陳威鋼 鄭七振 龍莉波 馬躍強(qiáng) 陳 剛 章 誼

1. 上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院 上海 200093；2. 上海建工二建集團(tuán)有限公司 上海 200080；3. 上海建筑工程逆作法工程技術(shù)研究中心 上海 200080

1 研究背景

我國預(yù)制裝配式混凝土技術(shù)較為落后，多種因素制約了裝配式建筑的發(fā)展。隨著我國建筑工業(yè)化的不斷發(fā)展，中央和各級地方政府相繼出臺各項(xiàng)利好政策，裝配式建筑行業(yè)迎來了黃金發(fā)展期。

框架結(jié)構(gòu)是建筑工程中應(yīng)用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式，連接方式是預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)體系的核心技術(shù)[1]。整澆濕式連接是目前工程常用的構(gòu)件連接方式之一。這種連接方式是通過后澆混凝土將預(yù)制構(gòu)件連接在一起。預(yù)制構(gòu)件鋼筋連接方式有灌漿套筒連接、漿錨搭接和鋼筋搭接連接等，但都或多或少存在一些缺陷。

2 前期試驗(yàn)研究

超高性能水泥基復(fù)合材料（UHPC）是一種高強(qiáng)度、高韌性、低孔隙率的超高強(qiáng)度水泥基材料，具有優(yōu)越的力學(xué)性能，其抗壓強(qiáng)度大于150 MPa，抗拉強(qiáng)度大于7 MPa，極限拉伸應(yīng)變大于0.2%，是一種類金屬新型材料[2]。同時具有自流平特性、自密實(shí)性能、易澆筑、易振搗、常溫常壓養(yǎng)護(hù)等超高施工性能。目前UHPC在市政工程、橋梁工程和結(jié)構(gòu)加固維修等領(lǐng)域都有大量應(yīng)用，國外文獻(xiàn)也將UHPC用于預(yù)制構(gòu)件后澆連接，研究結(jié)果表明，可以有效減少鋼筋搭接長度且具有良好的整體性。目前國內(nèi)關(guān)于UHPC用于后澆濕連接的研究較少，沒有確切的試驗(yàn)結(jié)論。

為了改善預(yù)制構(gòu)件在連接上存在的問題，推動預(yù)制裝配式建筑的發(fā)展，上海理工大學(xué)和上海建工二建集團(tuán)有限公司研究團(tuán)隊(duì)合作，基于UHPC優(yōu)異的性能，提出一種全新裝配連接方式：鋼筋搭接連接＋UHPC后澆的構(gòu)件連接方式。團(tuán)隊(duì)采用上海羅洋新材料科技有限公司的Tenacal T180型號UHPC材料先后開展了拉拔試驗(yàn)、梁受彎性能試驗(yàn)、柱抗震性能試驗(yàn)、梁柱節(jié)點(diǎn)抗震試驗(yàn)等基礎(chǔ)研究工作。

試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼筋在UHPC的合理錨固長度為4d（d為鋼筋直徑）[3]，以UHPC連接的裝配梁在荷載作用下裂縫發(fā)展緩慢，鋼筋未出現(xiàn)滑移，當(dāng)鋼筋搭接長度為10d時，承載能力和變形能力與整澆試件相當(dāng)[4]。以UHPC連接的預(yù)制柱承載力均好于整澆構(gòu)件，當(dāng)鋼筋搭接長度為10d時，試件的耗能能力與整澆試件相當(dāng)[5]。以UHPC連接的梁柱節(jié)點(diǎn)具有良好的整體性，當(dāng)鋼筋搭接長度為10d時，試件具有等同現(xiàn)澆的抗震耗能能力[6]。

綜上所述，當(dāng)鋼筋的搭接長度為10d時，以UHPC連接的裝配式試件具備了等同現(xiàn)澆的承載能力和耗能能力，某些性能指標(biāo)甚至優(yōu)于整澆試件。不僅有效地縮短了鋼筋搭接長度，方便施工，更有效地保證了試件的力學(xué)性能，極大地改善了構(gòu)件連接存在的問題。

