配式建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件鋼筋連接典型節(jié)點(diǎn)有濕式連接和干式連接,其中濕式連接主要包括:套筒灌漿連接[1-5]、波紋管漿錨連接[6]、后澆帶連接[7-10]等,干式連接主要包括:螺栓連接[11-12]、焊接連接[13-14]等。但常用的套筒灌漿連接屬于隱蔽工程,在實(shí)施過(guò)程中易出現(xiàn)質(zhì)量無(wú)法檢測(cè)、精準(zhǔn)安裝困難、灌漿不密實(shí)等問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn),現(xiàn)灌漿缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)的滯回特性、承載力、延性與耗能能力均會(huì)產(chǎn)生不利影響[15-17],只能通過(guò)后期補(bǔ)灌修復(fù)處理才能滿足結(jié)構(gòu)的安全性要求[18],且工序復(fù)雜操作難度大,影響施工周期和建造成本。采用灌漿套筒的豎向構(gòu)件混凝土間采用坐漿接縫方式,其節(jié)點(diǎn)疲勞和抗震性能難以保證。干式連接一般用在多層房屋和非抗震要求地區(qū),由于我國(guó)絕大部分地區(qū)都有抗震要求,因此該方式的應(yīng)用范圍極其有限。疊合剪力墻連接需大量的現(xiàn)澆混凝土工序,不符合綠色建筑和低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。另外,預(yù)應(yīng)力鋼絞線和阻尼器連接均只解決部分構(gòu)件的連接問(wèn)題,對(duì)于整體結(jié)構(gòu)抗震安全的貢獻(xiàn)不大。

以上各種方法充分考慮了鋼筋連接的可靠性,但在實(shí)際工程中,需接觸式精準(zhǔn)連接的施工方式很難在現(xiàn)場(chǎng)開展。我國(guó)建筑業(yè)的技術(shù)水平和裝備機(jī)械與發(fā)達(dá)國(guó)家差距仍較大,引進(jìn)的國(guó)外高精度先進(jìn)裝配技術(shù)在國(guó)內(nèi)施工項(xiàng)目上難以較好地實(shí)施。因此,本文提出一種基于超高性能混凝土(ultra high performance concrete,UHPC)的鋼筋錯(cuò)位連接裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)連接技術(shù),如圖1所示。上、下預(yù)制剪力墻外伸鋼筋錯(cuò)開一定間距形成非接觸搭接,全預(yù)制板外伸鋼筋伸入節(jié)點(diǎn)內(nèi)部,鋼筋搭接長(zhǎng)度la取10d～12d(d為受力鋼筋的直徑),節(jié)點(diǎn)區(qū)域現(xiàn)澆超高性能混凝土。充分發(fā)揮了其強(qiáng)錨固、高容錯(cuò)、易澆筑等優(yōu)點(diǎn),符合我國(guó)抗震設(shè)計(jì)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的基本要求。

圖1 鋼筋錯(cuò)位連接示意Fig.1 Steel bar dislocation connection

1 前期試驗(yàn)研究

1.1 UHPC材性試驗(yàn)研究

UHPC是一種具有高力學(xué)性、高耐久性和高體積穩(wěn)定性的新型水泥基復(fù)合材料,原材料主要包括水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂、石英粉、鋼纖維和減水劑,基于正交試驗(yàn),系統(tǒng)研究不同組分原材料對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和流動(dòng)性的影響[19-20],試驗(yàn)表明:水膠比、鋼纖維摻量、長(zhǎng)徑比和纖維混雜對(duì)UHPC力學(xué)性能和流動(dòng)性影響最明顯。當(dāng)水泥∶硅灰∶粉煤灰∶石英砂∶石英粉=1∶0.24∶0.11∶1.15∶0.20,鋼纖維體積摻量為1.5%,水膠比為0.18,減水劑摻量為0.25時(shí),制備出的UHPC抗壓強(qiáng)度達(dá)140MPa,抗折強(qiáng)度達(dá)30MPa,流動(dòng)度達(dá)270mm,具有良好的力學(xué)性能和工作性能,UHPC材料性能測(cè)試如圖2所示。

