装配式混凝土框架结构柱梁节点连接分析及应用研究

2019-05-13 08:15:10马立群
城市道桥与防洪 2019年4期
关键词:框架结构套筒灌浆

马立群

(上海松江雅居乐房地产开发有限公司,上海市 201611)

0 引言

随着近年我国各级政府不断推出鼓励或强制性的引导政策,在相关企业的推动下,装配式建筑应用迎来了新一轮快速增长。装配式建筑体系可分为预制混凝土结构体系、钢结构体系和木结构体系,其中预制混凝土结构体系在目前应用最为广泛,而预制混凝土框架结构又为其中一种常见结构形式[1-3]。对于预制混凝土框架结构来说,柱梁节点核心区的连接方式选择非常关键,不同的连接方式对于施工质量及框架结构整体力学性能影响较大,可靠的节点连接至关重要,是结构安全的最基本保障[4-5]。在当下设计人员技术水平良莠不齐、预制构件加工相对粗放、现场施工管理不够规范的前提下,很容易造成节点核心区钢筋无法连接或相互碰撞现象,进而影响工程安全、进度及质量[6-9]。因此针对预制混凝土框架结构中柱梁节点核心区连接方式的研究及应用尤为重要。本文分析总结目前框架结构节点常用连接方式的优缺点,提出节点连接方式的选择和优化思路,并结合工程项目进行应用示范。

1 框架结构柱梁节点常用连接方式

框架结构柱梁节点连接按照是否先行整体浇筑分为两种:第一种柱梁节点先行浇筑,通过将钢筋连接转移至节点核心区之外的方式实现(图1);第二种柱梁节点现场浇筑,通过解决节点核心区内的钢筋连接实现。本文仅针对第二种情况展开分析及研究。

图1节点整体先行浇筑而钢筋核心区外连接

目前,装配式混凝土框架结构中柱梁现浇节点处柱-柱连接多采用套筒灌浆连接(图2);梁-梁连接按照施工工艺分类可分为湿法连接、干法连接两种方式,湿法连接主要采用套筒灌浆连接(图3),干法连接包括端锚连接(图 4)、弯锚连接(图5)、牛腿连接(图6)、新型可调组合钢筋接头连接(图7)及其他方式。

1.1 套筒灌浆连接

钢筋套筒灌浆连接技术是指带肋钢筋插入内腔为凹凸表面的灌浆套筒,通过向钢筋与套筒的间隙灌注专用高强水泥基灌浆料,待灌浆料凝固后将钢筋锚固在套筒内实现针对预制构件的一种钢筋连接技术。

图2柱-柱套筒灌浆连接

图3梁-梁套筒灌浆连接

图4端锚连接

图5弯锚连接

图6牛腿连接

图7新型可调组合钢筋接头连接

套筒灌浆连接有以下优点:

(1)钢筋连接安全可靠。灌浆料强度等级达到C85,能够保障结构连接安全可靠,且行业内配套标准及规范已相对齐全。

(2)技术成熟稳定,国内外项目实践案例多。日本作为多地震国家广泛采用套筒灌浆连接技术,目前国内预制混凝土整体式剪力墙结构、预制混凝土框架结构中竖向承重构件连接也已大量应用。

(3)成本优势不断显现。灌浆套筒、灌浆料及配套注浆设备等产品生产厂家逐渐增多,成本不断下降。

但是,实践证明,某些情况下套筒灌浆连接存在以下不足:

(1)套筒直径大,影响混凝土的有效保护层厚度。目前常用的处理方法有两种,一种是加大构件截面尺寸,这样就造成混凝土用量增加进而导致成本增加、影响建筑使用空间等一系列问题;另一种是将钢筋位置向构件内移动,这种方式会造成构件受力性能减弱。

(2)灌浆连接节点区域箍筋易受影响。通常构件在节点核心区域的箍筋需要加密,由于灌浆套筒长度较长且直径较大,会影响箍筋的排布及安装,进而造成连接节点受力性能的发挥。

(3)需要严格控制灌浆作业与主体施工之间的相对间隔。如间隔时间短,则灌浆作业容易受到主体拆模影响,如间隔时间长则可能影响整体结构稳定性。

(4)灌浆质量不易控制。灌浆必须要有专业人员作业,人为因素影响大,灌浆料生产及存储出现问题将导致质量不稳定,工地现场复杂,比较容易引起某些部位灌浆不密实,而目前灌浆是否密实尚无成熟的现场检测手段。由于灌浆作业是不可逆的,一旦灌浆作业出现问题,将可能引起严重的结构安全隐患。

