螺栓连接装配式低层框架结构深化设计与试验研究*

吕雪源，杨嘉伟，李 贝，李玉兵

(中建一局集团建设发展有限公司，北京 100102)

0 引言

我国装配式混凝土建筑正快速、持续发展，相关设计标准[1-4]和建造方法[5-6]仍不断完善。然而，在低、多层装配式框架结构中，现有设计和施工方法仍有较多问题亟待解决[7]，如低、多层框架结构构件截面较小，梁柱节点区钢筋密集，导致构件难以安装，节点区混凝土振捣不密实，施工现场大量支设脚手架和模板等，难以充分发挥机械化施工优势。

为解决上述问题，以装配式别墅为研究对象，采用某厂家生产的专用螺栓连接件代替湿式连接，以全预制板代替叠合板，探索低、多层装配式框架结构的新型建造方法。

1 工程概况

试验设计1栋足尺装配式别墅实验楼(简称实验楼)，为与常规建造方式相衔接，将实验楼设计为装配整体式框架结构，按等同现浇原则进行结构计算[8]。实验楼东西和南北轴线分别长16.80，11.35m，为地上3层结构，抗震设防烈度为8度，抗震等级为二级。实验楼首层层高3.3m，2层层高3.0m，3层为坡屋面，层高3.74～4.63m，结构高度为10.93m，总建筑面积350m2。

实验楼框架柱、框架梁和楼板均采用预制混凝土构件，次梁采用型钢梁。预制柱-基础节点[9]、梁-柱节点采用专用螺栓连接件相连[10]，楼板为全预制板，仅在连接节点部位需要少量湿作业。实验楼结构预制率为92%，结构模型如图1所示。

图1 实验楼结构模型

2 结构布置与深化设计

2.1 结构布置

实验楼典型柱网尺寸为4.9m×3.2m，主要柱截面为400mm×400mm，主要梁截面为250mm×520mm，楼盖及坡屋面厚150mm。全预制楼板支承在预制梁侧面的混凝土牛腿上，施工阶段底部无须设置支撑。结构平面布置如图2所示。

图2 结构平面布置

2.2 构件种类

实验楼中预制构件为预制柱、叠合梁和预制板，如图3所示。预制柱共13种，21件，最大质量为4.28t。预制柱为一柱多层设计，底部预埋柱靴，通过螺栓与基础相连，柱侧面留有螺栓孔，通过螺栓与叠合梁端部的连接件相连。叠合梁共42种，74件，最大质量为1.38t，梁侧面设置混凝土牛腿，施工时用于搭设预制楼板。楼板采用全预制形式，上部不再浇筑叠合层，预制板共27种，39件，最大尺寸为4.0m×2.3m×0.15m，最大质量为3.46t。

图3 典型预制构件

2.3 连接节点

连接节点是将预制构件连接为整体的关键部位，合理的节点设计应满足节点承载力和相关力学性能与结构计算模型一致，满足预制构件生产和安装阶段的可实施性。为此，本试验共设计3类节点。

2.3.1预制柱-基础连接

预制柱底部设置专用连接件-柱靴，柱靴一端为钢筋，通过搭接方式连接柱内纵筋，柱靴另一端为钢质连接件，底部开有螺栓孔。为便于调节柱标高和垂直度，预制柱与基础间预留50mm宽的安装缝，拧紧螺栓后，用灌浆料填实底部安装缝。柱靴和连接节点构造如图4所示。

图4 预制柱-基础连接节点

2.3.2叠合梁-预制柱连接

叠合梁与预制柱通过梁靴相连(见图5)。梁靴构造与柱靴相似，一端为钢筋，与梁内纵筋搭接连接，另一端为开有螺栓孔的钢质连接件，通过高强螺栓将叠合梁与预制柱连接为整体。预制柱与叠合梁相对部位设置键槽，以抵抗使用阶段的竖向荷载。为便于构件安装，将安装缝设计为50mm宽。该节点具有较高承载力和刚度，在安装缝内灌浆后能承担一定施工荷载，当验算满足要求时，梁下部可不设置临时支撑。

