基于UHPC的钢筋错位连接装配式混凝土结构研究及应用.pdf

年 月下第 卷 第 期施工技术（中英文）：基于 的钢筋错位连接装配式混凝土结构研究及应用李新星，周 泉，李水生，姚延化，（中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙；湖南中建五局绿色市政工程研究中心有限公司，湖南 长沙）摘要 提出了一种基于超高性能混凝土（）的钢筋错位连接装配式混凝土结构体系，在钢筋错位连接长度为 时，通过节点浇筑，结构的力学性能基本等同现浇结构。结构设计中，对于预制剪力墙结构，在抗震等级为四级时，钢筋错位连接长度 等于钢筋的基本锚固长度，叠合梁与预制板和预制板与预制板之间钢筋的连接长度为 。通过实际工程应用，采用超高性能混凝土的钢筋错位连接可完全替代套筒灌浆连接，在满足结构安全可靠的基础上，施工容错率、施工效率和施工质量均得到提升。竖向和水平构件均采用装配式连接，结构的整体装配率可达 以上。关键词 超高性能混凝土；钢筋；错位连接；装配式；预制剪力墙；预制板；施工工艺中图分类号 文献标识码 文章编号（），（，；，）：（），：（）；国家重点研发计划（）；湖南省自然科学基金（，）作者简介 李新星，硕士，工程师，：收稿日期 引言 目前，国内装配式建筑结构构件钢筋连接典型节点有湿式连接和干式连接，其中湿式连接主要包括：套筒灌浆连接、波纹管浆锚连接、后浇带 施工技术（中英文）第 卷连接等，干式连接主要包括：螺栓连接、焊接连接等。但常用的套筒灌浆连接属于隐蔽工程，在实施过程中易出现质量无法检测、精准安装困难、灌浆不密实等问题。研究发现，现灌浆缺陷对结构的滞回特性、承载力、延性与耗能能力均会产生不利影响，只能通过后期补灌修复处理才能满足结构的安全性要求，且工序复杂操作难度大，影响施工周期和建造成本。采用灌浆套筒的竖向构件混凝土间采用坐浆接缝方式，其节点疲劳和抗震性能难以保证。干式连接一般用在多层房屋和非抗震要求地区，由于我国绝大部分地区都有抗震要求，因此该方式的应用范围极其有限。叠合剪力墙连接需大量的现浇混凝土工序，不符合绿色建筑和低碳经济发展的需求。另外，预应力钢绞线和阻尼器连接均只解决部分构件的连接问题，对于整体结构抗震安全的贡献不大。以上各种方法充分考虑了钢筋连接的可靠性，但在实际工程中，需接触式精准连接的施工方式很难在现场开展。我国建筑业的技术水平和装备机械与发达国家差距仍较大，引进的国外高精度先进装配技术在国内施工项目上难以较好地实施。因此，本文提出一种基于超高性能混凝土（，）的钢筋错位连接装配式混凝土节点连接技术，如图 所示。上、下预制剪力墙外伸钢筋错开一定间距形成非接触搭接，全预制板外伸钢筋伸入节点内部，钢筋搭接长度 取（为受力钢筋的直径），节点区域现浇超高性能混凝土。充分发挥了其强锚固、高容错、易浇筑等优点，符合我国抗震设计“强节点”的基本要求。图 钢筋错位连接示意 前期试验研究 材性试验研究 是一种具有高力学性、高耐久性和高体积稳定性的新型水泥基复合材料，原材料主要包括水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂、石英粉、钢纤维和减水剂，基于正交试验，系统研究不同组分原材料对 抗压强度、抗折强度和流动性的影响，试验表明：水胶比、钢纤维掺量、长径比和纤维混杂对 力学性能和流动性影响最明显。