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      裝配式混凝土結構節點連接技術的研究現狀及應用

      發布時間:2020-11-05 09:44所屬分類:建筑工程加入收藏

      摘要:針對目前裝配式混凝土結構常用的節點連接方式進行了歸納和總結,包括螺栓連接、焊接連接、后張預應力連接、套筒灌漿連接、漿錨搭接等五種節

        摘要:針對目前裝配式混凝土結構常用的節點連接方式進行了歸納和總結,包括螺栓連接、焊接連接、后張預應力連接、套筒灌漿連接、漿錨搭接等五種節點連接方式,主要從基本原理、國內外相關研究應用和質量控制措施及展望等三個方面進行了闡述和探討,為裝配式混凝土工程的節點連接方式選擇提供參考和依據。

        關鍵詞:裝配式混凝土結構;節點連接技術;干式連接;濕式連接

      建筑工程論文

        0 引言

        改革開放四十年來,隨著科學的發展和社會的進步,人們對傳統建筑行業弊端嚴重的現澆生產方式愈發不滿,迫切地需要一種新型的生產方式來實現住房城鄉建設領域的轉型升級,而裝配式建筑因其綠色環保、生產高效、資源節約等優點而備受青睞。自2013年開始,國務院、住建部和各級政府便大力提倡發展裝配式建筑。但由于我國裝配式建筑發展仍處于初期階段,裝配式結構在應用的過程中暴露了很多問題[1]-[2],其中節點連接技術因對裝配式結構的整體性和抗震性影響很大成為了研究的重點[3]-[5]。因此,本文通過查閱大量文獻,并結合施工經驗對裝配式混凝土結構節點連接形式進行了歸納和總結,以使裝配式結構節點連接技術能夠更好地運用于實際工程之中。

        1 裝配式混凝土結構節點連接形式

        裝配式建筑是指先通過深化設計將建筑整體劃分為墻、柱、梁、板等多個結構部件,然后將在預制場內生產好的部件運送至施工現場進行拼裝,進而形成一個整體的建筑。裝配式混凝土結構連接節點是裝配式建筑各部件間的連接樞紐,對結構的整體性能起著舉足輕重的作用,根據是否需要澆筑混凝土可分為干式連接節點和濕式連接節點兩種。其中干式連接是指將不同部件內的鋼筋進行連接的連接形式,常見的有螺栓連接、焊接連接和預應力連接;濕式連接是指在各部件連接部位預留鋼筋連接后后澆混凝土的連接形式,常見的有套筒灌漿連接和漿錨搭接。

        2 干式連接

        2.1 螺栓連接

        2.1.1 基本原理

        螺栓連接需要先在不同的預制構件端部分別預埋鋼板和螺栓,然后將預制構件運送至施工現場,在吊裝定位后進行組裝,從而形成一個受力整體,螺栓連接節點示意圖見圖1。

        2.1.2 國內外相關研究及應用

        美國PCI協會手冊[6]中提出了三種螺栓連接方式,研究發現前兩種螺栓連接的抗彎及抗剪性能較好,但其節點處承載能力遭到了削弱。2014年薛偉辰等[7]對采用螺栓連接的剪力墻抗震性能進行了研究,結果表明:螺栓連接剪力墻表現出較好的總體延性、抗彎和抗剪性能。2017年代領杰等[8]通過一種新型的螺栓連接方式將框架結構的上、下預制柱進行了連接,并對該螺栓連接節點的受力性能進行了研究,結果表明:該結構具有“等同現澆”的承載能力,但抗震性較差。

        螺栓連接施工方便,操作簡單,有利于節約工期,主要被應用于梁-柱連接、柱-柱連接和墻-梁連接等。目前,裝配式混凝土螺栓節點連接技術已被成功地運用于上海城投S7公路項目管理用房項目、上海浦東新區周康航安置房項目等。

        2.1.3 質量控制措施及展望

        螺栓連接方式雖然具有綠色環保、承載力高、可大幅度節約工期等優點,但是其缺點也非常明顯。首先,螺栓連接的精度要求較高,施工誤差對其結構的整體受力性能影響較大,一旦操作不當容易在節點連接部位產生應力集中現象,造成螺栓因承受荷載過大而破壞;其次,螺栓連接方式也存在外漏鋼材銹蝕的風險。因此,在招標勞務施工班組時應充分考慮其行業口碑、工人專業化程度等因素,施工過程中堅持樣板先行的原則,嚴格把控施工質量,降低施工誤差的不利影響;針對鋼筋銹蝕問題,需嚴格控制結構尺寸誤差,以保證鋼筋保護層厚度,同時注重該部位的檢查和維修。此外,螺栓連接節點容易在集中荷載的作用下而破壞,因此應進一步加強節點耗能裝置的研究,以增強螺栓連接部位的耗能能力。

        2.2 焊接連接

        2.2.1 基本原理

        焊接連接是一種采用對焊或搭接焊的方法將兩個或多個預制構件的鋼筋或鋼板連接在一起的裝配式混凝土結構節點連接技術。

        2.2.2 國內外相關研究及應用

        1993年Ersoy U等[9]對分別采用焊接和現澆方式的7個梁柱節點進行了擬靜力對比試驗,結果表明:焊接節點在循環荷載作用下的力學性能與現澆結構相當。2013年王鵬等[10]為了研究焊接連接方式對高強螺旋箍混凝土柱力學性能的影響,設計了裝配整體式柱和現澆柱的足尺擬靜力對比試驗,結果表明:該節點形式表現出良好的耗能和抗震能力。2016年陳天宇[11]-[12]提出了一種采用焊接連接的裝配式型鋼約束混凝土剪力墻結構體系,并通過靜力試驗和有限元模擬相結合的方法對該體系的抗震性能進行研究,結果表明:焊接連接節點具有安全可靠、塑性變形能力強和抗震性能好的優點。