圖2 UHPC材性試驗(yàn)Fig.2 UHPC material property test

1.2 UHPC與鋼筋錨固性能研究

UHPC與鋼筋的黏結(jié)錨固性能是保證結(jié)構(gòu)受力傳力的關(guān)鍵,通過(guò)拉拔試驗(yàn),研究不同的錨固長(zhǎng)度、保護(hù)層厚度、鋼筋直徑、UHPC強(qiáng)度等級(jí)、配箍率等參數(shù)對(duì)黏結(jié)性能的影響,基于試驗(yàn)結(jié)果,得到在保護(hù)層厚度為20mm,鋼筋錨固長(zhǎng)度為5d時(shí),試件發(fā)生鋼筋拔斷破壞,UHPC未出現(xiàn)裂縫,如圖3a所示。為研究在疲勞荷載作用下,UHPC與鋼筋的黏結(jié)性能,采用MTS對(duì)錨固長(zhǎng)度為9d的試件進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn),疲勞加載次數(shù)為80萬(wàn)次,加載頻率為4Hz,在80萬(wàn)次疲勞加載后,未出現(xiàn)鋼筋滑移現(xiàn)象,最終通過(guò)單向拉拔加載,試件發(fā)生鋼筋拔斷破壞,如圖3b所示。在9d的錨固長(zhǎng)度下,鋼筋與UHPC間未出現(xiàn)疲勞損傷,導(dǎo)致黏結(jié)滑移。

圖3 UHPC與鋼筋拉拔試驗(yàn)Fig.3 UHPC and steel bar pullout test

1.3 基于UHPC的鋼筋錯(cuò)位連接裝配式混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

采用10d鋼筋錯(cuò)位連接的預(yù)制裝配梁破壞形式與現(xiàn)澆梁相同,經(jīng)歷混凝土開裂、受拉區(qū)鋼筋屈服、受壓區(qū)混凝土被壓碎,表現(xiàn)出適筋梁的破壞特征,預(yù)制裝配梁裂縫出現(xiàn)在預(yù)制部分和界面處,UHPC現(xiàn)澆段未開裂,如圖4a所示,開裂彎矩、屈服彎矩和極限彎矩基本等同現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。10d鋼筋錯(cuò)位連接的預(yù)制裝配剪力墻承載力稍高于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),滯回曲線和延性與現(xiàn)澆剪力墻基本相同,破壞規(guī)律與現(xiàn)澆剪力墻類似,如圖4b所示。

圖4 鋼筋錯(cuò)位連接裝配式混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)Fig.4 Test on prefabricated concrete structures with steel bar dislocation connection

綜上所述,前期的試驗(yàn)研究證明了鋼筋與UHPC的極限錨固長(zhǎng)度為5d(d為縱向受力鋼筋直徑)。當(dāng)UHPC后澆段內(nèi)鋼筋錯(cuò)位連接長(zhǎng)度為10d時(shí),結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能基本等同現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),工程應(yīng)用可按鋼筋錯(cuò)位連接長(zhǎng)度10d設(shè)計(jì)。

1.4 疊合梁與全預(yù)制板抗剪試驗(yàn)

預(yù)制結(jié)構(gòu)采用C35混凝土澆筑,全預(yù)制板段鋼筋伸出長(zhǎng)度為10d,板外伸鋼筋深入梁的疊合層,梁板節(jié)點(diǎn)區(qū)域采用UHPC澆筑連接。預(yù)制試件表面與UHPC現(xiàn)澆段接縫處需鑿毛做粗糙面處理。預(yù)制板外伸鋼筋伸入疊合梁內(nèi),板邊與預(yù)制梁邊平齊。節(jié)點(diǎn)處澆筑UHPC,澆筑時(shí)采用振動(dòng)棒振搗,使節(jié)點(diǎn)處UHPC澆筑密實(shí),排出氣泡。澆筑時(shí),預(yù)留3組100mm×100mm×100mm的立方體抗壓試塊,48h后拆模自然養(yǎng)護(hù)28d,試塊同條件養(yǎng)護(hù)。

在預(yù)制梁基座預(yù)留螺栓孔,錨固在地錨上,荷載同時(shí)施加在兩塊板中點(diǎn),如圖5所示。采用分級(jí)加載的方式,每級(jí)荷載為2kN,在板的一端施加荷載,在基座、板的另一端布置位移計(jì)測(cè)量位移(見圖5),觀測(cè)每級(jí)裂縫的破壞形態(tài),當(dāng)荷載下降到峰值抗剪承載力的80%時(shí),停止加載。