当水泥 硅灰 粉煤灰 石英砂 石英粉 ，钢纤维体积掺量为 ，水胶比为，减水剂掺量为 时，制备出的 抗压强度达，抗折强度达，流动度达，具有良好的力学性能和工作性能，材料性能测试如图 所示。图 材性试验 与钢筋锚固性能研究 与钢筋的黏结锚固性能是保证结构受力传力的关键，通过拉拔试验，研究不同的锚固长度、保护层厚度、钢筋直径、强度等级、配箍率等参数对黏结性能的影响，基于试验结果，得到在保护层厚度为，钢筋锚固长度为 时，试件发生钢筋拔断破坏，未出现裂缝，如图 所示。为研究在疲劳荷载作用下，与钢筋的黏结性能，采用 对锚固长度为 的试件进行疲劳加载试验，疲劳加载次数为 万次，加载频率为，在 万次疲劳加载后，未出现钢筋滑移现象，最终通过单向拉拔加载，试件发生钢筋拔断破坏，如图 所示。在 的锚固长度下，钢筋与 间未出现疲劳损伤，导致黏结滑移。图 与钢筋拉拔试验 基于 的钢筋错位连接装配式混凝土结构试验采用 钢筋错位连接的预制装配梁破坏形式 李新星等：基于 的钢筋错位连接装配式混凝土结构研究及应用 与现浇梁相同，经历混凝土开裂、受拉区钢筋屈服、受压区混凝土被压碎，表现出适筋梁的破坏特征，预制装配梁裂缝出现在预制部分和界面处，现浇段未开裂，如图 所示，开裂弯矩、屈服弯矩和极限弯矩基本等同现浇结构。钢筋错位连接的预制装配剪力墙承载力稍高于现浇结构，滞回曲线和延性与现浇剪力墙基本相同，破坏规律与现浇剪力墙类似，如图 所示。图 钢筋错位连接装配式混凝土结构试验 综上所述，前期的试验研究证明了钢筋与 的极限锚固长度为（为纵向受力钢筋直径）。当 后浇段内钢筋错位连接长度为 时，结构的力学性能基本等同现浇结构，工程应用可按钢筋错位连接长度 设计。叠合梁与全预制板抗剪试验 预制结构采用 混凝土浇筑，全预制板段钢筋伸出长度为，板外伸钢筋深入梁的叠合层，梁板节点区域采用 浇筑连接。预制试件表面与 现浇段接缝处需凿毛做粗糙面处理。预制板外伸钢筋伸入叠合梁内，板边与预制梁边平齐。节点处浇筑，浇筑时采用振动棒振捣，使节点处 浇筑密实，排出气泡。浇筑时，预留 组 的立方体抗压试块，后拆模自然养护，试块同条件养护。在预制梁基座预留螺栓孔，锚固在地锚上，荷载同时施加在两块板中点，如图 所示。采用分级加载的方式，每级荷载为，在板的一端施加荷载，在基座、板的另一端布置位移计测量位移（见图），观测每级裂缝的破坏形态，当荷载下降到峰值抗剪承载力的 时，停止加载。当荷载加载到 时，支座处边缘预制混凝土表面出现微裂缝，当荷载加载到 时，出现第 条结构裂缝，当荷载加载到 时，斜裂缝向下扩展从而贯穿整根预制梁，此时荷载达到峰值，当继续施加荷载，结构承载力下降，按位移控制加载，当加载点位移达到 时，试件的承载力为，结构裂缝扩展如图 所示，结构完全失去承图 试件加载 载力，停止加载。连接节点未出现裂缝，普通混凝土板与 接缝处也未出现开裂现象，如图 所示。图 梁板节点抗剪破坏 荷载位移曲线如图 所示。由图 可知，左右支点的位移大小不一致，峰值荷载对应的位移值也不相同，可能是试件加载时，两边不是完全同时受力，存在一定的偏转，这是由试件本身浇筑尺寸和安装精度决定的，差别不大；现浇段中点的荷载位移曲线与左、右支点相似，说明预制板并未出现破坏，是下部预制梁出现剪切破坏，从而使节点和预制板整体向加载的反方向移动。