1.2 端锚连接

端锚连接是指钢筋端头采用锚固端板并按照结构规范设计达到连接要求的一种节点连接方式。端锚连接加工及安装方便,但主要存在连接力学性能差的缺点。

1.3 弯锚连接

弯锚连接是指钢筋端头采用弯折并按照结构规范设计达到连接要求的一种节点连接方式。弯锚连接加工及安装方便,但主要存在钢筋避让设计复杂、现场容易发生钢筋碰撞的缺点。

1.4 牛腿连接

牛腿连接是指通过设置在柱侧或梁侧的牛腿支撑竖向荷载及梁端剪力而形成的一种节点连接方式,具体又可划分为焊接、螺栓、叠合等形式。牛腿连接构造简单,但适用性相对有限,通常应用于工业厂房柱-梁、主-次梁连接。

1.5 新型可调组合钢筋连接

新型可调组合钢筋连接是指通过一组可调节、带导向功能的简单配件实现预制梁-梁节点快速连接的一种方式。

这种连接方式优点包括:

(1)不影响保护层且可实现钢筋同一截面连接。外径较小不影响混凝土的保护层,同时不影响箍筋的排布及安装,可实现钢筋同一截面机械连接。

(2)钢筋连接强度高。钢筋丝扣采用挤压滚丝加工而成,而非采用剥肋车丝工艺,增强了丝扣段的钢筋强度,经过拉拔试验测试,所有接头均断裂在钢筋原材处。

(3)适用性强。通过特有的接头导向装置,能够容许对接的两根钢筋接头存在1 cm以内的错位误差,且对钢筋长度可以补偿,在现有构件厂加工精度相对粗放的情况下,增加了产品的适用性和生产施工效率。

该连接方式具有以下缺点:

(1)组合接头为单一企业发明专利,可选择性相对较差,且钢筋接头挤压滚丝仅能由该企业加工,影响整体构件生产效率。

(2)该连接方式相对成本较高。

1.6 其他连接方式

内置钢盒式节点、GOK-W叠合式节点等方式,因存在构造复杂、操作性较差等特点,应用较少。

另外,普通机械套筒连接在目前建筑工程现浇结构中最为常见,产品工艺及连接质量稳定可靠。现场施工时通过转动钢筋予以连接然后绑扎成型,最后浇筑混凝土实现结构成型。在装配式混凝土结构中,针对梁-梁连接国内曾有技术人员通过工装严格控制构件中的钢筋定位来尝试直螺纹套筒连接(图8),但因对接的两根预制梁中钢筋丝扣相对位置固定,而钢筋无法转动,导致直螺纹套筒无法由一端钢筋正常接入另一端钢筋,如强行连接则可能破坏钢筋端头丝扣,进而导致连接效果大打折扣,无法满足一级接头要求,故此种尝试不具可行性。

图8预制构件尝试普通机械套筒连接

2 项目概况

某新建厂房项目位于上海市青浦区,总用地面积6 394.40 m2,总计容建筑面积10 539.20 m2,地上布置3栋厂房,其中1#、2#厂房为地上5层,地下1层,柱间跨距7.8 m,层高4.5 m,采用装配式整体框架结构体系,建筑单体预制装配率大于40%,构件类型包括预制柱、预制叠合梁、预制叠合板、预制楼梯。由于该项目预制柱、预制叠合梁数量占比分别达到96%、80%,存在大量“I型”、“一型”、“L 型”、“T 型”、“十型”预制柱梁连接节点,故预制柱梁节点核心区的连接方式选择与实施至关重要。

3 节点优化设计及施工

3.1 节点连接方式选择与优化

由于柱-柱竖向节点连接方式可选择性相对较少且套筒灌浆工艺相对成熟,故该项目柱-柱节点采用套筒灌浆方式。在具体选择时又分两种情况:(1)5层以下柱-柱连接;(2)出屋面柱顶收头。针对情况(1),采用常规的套筒灌浆连接方式(图9),由于±0及3层顶标高处存在钢筋变截面情况,故该项目共计采用 ø28~ø25、ø25~ø25、ø25~ø20、ø20~ø20共 4种含变截面规格的灌浆套筒;针对情况(2),预制柱钢筋收头采用端锚方式(图10),直接锚入屋面梁中。

