新型装配式轻钢-EPS 轻质混凝土板墙体系节点性能试验研究分析

刘殿忠 刘 寒

吉林建筑大学土木工程学院（130118）

0 引言

传统的现浇式建筑以现场湿作业为主，工序多、用工量大、工期长，资源重复利用率低。因此，装配式建筑应用而生。装配式建筑采用工业化的方式进行，部分或全部构件在工厂预制，运到施工现场后再通过可靠的连接方式拼装成一体。与传统的现浇式建筑相比，预制装配式建筑具有成品质量高、现场施工环境好、节省人工、工期较短等优点，更符合低碳环保的时代发展主题。

随着高层、超高层建筑的不断发展，建筑的重量越来越大，不但增加了建筑地基的处理难度，同时也带来了很多结构问题，因此，如何减轻建筑结构的自重是亟待解决的问题。当前广泛应用的钢筋混凝土结构存在自重大、抗震性能差等不足，与之相比，钢结构自重较轻，但纯钢结构又存在防火性能差等不足，为此发展出了将钢筋混凝土结构与钢结构合二为一的结构体系——组合结构。组合结构的强度高，单位强度的重量低于钢筋混凝土结构，而抗火、抗腐蚀性能又优于钢结构，因而兼具钢筋混凝土结构与钢结构的优点。作为组合结构的一种，轻钢-泡沫混凝土组合结构同样兼具这两种结构的优点。轻钢和泡沫混凝土均为轻质材料，没有自重大的缺点；同时二者均能较好地降低耗能及减震，从而具有良好的抗震性能。泡沫混凝土中含有大量气泡，保温隔热效果好。用泡沫混凝土包裹轻钢，避免了钢结构防火性能差的缺陷。因此，发展轻钢-泡沫混凝土组合结构具有十分重要的意义。

1 目前常见的装配式组合结构节点形式

1.1 钢筋浆锚搭接

钢筋套筒灌浆连接是将钢筋插入连接套筒中，然后由套筒上的灌浆孔注入高强度无收缩灌浆料，灌浆料硬化后钢筋便与套筒紧密连接在一起，如图1 所示。灌浆料的高强性、无收缩性可充分保证其与套筒内壁及钢筋表面的黏结、摩擦及咬合强度，套筒对灌浆料的约束进一步提高了其黏结性能，从而使钢筋间应力得以有效传递[1,2]。该连接技术在20世纪80 年代就被日本、新西兰等国运用于工程实践当中[3~5]。国内钱稼茹等学者的研究表明，这种连接方式的强度等力学性能较好，可以有效传力[6~10]。在保证灌浆质量的情况下，采用该连接方式的装配式钢筋混凝土结构几乎可以等同于现浇结构。该连接方式在国内也经过了部分实际工程的检验，随后被纳入了《装配式混凝土结构技术规程》并成为主流技术。然而在实际工程应用中，由于监督检查不到位，存在不按规范操作和偷工减料等问题，使得灌浆质量难以保证从而存在很大安全隐患，影响到了该连接方式的推广应用[11]。

图1 钢筋套筒灌浆连接

1.2 钢筋套筒灌浆连接

钢筋浆锚搭接连接是将预制构件的插筋插入到所连接预制构件对应位置的预留孔道内，再在孔道内填充高强无收缩灌浆料形成的连接，主要包括约束浆锚连接和金属波纹管浆锚连接。约束浆锚连接在接头范围内预埋螺旋箍筋，有效加强了对搭接段混凝土的约束；通过抽芯形成带肋孔道，并预留好灌浆孔与排气孔。金属波纹管浆锚连接通过预埋金属波纹管成孔，在预制构件支模时即与构件内钢筋紧贴并绑扎固定在一起，波纹管顶端向构件表面弯折至模板外作为后期的灌浆口。无论是约束浆锚连接还是金属波纹管浆锚连接，均是通过钢筋与灌浆料间的黏结实现传力。姜洪斌等人的研究实践证明了浆锚搭接连接的可行性[12~15]。

但此种连接方式需要在不太厚的墙体中预留大量插孔，施工难度大；且孔边缘混凝土厚度很小，在构件运输过程中容易损坏，从而影响到构件的连接。考虑到钢筋搭接接头的偏心传力性质，通常对其连接长度也有所限制。此外还有一点与套筒灌浆连接类似，由于也涉及到灌浆作业，故一定程度上也存在灌浆质量不易保证的问题。