        焊接連接節點基本可以達到“等同現澆”的要求,其承載能力、塑性變形能力、剛度等性能與現澆節點基本相當,主要被應用于梁-柱連接、柱-柱連接、墻-墻連接和樓板上下連接等。裝配式混凝土焊接節點連接技術被廣泛的應用于低多層裝配式建筑之中。

        2.2.3 質量控制措施及展望

        焊接連接方式也存在一定的缺點,首先其現場工作量大,對焊縫的質量要求嚴格,焊接質量對連接節點的受力性能影響明顯;其次焊接施工過程中產生的高溫容易破壞混凝土,導致混凝土強度降低,進而造成節點承載能力降低。因此,應在深化設計階段合理簡化焊接節點構造,減少現場工作量,同時選用技術水平高的施工人員進行焊接作業,并采取一定的措施來防止高溫對混凝土的影響。此外,應加強耗能裝置的研究,提高節點的耗能能力。

        2.3 后張預應力連接

        2.3.1 基本原理

        后張預應力連接根據預應力筋張拉后是否進行壓力灌漿等操作可分為后張有粘結預應力連接和后張無粘結預應力連接。后張預應力連接是指在工廠內預制成形的部件內部設置后張預應力筋導管(后張無粘結預應力連接可不設導管),待裝配式混凝土構件運送至施工現場并吊裝定位后對預應力筋施加預應力,利用預應力筋對部件的擠壓作用,使不同的部件連接成一個整體。

        2.3.2 國內外相關研究及應用

        2004年Felipe J.Perez等[13]基于纖維分析模型研究了采用后張無粘結預應力連接的剪力墻的力學性能,結果表明:該模型應用于預測具有較高的準確性,并提出了一些抗震設計建議。2011年孫巍巍等[14]對采用后張無粘結預應力連接的某兩榀八層短肢剪力墻進行了擬靜力試驗,研究了該連接節點的抗震性能,結果表明:采用后張無粘結預應力連接的剪力墻具有“強墻弱梁”的特點,其裂縫主要發生在墻-連梁結合部位,其余位置基本保持彈性,有利于地震后的修復工作。2018年潘鵬等[15]為了研究后張無粘結預應力連接混凝土節點的抗震性能,設計了現澆和后張無粘結預應力梁柱節點的擬靜力對比試驗,結果表明:該節點具有優于現澆節點的承載能力、剛度和變形能力,但其耗能能力較弱。

        后張預應力連接具有承載能力大、變形能力小、施工工作量少、自我恢復能力強的優點,在某些力學性能方面更是優于現澆節點,主要被應用于梁-柱連接、柱-柱連接和墻-墻連接等。目前,裝配式混凝土后張預應力節點連接技術已被成功地運用于上海虹橋商務商業社區項目、北京北辰正方酒店式公寓項目等。

        2.3.3 質量控制措施及展望

        后張預應力連接具有耗能能力不足的缺點。因此,應采取一定的措施增強其耗能能力,例如在節點連接處設置耗能阻尼器、摩擦鋼板等耗能減震裝置。但是目前市場上應用的耗能裝置安裝復雜,成本較高,耗能減震裝置空間占用率高的問題也亟待解決,應針對以上問題作進一步的研究。

        3 濕式連接

        3.1 套筒灌漿連接

        3.1.1 基本原理

        套筒灌漿連接[16]在裝配式混凝土結構中的應用十分廣泛,通過將預制構件端部預留的鋼筋從一端或兩端插入套筒內,然后用特制灌漿料填滿,當灌漿料凝固后與套筒共同起著連接預制構件的作用。

        3.1.2 國內外相關研究及應用

        2012年Paolo Riva等[17]為了研究套筒灌漿連接節點的抗震性能,設計進行了柱-基礎套筒灌漿連接件試驗,結果表明:套筒灌漿連接的延性和耗能能力表現良好,與現澆結構性能基本相同,達到了“等同現澆”的效果。2018年陳年和等[18]為了研究加載速率對裝配式混凝土結構半套筒灌漿連接動態性能的影響,進行了18次動態拉伸試驗,結果表明:被連接鋼筋的力學性能得到了充分利用;動態荷載對裝配式混凝土結構半套筒灌漿連接接頭的影響基本可以忽略,在設計時可不予考慮。2019年葛華等[19]采用試驗和有限元模擬相結合的方法,分析了各因素對套筒灌漿連接混凝土剪力墻承載力和變形能力的影響效果,結果表明:套筒位置和數量對剪力墻承載力和變形能力的影響較小,砼強度、軸壓比、配筋率和配箍率對其影響較大。

        套筒灌漿連接具有很高的承載能力、良好的抗震和整體性能,可以達到“等同現澆”的要求,主要被應用于柱-柱連接和墻-墻連接等。目前,裝配式混凝土套筒灌漿節點連接技術已被成功地運用于北京城市副中心職工周轉房項目B1標段、北京懷柔F2項目等。

        3.1.3 質量控制措施及展望

        套筒灌漿連接的施工質量容易受到施工條件和人工的影響,而且目前所采用的檢測方法無法精確地測出灌漿料的填充飽滿程度,難以控制施工質量。因此,應選用專業水平高的施工班組,并合理采用無收縮微膨脹高強度灌漿料以降低材料收縮變形的不利影響,同時利用可靠的方法使灌漿料填充密實以確保灌漿料與鋼筋間的粘結強度。目前灌漿料飽滿程度無法實現精確測量,在后續研究中應加強套筒注漿新工藝和灌漿料檢測新方法的研究。

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