图9 柱-柱套筒灌浆连接

图10柱顶端锚方式收头

该项目梁-梁横向节点类型包括“十型”、“L型”、“T型”、“一型”,所选择连接方式按以上类型分情况讨论:(1)由于“十型”为主梁之间主要的连接形式,且该节点钢筋连接最为复杂,为保证该项目整体结构力学性能,同时降低施工难度,故选择新型可调组合钢筋接头方式(图11);(2)由于“L型”均处于框架结构的角部,相互垂直交叉的两根预制梁不存在钢筋直接连接,故优先考虑采用弯锚连接方式(图 12);(3)“T 型”又分为两种情况,第一种为主梁之间的连接,为了最大程度保障受力性能,两根对接预制主梁之间采用了新型可调组合钢筋接头方式,而另一根主梁采用弯锚方式(图13),第二种为主次梁之间的连接,综合考虑力学性能要求及安装便利性,采用牛腿连接方式(图14);(4)由于该项目“一型”节点每层仅 1 处,且为主梁之间连接,综合考虑采用了新型可调组合钢筋接头方式。

由于装配式混凝土框架结构中柱梁节点核心区存在众多竖向柱筋及横向梁筋,该项目虽采用上述5种节点连接方式已使得连接简化,但设计时仍首要考虑了规避钢筋碰撞问题。该项目设计时采取的优化思路包括:(1)预制构件采用多组合、少规格的整体思路,其中预制柱优化至仅600 mm×600 mm、800 mm×600 mm两种规格,预制梁优化至仅300 mm×500 mm、400 mm×700 mm两种规格;(2)钢筋采用大直径、少根数的整体思路,最终预制柱截面钢筋有12根、14根两种,叠合梁底筋有3 根 ;(3)应用 BIM(Building Information Modeling)技术,针对相互垂直交叉的梁-梁钢筋、柱-梁钢筋进行可视化设计,通过对部分叠合梁底筋在端部按照1∶6的比例进行相应弯折来规避钢筋碰撞。

图11“十型”节点连接

图12“L型”节点连接

图13“T型”主梁连接

图14“T型”主次梁连接

3.2 节点施工

不同于现浇结构可根据现场条件对钢筋进行一定程度的调节,该项目是由工厂生产的构件现场组装而成,且构件预制装配率非常高,梁-梁之间的钢筋连接均达到毫米级要求,因而整体测量工作非常重要。该项目技术负责人、测量员、施工员全员参与,制定了详细的测量方案和过程控制措施,保障了测量质量。首层预制柱插筋定位非常重要,如插筋偏位或长度不足,则会带来一系列的麻烦,现场在赶工期的情况下工人可能采取野蛮的处理方式,极易导致严重的结构安全隐患。该项目在定位时采用了定位钢板(图15)控制,且定位钢板由构件厂根据模具加工而成,解决了定位问题。灌浆作业一般滞后于主体结构3层,由于灌浆不可逆,且目前尚无成熟的检测方式,故灌浆作业的过程管控尤为重要。该项目在整个灌浆过程中安排技术员专人跟踪(图16),每个构件拍摄影像资料存档,整体灌浆作业工序控制良好。

图15定位钢板

图16专人监控灌浆作业工序

4 实施效果分析

(1)该项目在选择柱梁节点连接方式时,根据不同的钢筋连接部位及特点,灵活选择了套筒灌浆连接、端锚连接、弯锚连接、牛腿连接、新型可调组合钢筋接头连接等5种方式,方法得当,成本更优,施工效率显著提高。

(2)该项目重视源头设计工作,通过预制构件多组合少规格、采用大直径少根数钢筋设计思路、借助BIM技术等优化工作,创造了简化柱梁节点连接的良好前提。

(3)该项目施工过程中,注重测量、首层预制柱插筋定位及灌浆作业等重点工作的过程把控,保障了节点连接质量。

(4)该项目在节点连接方式优化时,采用了新型可调组合钢筋接头这类新技术产品,成为上海市首批应用在框架结构中的项目之一,并在现场实践中取得了良好的连接效果。

5 结语

目前装配式混凝土框架结构柱梁节点连接方式种类较多,每一种都具有独特的优缺点,各项目在选择时应具体问题具体分析,综合考虑标准规范、节点适用性、施工难易程度、材料供应状况、工期要求、相对成本等因素灵活选择,从而实现节点连接方式的最优组合。另外,由于节点核心区钢筋众多,应优先考虑采用BIM技术进行设计优化,源头上降低施工难度及质量风险。

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