试件的峰值荷载为。试件在 时，位移突然增大，出现的原因可能是地梁与锚杆发生了滑动而非结构出现裂缝。图 荷载位移曲线 综上所述，前期试验研究证明了钢筋与 的极限锚固长度为，当 后浇段内钢筋错位连接长度为 时，结构的力学性能基本等同现浇 施工技术（中英文）第 卷结构，工程应用可按钢筋错位连接长度 设计。结构设计 预制剪力墙连接 预制剪力墙连接设计如图 所示。下部预制剪力墙和下部预制剪力墙外伸钢筋间隔设置，墙体纵向钢筋错位连接长度不应小于考虑抗震的基本锚固长度，当抗震等级为 级时，与纵向钢筋基本锚固长度 相同（为）。图 预制剪力墙节点连接设计 剪力墙与叠合梁连接 剪力墙与叠合梁连接设计如图 所示，剪力墙预埋连接钢筋埋置长度为 且不小于，叠合梁钢筋与剪力墙预埋连接钢筋错位连接长度，钢筋错位连接区域和叠合层浇筑。图 剪力墙与叠合梁连接设计 叠合梁与全预制板连接 叠合梁与全预制板端支座连接如图 所示，全预制板下部纵向受力钢筋伸入 后浇区中锚固长度不应小于；全预制板上部纵向受力钢筋锚固长度不应小于。叠合梁与全预制板端中间支座连接如图 所示，全预制板下部纵向受力钢筋在混凝土后浇区的锚固长度不应小于，且钢筋伸至梁中心线；叠合梁两侧全预制板上部纵向受力钢筋在混凝土后浇区的错位连接长度不应小于 。施工工艺 预制剪力墙施工工艺 本项目位于湖南省长沙市，为新型装配式结构图 叠合梁与全预制板连接设计 体系示范工程，工程建筑面积约，整栋楼共 层。本项目中装配式结构节点采用 钢筋错位连接技术，包括竖向结构和水平结构，其中楼板采用全预制板结构。吊装剪力墙前，按设计标高，下层剪力墙上部设置 个垫块，构件距安装面约 时，应慢速调整构件到安装位置，构件缓慢下降；构件距楼地面约 时，由安装人员辅助轻推、采用撬棍将构件定位至边线，使上部吊装的剪力墙平稳落在垫块上，保证后浇段高度和钢筋的错位锚固长度，如图 所示。预制剪力墙就位时，应根据轴线、构件边线、测量控制线先将竖向构件基本就位，利用“七字”角钢将剪力墙与楼板临时固定，调整竖向剪力墙构件与楼面保持基本垂直；每个竖向构件用不少于 根斜支撑固定，斜支撑安装在竖向构件的同一侧面，斜支撑与楼面的水平夹角不应小于，如图 所示。转动斜撑，调整构件初步垂直，松开构件吊钩；用靠尺量测构件的垂直偏差，通过线锤或水平尺对竖向构件的垂直度进行校正，转动可调式斜支撑中间钢管进行微调，直至竖向构件垂直；用靠尺、塞尺对竖向构件间平整度进行校正，确保墙体轴线、墙面平整度满足质量要求，外墙企口缝要求接缝平直。剪力墙节点 现浇区采用木模对外侧进行支模封边（见图），考虑 具有较好的流动性，模板与预制墙体结构接缝处采用胶带密封。待 达到设计强度的 时，拆除边模。李新星等：基于 的钢筋错位连接装配式混凝土结构研究及应用 图 预制剪力墙吊装及节点浇筑 预制剪力墙与预制楼板节点处浇筑高流态的（见图），采用小型斗车运输，从溜槽灌入剪力墙连接节点处，浇筑前应用水清理节点后浇段灰尘，浇筑速度缓慢均匀，浇筑同时采用小型振动棒进行插捣，排出气泡，提高节点密实度。浇筑完成后立即喷洒养护液，防止 水分快速蒸发引起收缩开裂。