图2 金属波纹管浆锚连接

1.3 叠合式连接

叠合式连接常用于叠合梁或叠合板中，通常在预制时只做好梁或板的中下部等，在工地上就位之后再配置上部钢筋，待各构件的钢筋连接或锚固好后，再在连接区段后浇混凝土形成整体。图2 所示的预制柱叠合梁框架节点是叠合式连接的一种典型应用方式。其中梁纵筋应伸入后浇节点区内锚固或连接，连接时可采用机械连接或焊接，梁上部受力纵筋应贯穿后浇节点区。

陈适才、张季超等人对此种连接方式进行了大量研究，表明采用此种连接方式的装配式节点的抗震性能与现浇混凝土节点基本接近[16~19]。此种连接方式受力较好相对可靠，被纳入了装配式建筑的相关规范中。但其最大缺点是湿作业太多，严重降低了装配式建筑的预制率，使其不能称为真正意义上的装配式建筑。

1.4 螺栓连接

螺栓连接是机械连接的一种，所用螺栓可以是螺纹杆，也可以是常规的螺栓，其连接如图3 所示。具体来说，就是在上层剪力墙下端预埋带有孔洞的钢板，在下层剪力墙中设置上端带螺纹的插入钢筋作为螺杆，连接时将插入钢筋穿过钢板后拧上螺帽，然后在连接部位浇筑混凝土即可。

图3 新型装配式组合结构板墙体系节点

螺栓连接构造简单、操作方便、施工工期短，但也有缺点:一是安装时很难确定螺栓是否拧紧，二是在长期受力时可能会产生螺栓松动问题。国外的James F 等[20-22]，国内的范力、王啸霆等[23]研究了螺栓连接节点的力学性能。研究结果显示，螺栓连接可以有效传递轴力和剪力，保证预制剪力墙的整体性，但其节点耗能和延性略差。

2 新型装配式组合结构板墙体系节点试验

与当前国内应用较多的钢筋套筒灌浆连接、钢筋浆锚搭接、叠合式连接等节点形式相比，文章提出的节点连接形式在缩短工期方面具有明显优势。传统的节点连接都必须等混凝土或灌浆料浇筑及养护完成之后，才能将预制构件连成一个整体，因而在养护完成前不能进行下一层的施工；上述节点虽然也有后浇混凝土，但在其浇筑之前各预制构件就已经通过自攻钉连成了一体，型钢骨架已拥有足够的承载能力，因而可以继续施工下一层，有利于缩短工期。

与螺栓连接等相比，该连接形式不需要预先打孔，施工时可以直接用电钻将自攻钉打入薄壁型钢中，省去了打孔的麻烦。更重要的是施工时无需精确对位，不会出现因孔位对不上而难以连接的问题，从而极大地提高了施工效率。

3 不足与展望

对组合结构的研究还有待深入，组合结构的节点连接还需要特定的剪力连接件、专门焊接设备和专业焊接技术人员。装配式建筑目前只注重研究装配式主体结构技术研究，忽视了结构系统与建筑围护、建筑设备、内装系统的相互配套，建筑产品的整体性、系统性研究不够深入。装配式建筑设计仍停留在传统建筑设计思维阶段，设计与其他环节脱节，设计的构件、部品部件不便于加工、不方便安装，导致工厂生产和现场装配的工序复杂、效率低下、成本增加。目前，装配式结构体系平均成本普遍比传统现浇体系高，无竞争优势，在一定程度上阻滞了装配式建筑的推广和发展。当前社会对装配式建筑的结构安全性认识不足，普遍认为装配式结构抗震能力不足、灌浆套筒安全性较差。目前装配式钢-混组合结构研究还处于初级阶段，研究理论并不成熟，在装配式钢-混组合结构的墙板连接研究相对较少，仍需要深入研究探讨。

4 结语

文章先从钢筋套筒灌浆连接、钢筋浆锚搭接连接、叠合式连接、预应力压接、螺栓连接、出发，依据国内、国外两个研究方向及发展现状，对各个节点连接方式的优点与缺点进行分析对比。最后简单描述新型装配式板墙节点的连接方式和其节点的各项性能。