图5 叠合梁-预制柱连接节点

2.3.3预制板连接

为减少施工现场的临时支撑和湿作业量，楼板采用全预制板。预制板端部与梁连接时，板端支承在梁侧牛腿上，板上部钢筋伸出向下弯折，锚固于叠合梁后浇混凝土中；板侧与梁为密拼连接，板上部钢筋向外伸出直锚于叠合层中。为使楼板具有良好的整体性，在预制板侧设置T形抗剪槽，然后将连接钢板在槽底预埋钢板上进行三面围焊，最后在抗剪槽中浇筑混凝土，使相邻预制板连为整体。预制板连接节点如图6所示。

图6 预制板连接节点

3 施工要点

设计、施工一体化是装配式建造方式的关键特征之一[11]，在设计阶段充分考虑建筑全生命周期的需求，而施工阶段作为设计阶段的延伸，是实现设计意图的过程。为考察设计合理性，建造足尺实体结构进行验证。

3.1 柱基础施工

柱基础中预埋螺栓定位准确是预制柱准确安装的前提。为使预埋螺栓定位、角度均满足安装要求，综合考虑成本、施工效率、质量，钢筋绑扎时对预埋螺栓采取双层定位措施。下部为钢筋网片，将基础内的柱插筋从网片中穿过，使各钢筋位置基本准确；顶部为带孔定位钢板，将螺栓从定位孔中穿过后用螺母进行固定，实现预埋螺栓精确定位。完成螺栓定位和钢筋绑扎后浇筑混凝土，且振捣棒不能直接接触定位系统，以减少扰动。混凝土初凝前及时进行复测和校正。

3.2 预制柱安装

预制柱安装流程如下：测量放线→调整下部螺栓标高→预制柱翻身、起吊→预制柱就位、调整→接缝支模、灌浆。

预制柱吊装前，首先复测预埋螺栓的位置和顶部标高，然后在基础面上放出预制柱轴线和边线，并清理安装范围内的杂物。将预埋螺栓上的螺母顶部标高调整为设计标高。之后进行预制柱的安装和就位工作，将吊具固定在柱顶预埋件上，检查无误后进行翻身和起吊，翻身时在柱底放置软质材料，防止损坏连接件和柱脚。将预制柱吊至安装位置后缓慢下落，使预埋螺栓穿入柱靴螺栓孔中。通过调节螺母高度调整预制柱垂直度，满足设计要求后，在预埋螺栓上部拧入螺母并紧固，夹紧柱靴，复测无误后摘钩。完成就位后，在柱底接缝处支模，然后在柱底灌满C50灌浆料，灌浆料同条件养护试块强度≥15MPa(经设计验算，后续安装扰动不损伤灌浆料)后安装叠合梁。

3.3 叠合梁安装

叠合梁安装流程如下：搭设独立支撑→叠合梁就位、调整→安装连接件→接缝支模、灌浆→安装上部纵筋。

为提高效率，采用独立支撑作为梁的临时施工措施，支撑顶部标高调整合格后吊装梁。叠合梁起吊和就位后调整位置，使梁靴螺栓孔对齐预制柱侧面预留螺栓孔，然后穿入螺栓、拧紧螺母。完成叠合梁的固定工作后，于拼缝部位支模，从梁顶接缝处灌入C50灌浆料。灌浆作业完成后，将梁上部叠合层钢筋拧入预制柱侧面螺栓孔中，完成上部纵筋安装。

3.4 预制板安装

梁柱接缝灌浆料同条件养护试块强度≥15MPa后安装预制板，流程如下：搭设独立支撑→安装预制板→焊接连接板→浇筑接缝混凝土。首先搭设板底独立支撑，再将预制板吊起并就位。清理抗剪槽中的预埋钢板，在上部放置连接钢板，然后将预埋钢板和连接钢板焊接为整体，连接相邻预制板。最后，在板拼缝和叠合梁顶部浇筑C40自密实补偿收缩混凝土，完成预制板安装。将全预制板应用于坡屋面，免去复杂的支模工作，大幅降低湿作业难度，提升施工效率和工程质量。

4 试验结果

本试验开展时，建筑方案和结构设计已完成，深化设计是在已有资料的基础上进行的。研究结果表明，在低、多层装配式框架结构中采用螺栓连接是可行的。

相比常规湿法连接的装配式框架，采用螺栓连接可使竖向构件提前对水平构件形成侧向约束，防止临时支撑体系出现侧向失稳，故现场仅需独立支撑即可安装构件，大幅提高施工效率。由于采用全预制板，无须绑扎上部钢筋和浇筑叠合层混凝土，减少现场钢筋绑扎和湿作业工作量，并降低坡屋面施工难度。经测算，本实验楼可实现3d/层的施工速度，相比同体量装配式框架施工，减少现场工人数量65%。