叠合梁施工工艺 叠合梁的吊装施工工艺分为连梁和框架梁，根据结构平面布置图，放出定位轴线及叠合梁定位控制边线，做好控制线标识。按照钢支撑上的荷载及其容许承载力，计算钢支撑的间距和位置，采用独立支撑和免落地牛腿支撑结构体系，避免满堂支撑，提高作业空间。免落地牛腿支撑结构采用膨胀螺栓固定在剪力墙上部，根据荷载计算出牛腿结构的尺寸及布置间距，先利用手柄将调节螺母旋至最低位置，将上管插入下管至接近所需高度，然后将销子插入位于调节螺母上方的调节孔内，把可调钢支顶移至工作位置，在支架上部搭设模板，支撑连梁（见图）；框架梁采用独立支撑结构，搭设支架上部工字钢梁，旋转调节螺母，调节支撑使铝合金工字钢梁上口标高至叠合梁底标高，待预制梁底支撑标高调整完毕后进行吊装作业，如图 所示。预制板施工工艺 本结构体系采用全预制板结构，吊装工艺流程如图 所示。根据施工图纸，安装前按吊装流程核对构件编号，检查预制构件类型，确定其安装位置，并在施工现场相应位置标记出各预制构件的编号；图 叠合梁吊装 全预制板的位置控制线参照梁、墙边线进行控制。在剪力墙、柱模板上弹出水平线，并做出明显标志，以控制预制板安装标高和平面位置。图 预制板吊装工艺流程 预制板支撑架采用独立支撑体系，在支架上部搭设工字钢梁，根据荷载计算优化支撑间距，确保整体安全性、稳定性、平整度满足要求。预制板吊装完成后，在叠合梁与预制板节点处按图纸要求布置附加钢筋，梁板端部支座须加密布置，附加钢筋从叠合梁箍筋内部插入并绑扎。节点钢筋绑扎完成后，采用水泥砂浆修补梁板拼缝处，防止 浇筑漏浆。拼缝处理完成后开始浇筑，采用专业小斗车进行浇筑，边浇筑边采用振动棒进行竖向和水平方向振捣，减少气泡的形成，提高浇筑密实度。采用分段式浇筑，由于板缝间宽度较小，利用 的高流动性实现自密实浇筑，无需振捣。结语 ）基于超高性能混凝土优良的力学性能，提出一种基于超高性能混凝土的钢筋错位连接装配式混凝土结构体系，中钢筋的极限锚固长度为，在锚固长度为 时，结构的承载力和抗震性能基本等同于现浇结构。设计完成了剪力墙结构、全预制板结构和叠合梁结构基于 的钢筋错位连接装配式结构节点连接设计。结构设计中钢筋错位连接基本锚固长度 为，对于预制剪力墙结构，钢筋错位连接长度 在抗震等级为 级时为，叠合梁与预制板、预制板与预制板间钢筋的错 施工技术（中英文）第 卷位连接长度为 。）优化支撑结构为独立支撑结构免落地牛腿支撑结构体系，减少了支撑结构数量，增大了作业空间；通过实际工程项目的应用，采用基于超高性能混凝土的钢筋错位连接替代套筒灌浆连接，在满足结构安全可靠的基础上，有效提升了施工容错率、施工效率和施工质量；竖向和水平构件均采用装配连接，结构的整体装配率可达 以上。参考文献：李宁波，钱稼茹，叶列平，等竖向钢筋套筒挤压连接的预制钢筋混凝土剪力墙抗震性能试验研究建筑结构学报，（）：，（）：钱稼茹，韩文龙，赵作周，等钢筋套筒灌浆连接装配式剪力墙结构三层足尺模型子结构拟动力试验建筑结构学报，（）：，（）：，（）：，：，（）：臧旭磊，朱张峰螺旋箍筋约束波纹管浆锚连接装配式剪力墙拟静力试验研究施工技术，（）：，（）：张敏，刘艳萍，邱秀丽，等装配式混凝土 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