基于UHPC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

(1.中国建筑第五工程局有限公司,湖南 长沙 410004;2.湖南中建五局绿色市政工程研究中心有限公司,湖南 长沙 410004)

0 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[1-5]、波纹管浆锚连接[6]、后浇带连接[7-10]等,干式连接主要包括:螺栓连接[11-12]、焊接连接[13-14]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[15-17],只能通过后期补灌修复处理才能满足结构的安全性要求[18],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(ultra high performance concrete,UHPC)的钢筋错位连接装配式混凝土节点连接技术,如图1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la取10d～12d(d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1 钢筋错位连接示意Fig.1 Steel bar dislocation connection

1 前期试验研究

1.1 UHPC材性试验研究

UHPC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UHPC抗压强度、抗折强度和流动性的影响[19-20],试验表明:水胶比、钢纤维掺量、长径比和纤维混杂对UHPC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=1∶0.24∶0.11∶1.15∶0.20,钢纤维体积掺量为1.5%,水胶比为0.18,减水剂掺量为0.25时,制备出的UHPC抗压强度达140MPa,抗折强度达30MPa,流动度达270mm,具有良好的力学性能和工作性能,UHPC材料性能测试如图2所示。

图2 UHPC材性试验Fig.2 UHPC material property test

1.2 UHPC与钢筋锚固性能研究

UHPC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、UHPC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20mm,钢筋锚固长度为5d时,试件发生钢筋拔断破坏,UHPC未出现裂缝,如图3a所示。为研究在疲劳荷载作用下,UHPC与钢筋的黏结性能,采用MTS对锚固长度为9d的试件进行疲劳加载试验,疲劳加载次数为80万次,加载频率为4Hz,在80万次疲劳加载后,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3b所示。在9d的锚固长度下,钢筋与UHPC间未出现疲劳损伤,导致黏结滑移。

图3 UHPC与钢筋拉拔试验Fig.3 UHPC and steel bar pullout test

1.3 基于UHPC的钢筋错位连接装配式混凝土结构试验

采用10d钢筋错位连接的预制装配梁破坏形式与现浇梁相同,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,UHPC现浇段未开裂,如图4a所示,开裂弯矩、屈服弯矩和极限弯矩基本等同现浇结构。10d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4b所示。

图4 钢筋错位连接装配式混凝土结构试验Fig.4 Test on prefabricated concrete structures with steel bar dislocation connection

综上所述,前期的试验研究证明了钢筋与UHPC的极限锚固长度为5d(d为纵向受力钢筋直径)。当UHPC后浇段内钢筋错位连接长度为10d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10d设计。

1.4 叠合梁与全预制板抗剪试验

预制结构采用C35混凝土浇筑,全预制板段钢筋伸出长度为10d,板外伸钢筋深入梁的叠合层,梁板节点区域采用UHPC浇筑连接。预制试件表面与UHPC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UHPC,浇筑时采用振动棒振捣,使节点处UHPC浇筑密实,排出气泡。浇筑时,预留3组100mm×100mm×100mm的立方体抗压试块,48h后拆模自然养护28d,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5所示。采用分级加载的方式,每级荷载为2kN,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5),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80%时,停止加载。

图5 试件加载Fig.5 Sample loading

当荷载加载到54kN时,支座处边缘预制混凝土表面出现微裂缝,当荷载加载到102kN时,出现第1条结构裂缝,当荷载加载到118kN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20mm时,试件的承载力为54kN,结构裂缝扩展如图6a所示,结构完全失去承载力,停止加载。UHPC连接节点未出现裂缝,普通混凝土板与UHPC接缝处也未出现开裂现象,如图6b所示。

图6 梁板节点抗剪破坏Fig.6 Shear failure of beam plate node

荷载-位移曲线如图7所示。由图7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;UHPC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118kN。试件在18kN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7 荷载-位移曲线Fig.7 Load-displacement curve

综上所述,前期试验研究证明了钢筋与UHPC的极限锚固长度为5d,当UHPC后浇段内钢筋错位连接长度为10d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10d设计。

2 结构设计

2.1 预制剪力墙连接

预制剪力墙连接设计如图8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laE,当抗震等级为4级时,laE与纵向钢筋基本锚固长度lab相同(lab为10d)。

图8 预制剪力墙节点连接设计Fig.8 Design of prefabricated shear wall node connection

2.2 剪力墙与叠合梁连接

剪力墙与叠合梁连接设计如图9所示,剪力墙预埋连接钢筋埋置长度为laE且不小于600mm,叠合梁钢筋与剪力墙预埋连接钢筋错位连接长度laE=10d,钢筋错位连接区域和叠合层浇筑UHPC。

图9 剪力墙与叠合梁连接设计Fig.9 Design of connection between shear wall and composite beam

2.3 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10a所示,全预制板下部纵向受力钢筋伸入UHPC后浇区中锚固长度不应小于5d;全预制板上部纵向受力钢筋锚固长度不应小于lab。叠合梁与全预制板端中间支座连接如图10b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5d,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1.2lab。

图10 叠合梁与全预制板连接设计Fig.10 Connection design of composite beam and fully prefabricated plate

3 施工工艺

3.1 预制剪力墙施工工艺

本项目位于湖南省长沙市,为新型装配式结构体系示范工程,工程建筑面积约418m2,整栋楼共3层。本项目中装配式结构节点采用UHPC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2个垫块,构件距安装面约1.5m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30cm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11a所示。

图11 预制剪力墙吊装及节点浇筑Fig.11 Prefabricated shear wall hoisting and node pouring

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2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60°,如图11b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UHPC现浇区采用木模对外侧进行支模封边(见图11c),考虑UHPC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UHPC达到设计强度的70%时,拆除边模。

预制剪力墙与预制楼板节点处浇筑高流态的UHPC(见图11d),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UHPC水分快速蒸发引起收缩开裂。

3.2 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12a);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12b所示。

图12 叠合梁吊装Fig.12 Hoisting of composite beams

3.3 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13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;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13 预制板吊装工艺流程Fig.13 Prefabricated plate hoisting process flow

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UHPC浇筑漏浆。拼缝处理完成后开始浇筑UHPC,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UHPC的高流动性实现自密实浇筑,无需振捣。

4 结语

1)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,UHPC中钢筋的极限锚固长度为5d,在锚固长度为10d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UHPC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lab为10d,对于预制剪力墙结构,钢筋错位连接长度laE在抗震等级为4级时为10d,叠合梁与预制板、预制板与预制板间钢筋的错位连接长度为1.2lab。

2)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90%以上。