4.1 方案设计

本试验共设计13种预制柱、42种叠合梁、27种叠合板，构件种类多，标准化程度不高，导致后期深化设计工作量大、生产模具投入量多。因为试验在现浇别墅方案的基础上进行构件拆分，未针对装配式建造特点优化建筑和结构方案。为避免这类问题，应在设计阶段提高柱网、层高和构件截面的标准化水平，协调使用功能和建造需求的关系。

4.2 深化设计

为满足GB 50011—2019《建筑抗震设计规范》[4]，本试验典型柱截面尺寸为400mm×400mm，梁截面尺寸为250mm×520mm。常规预制构件尺寸能满足构件内部钢筋构造要求，当采用专用连接件时，梁柱节点区域的连接件与钢筋易发生碰撞，且由于空间狭小导致避让困难。如预制柱中，梁上部受力纵筋一般向下弯折锚固，由于预制柱截面尺寸小，为避免钢筋碰撞和间距过小，将部分钢筋改为向上弯折锚固。在预制梁端部位，箍筋弯钩与梁底纵筋发生碰撞，为此将箍筋弯钩调整至叠合层内。典型问题处理方法如图7,8所示。

图7 预埋件避让设计

图8 钢筋避让设计

本试验中，最小叠合梁的长度为1 400mm，梁靴长度为1 700mm，梁靴尺寸大于构件尺寸。为解决该问题，取消梁内纵筋，直接连接梁靴，如图9所示。

图9 梁靴优化

此外，试验中的柱靴、梁靴和对应连接件锚固筋均为HRB500钢筋，与构件中的钢筋强度不一致。在搭接区域内，钢筋密度较大，易发生碰撞。

4.3 施工安装

相比套管灌浆连接的基础插筋，预埋螺栓对定位精度和成品保护有更高要求。因为螺栓表面的螺纹更易因磕碰发生损坏，若定位精度不高或安装操作有误，预制柱下落时柱靴与螺栓发生磕碰和摩擦，可能因螺纹损坏导致螺栓难以拧紧。

梁柱节点区的灌浆料具有足够强度后，可使该节点具有较高承载力，使预制梁可独立承担施工阶段荷载。安装阶段梁下部仍需设置临时支撑，难以进行免支撑施工。

梁柱节点区的灌浆腔为L形，灌浆时可能出现不密实的情况。因此，应严格控制灌浆料的流动度，并采取措施使模板严密不发生漏浆，若漏浆应及时堵漏并进行补浆。

此外，本试验中构件截面尺寸较小，虽然在设计阶段优化钢筋和预埋件布置，但仍给节点区域的钢筋、预埋件定位及混凝土浇筑带来较多困难，增加构件出现质量问题的风险。

5 结语

本试验以装配式别墅为对象，从深化设计和施工安装角度研究某厂家螺栓连接件在低、层框架结构中应用的可行性。结果表明，该连接件在低多层装配式框架结构中的应用是可行的，相比常规湿法连接装配式框架建造，优点如下：①预制构件能承担一定施工荷载，模架支设、钢筋绑扎和湿作业量少，现场以机械化安装为主，可大幅提升劳动效率，减少现场工人数量65%，缓解劳动力短缺对项目造成的影响；②大量采用干法连接，节点区域采用灌浆料填缝，施工速度快，可实现3d/层的建造速度，远快于常规装配式框架的6～7d/层。

应用该连接技术时，应重点注意以下方面：①在建筑和结构设计阶段，除考虑建筑使用功能外，还应考虑构件生产和施工阶段的需求，提高设计标准化水平，优化构件截面和连接件设计，从设计角度消除后期难以解决的问题；②提高施工管理的精细化水平，严格按照设计要求和相关标准作业，重视施工质量，充分发挥装配式建造优势；③低层框架构件截面尺寸小，为避免节点区钢筋和连接件密集问题，可将部分竖向构件设计为仅承担竖向荷载，从而简化梁柱节点的构造。