圖5 試件加載Fig.5 Sample loading

當(dāng)荷載加載到54kN時(shí),支座處邊緣預(yù)制混凝土表面出現(xiàn)微裂縫,當(dāng)荷載加載到102kN時(shí),出現(xiàn)第1條結(jié)構(gòu)裂縫,當(dāng)荷載加載到118kN時(shí),斜裂縫向下擴(kuò)展從而貫穿整根預(yù)制梁,此時(shí)荷載達(dá)到峰值,當(dāng)繼續(xù)施加荷載,結(jié)構(gòu)承載力下降,按位移控制加載,當(dāng)加載點(diǎn)位移達(dá)到20mm時(shí),試件的承載力為54kN,結(jié)構(gòu)裂縫擴(kuò)展如圖6a所示,結(jié)構(gòu)完全失去承載力,停止加載。UHPC連接節(jié)點(diǎn)未出現(xiàn)裂縫,普通混凝土板與UHPC接縫處也未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,如圖6b所示。

圖6 梁板節(jié)點(diǎn)抗剪破壞Fig.6 Shear failure of beam plate node

荷載-位移曲線如圖7所示。由圖7可知,左右支點(diǎn)的位移大小不一致,峰值荷載對(duì)應(yīng)的位移值也不相同,可能是試件加載時(shí),兩邊不是完全同時(shí)受力,存在一定的偏轉(zhuǎn),這是由試件本身澆筑尺寸和安裝精度決定的,差別不大;UHPC現(xiàn)澆段中點(diǎn)的荷載-位移曲線與左、右支點(diǎn)相似,說(shuō)明預(yù)制板并未出現(xiàn)破壞,是下部預(yù)制梁出現(xiàn)剪切破壞,從而使節(jié)點(diǎn)和預(yù)制板整體向加載的反方向移動(dòng)。試件的峰值荷載為118kN。試件在18kN時(shí),位移突然增大,出現(xiàn)的原因可能是地梁與錨桿發(fā)生了滑動(dòng)而非結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。

圖7 荷載-位移曲線Fig.7 Load-displacement curve

綜上所述,前期試驗(yàn)研究證明了鋼筋與UHPC的極限錨固長(zhǎng)度為5d,當(dāng)UHPC后澆段內(nèi)鋼筋錯(cuò)位連接長(zhǎng)度為10d時(shí),結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能基本等同現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),工程應(yīng)用可按鋼筋錯(cuò)位連接長(zhǎng)度10d設(shè)計(jì)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)制剪力墻連接

預(yù)制剪力墻連接設(shè)計(jì)如圖8所示。下部預(yù)制剪力墻和下部預(yù)制剪力墻外伸鋼筋間隔設(shè)置,墻體縱向鋼筋錯(cuò)位連接長(zhǎng)度不應(yīng)小于考慮抗震的基本錨固長(zhǎng)度laE,當(dāng)抗震等級(jí)為4級(jí)時(shí),laE與縱向鋼筋基本錨固長(zhǎng)度lab相同(lab為10d)。

圖8 預(yù)制剪力墻節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)Fig.8 Design of prefabricated shear wall node connection

2.2 剪力墻與疊合梁連接

剪力墻與疊合梁連接設(shè)計(jì)如圖9所示,剪力墻預(yù)埋連接鋼筋埋置長(zhǎng)度為laE且不小于600mm,疊合梁鋼筋與剪力墻預(yù)埋連接鋼筋錯(cuò)位連接長(zhǎng)度laE=10d,鋼筋錯(cuò)位連接區(qū)域和疊合層澆筑UHPC。

圖9 剪力墻與疊合梁連接設(shè)計(jì)Fig.9 Design of connection between shear wall and composite beam

2.3 疊合梁與全預(yù)制板連接

疊合梁與全預(yù)制板端支座連接如圖10a所示,全預(yù)制板下部縱向受力鋼筋伸入U(xiǎn)HPC后澆區(qū)中錨固長(zhǎng)度不應(yīng)小于5d;全預(yù)制板上部縱向受力鋼筋錨固長(zhǎng)度不應(yīng)小于lab。疊合梁與全預(yù)制板端中間支座連接如圖10b所示,全預(yù)制板下部縱向受力鋼筋在混凝土后澆區(qū)的錨固長(zhǎng)度不應(yīng)小于5d,且鋼筋伸至梁中心線;疊合梁兩側(cè)全預(yù)制板上部縱向受力鋼筋在混凝土后澆區(qū)的錯(cuò)位連接長(zhǎng)度不應(yīng)小于1.2lab。

圖10 疊合梁與全預(yù)制板連接設(shè)計(jì)Fig.10 Connection design of composite beam and fully prefabricated plate

3 施工工藝

3.1 預(yù)制剪力墻施工工藝

本項(xiàng)目位于湖南省長(zhǎng)沙市,為新型裝配式結(jié)構(gòu)體系示范工程,工程建筑面積約418m2,整棟樓共3層。本項(xiàng)目中裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)采用UHPC鋼筋錯(cuò)位連接技術(shù),包括豎向結(jié)構(gòu)和水平結(jié)構(gòu),其中樓板采用全預(yù)制板結(jié)構(gòu)。

吊裝剪力墻前,按設(shè)計(jì)標(biāo)高,下層剪力墻上部設(shè)置2個(gè)墊塊,構(gòu)件距安裝面約1.5m時(shí),應(yīng)慢速調(diào)整構(gòu)件到安裝位置,構(gòu)件緩慢下降;構(gòu)件距樓地面約30cm時(shí),由安裝人員輔助輕推、采用撬棍將構(gòu)件定位至邊線,使上部吊裝的剪力墻平穩(wěn)落在墊塊上,保證后澆段高度和鋼筋的錯(cuò)位錨固長(zhǎng)度,如圖11a所示。

圖11 預(yù)制剪力墻吊裝及節(jié)點(diǎn)澆筑Fig.11 Prefabricated shear wall hoisting and node pouring

預(yù)制剪力墻就位時(shí),應(yīng)根據(jù)軸線、構(gòu)件邊線、測(cè)量控制線先將豎向構(gòu)件基本就位,利用“七字”角鋼將剪力墻與樓板臨時(shí)固定,調(diào)整豎向剪力墻構(gòu)件與樓面保持基本垂直;每個(gè)豎向構(gòu)件用不少于2根斜支撐固定,斜支撐安裝在豎向構(gòu)件的同一側(cè)面,斜支撐與樓面的水平夾角不應(yīng)小于60°,如圖11b所示。轉(zhuǎn)動(dòng)斜撐,調(diào)整構(gòu)件初步垂直,松開構(gòu)件吊鉤;用靠尺量測(cè)構(gòu)件的垂直偏差,通過(guò)線錘或水平尺對(duì)豎向構(gòu)件的垂直度進(jìn)行校正,轉(zhuǎn)動(dòng)可調(diào)式斜支撐中間鋼管進(jìn)行微調(diào),直至豎向構(gòu)件垂直;用靠尺、塞尺對(duì)豎向構(gòu)件間平整度進(jìn)行校正,確保墻體軸線、墻面平整度滿足質(zhì)量要求,外墻企口縫要求接縫平直。

剪力墻節(jié)點(diǎn)UHPC現(xiàn)澆區(qū)采用木模對(duì)外側(cè)進(jìn)行支模封邊(見圖11c),考慮UHPC具有較好的流動(dòng)性,模板與預(yù)制墻體結(jié)構(gòu)接縫處采用膠帶密封。待UHPC達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%時(shí),拆除邊模。

預(yù)制剪力墻與預(yù)制樓板節(jié)點(diǎn)處澆筑高流態(tài)的UHPC(見圖11d),采用小型斗車運(yùn)輸,從溜槽灌入剪力墻連接節(jié)點(diǎn)處,澆筑前應(yīng)用水清理節(jié)點(diǎn)后澆段灰塵,澆筑速度緩慢均勻,澆筑同時(shí)采用小型振動(dòng)棒進(jìn)行插搗,排出氣泡,提高節(jié)點(diǎn)密實(shí)度。澆筑完成后立即噴灑養(yǎng)護(hù)液,防止UHPC水分快速蒸發(fā)引起收縮開裂。

3.2 疊合梁施工工藝

疊合梁的吊裝施工工藝分為連梁和框架梁,根據(jù)結(jié)構(gòu)平面布置圖,放出定位軸線及疊合梁定位控制邊線,做好控制線標(biāo)識(shí)。按照鋼支撐上的荷載及其容許承載力,計(jì)算鋼支撐的間距和位置,采用獨(dú)立支撐和免落地牛腿支撐結(jié)構(gòu)體系,避免滿堂支撐,提高作業(yè)空間。

免落地牛腿支撐結(jié)構(gòu)采用膨脹螺栓固定在剪力墻上部,根據(jù)荷載計(jì)算出牛腿結(jié)構(gòu)的尺寸及布置間距,先利用手柄將調(diào)節(jié)螺母旋至最低位置,將上管插入下管至接近所需高度,然后將銷子插入位于調(diào)節(jié)螺母上方的調(diào)節(jié)孔內(nèi),把可調(diào)鋼支頂移至工作位置,在支架上部搭設(shè)模板,支撐連梁(見圖12a);框架梁采用獨(dú)立支撐結(jié)構(gòu),搭設(shè)支架上部工字鋼梁,旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母,調(diào)節(jié)支撐使鋁合金工字鋼梁上口標(biāo)高至疊合梁底標(biāo)高,待預(yù)制梁底支撐標(biāo)高調(diào)整完畢后進(jìn)行吊裝作業(yè),如圖12b所示。

圖12 疊合梁吊裝Fig.12 Hoisting of composite beams

3.3 預(yù)制板施工工藝

本結(jié)構(gòu)體系采用全預(yù)制板結(jié)構(gòu),吊裝工藝流程如圖13所示。根據(jù)施工圖紙,安裝前按吊裝流程核對(duì)構(gòu)件編號(hào),檢查預(yù)制構(gòu)件類型,確定其安裝位置,并在施工現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)位置標(biāo)記出各預(yù)制構(gòu)件的編號(hào);全預(yù)制板的位置控制線參照梁、墻邊線進(jìn)行控制。在剪力墻、柱模板上彈出水平線,并做出明顯標(biāo)志,以控制預(yù)制板安裝標(biāo)高和平面位置。

圖13 預(yù)制板吊裝工藝流程Fig.13 Prefabricated plate hoisting process flow

預(yù)制板支撐架采用獨(dú)立支撐體系,在支架上部搭設(shè)工字鋼梁,根據(jù)荷載計(jì)算優(yōu)化支撐間距,確保整體安全性、穩(wěn)定性、平整度滿足要求。

預(yù)制板吊裝完成后,在疊合梁與預(yù)制板節(jié)點(diǎn)處按圖紙要求布置附加鋼筋,梁板端部支座須加密布置,附加鋼筋從疊合梁箍筋內(nèi)部插入并綁扎。

節(jié)點(diǎn)鋼筋綁扎完成后,采用水泥砂漿修補(bǔ)梁板拼縫處,防止UHPC澆筑漏漿。拼縫處理完成后開始澆筑UHPC,采用專業(yè)小斗車進(jìn)行澆筑,邊澆筑邊采用振動(dòng)棒進(jìn)行豎向和水平方向振搗,減少氣泡的形成,提高澆筑密實(shí)度。采用分段式澆筑,由于板縫間寬度較小,利用UHPC的高流動(dòng)性實(shí)現(xiàn)自密實(shí)澆筑,無(wú)需振搗。

4 結(jié)語(yǔ)

1)基于超高性能混凝土優(yōu)良的力學(xué)性能,提出一種基于超高性能混凝土的鋼筋錯(cuò)位連接裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系,UHPC中鋼筋的極限錨固長(zhǎng)度為5d,在錨固長(zhǎng)度為10d時(shí),結(jié)構(gòu)的承載力和抗震性能基本等同于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)完成了剪力墻結(jié)構(gòu)、全預(yù)制板結(jié)構(gòu)和疊合梁結(jié)構(gòu)基于UHPC的鋼筋錯(cuò)位連接裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中鋼筋錯(cuò)位連接基本錨固長(zhǎng)度lab為10d,對(duì)于預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu),鋼筋錯(cuò)位連接長(zhǎng)度laE在抗震等級(jí)為4級(jí)時(shí)為10d,疊合梁與預(yù)制板、預(yù)制板與預(yù)制板間鋼筋的錯(cuò)位連接長(zhǎng)度為1.2lab。

2)優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)為獨(dú)立支撐結(jié)構(gòu)+免落地牛腿支撐結(jié)構(gòu)體系,減少了支撐結(jié)構(gòu)數(shù)量,增大了作業(yè)空間;通過(guò)實(shí)際工程項(xiàng)目的應(yīng)用,采用基于超高性能混凝土的鋼筋錯(cuò)位連接替代套筒灌漿連接,在滿足結(jié)構(gòu)安全可靠的基礎(chǔ)上,有效提升了施工容錯(cuò)率、施工效率和施工質(zhì)量;豎向和水平構(gòu)件均采用裝配連接,結(jié)構(gòu)的整體裝配率可達(dá)90%以上。