3 新型裝配式框架結(jié)構(gòu)體系

在前期研究的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出“預(yù)制節(jié)點(diǎn)＋梁柱構(gòu)件＋UHPC連接”的裝配框架體系。該體系梁、柱和節(jié)點(diǎn)均采用工廠預(yù)制，在現(xiàn)場通過鋼筋搭接后澆UHPC進(jìn)行連接（圖1）。與傳統(tǒng)的裝配模式相比，這種裝配模式具有以下優(yōu)點(diǎn)：鋼筋采用短連接，施工方便；節(jié)點(diǎn)采用工廠預(yù)制，整體性能好；接頭部分位于受力較小區(qū)域；施工質(zhì)量檢測方便。如果能夠證明這種裝配結(jié)構(gòu)性能能夠達(dá)到或接近整澆框架的水平，則推廣后會極大地提高裝配式建筑的生產(chǎn)效率，有利于推動裝配式建筑的發(fā)展。

3.1 預(yù)制節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)采用預(yù)制是該體系的特點(diǎn)之一，預(yù)制節(jié)點(diǎn)能夠保證節(jié)點(diǎn)質(zhì)量，使結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下節(jié)點(diǎn)不易被破壞，震后建筑便于修復(fù)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計意圖。預(yù)制節(jié)點(diǎn)根據(jù)柱鋼筋設(shè)計位置預(yù)留鋼筋孔，以便柱鋼筋穿過與上層柱鋼筋連接（圖2），并在連接面按照規(guī)范要求設(shè)置相應(yīng)的鍵槽和粗糙面，增加構(gòu)件的連接性能和抗剪能力，在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)側(cè)端預(yù)留一定長度的懸臂梁，方便與預(yù)制梁連接。

圖1 新預(yù)制裝配框架體系示意

圖2 預(yù)制節(jié)點(diǎn)示意

3.2 梁連接

預(yù)制梁鋼筋通過搭接方式與預(yù)制節(jié)點(diǎn)連接，搭接長度為10d，通過后澆UHPC實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件間的連接。預(yù)制構(gòu)件連接端均設(shè)置鍵槽和粗糙面，增加構(gòu)件的連接性能和抗剪能力。由于UHPC強(qiáng)度大，具有在受力時不易開裂的特點(diǎn)，將連接段設(shè)置在離節(jié)點(diǎn)核心區(qū)1.5倍梁高處，使結(jié)構(gòu)在地震作用下塑性鉸首先出現(xiàn)在后澆段與節(jié)點(diǎn)核心區(qū)之間的部位（圖3），這樣能夠有效地增加結(jié)構(gòu)的耗能能力，減小節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪切變形，保護(hù)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”的設(shè)計指導(dǎo)思路[7-8]。

3.3 柱連接

預(yù)制柱連接部位設(shè)置在預(yù)制節(jié)點(diǎn)上方，這樣設(shè)置可以使預(yù)制節(jié)點(diǎn)成為二維構(gòu)件，方便運(yùn)輸和施工。預(yù)制柱鋼筋穿過預(yù)制節(jié)點(diǎn)預(yù)留鋼筋孔與上層柱鋼筋搭接連接，搭接長度為10d。通過后澆UHPC實(shí)現(xiàn)構(gòu)件連接（圖4）。預(yù)留鋼筋孔用灌漿料通過壓力注漿填充密實(shí)，實(shí)現(xiàn)力的傳遞。預(yù)制節(jié)點(diǎn)和下層柱之間設(shè)置坐漿層，實(shí)現(xiàn)下層柱與預(yù)制節(jié)點(diǎn)之間的連接。預(yù)制構(gòu)件連接面均設(shè)置抗剪鍵槽和粗糙面，增加連接的整體性。

4 施工方式

圖3 預(yù)制梁連接示意

圖4 預(yù)制柱連接示意

下部基礎(chǔ)完成后首先吊裝底層預(yù)制柱，預(yù)制柱鋼筋與基礎(chǔ)預(yù)留鋼筋搭接連接后澆筑UHPC。完成柱安裝后再吊裝預(yù)制節(jié)點(diǎn)，通過坐漿層將預(yù)制節(jié)點(diǎn)與預(yù)制柱連接，然后吊裝預(yù)制梁，將預(yù)制梁與預(yù)制節(jié)點(diǎn)鋼筋搭接連接，在搭接段后澆UHPC，將預(yù)制梁與預(yù)制節(jié)點(diǎn)連接?？梢愿鶕?jù)構(gòu)件的特點(diǎn)開發(fā)U形活動模板，提高支模效率，并可以重復(fù)利用。隨后可按照順序逐層吊裝，由于鋼筋全部實(shí)現(xiàn)短連接且UHPC強(qiáng)度增長速度較快，所以極大地提高了施工效率。

5 結(jié)語

本文梳理了當(dāng)前預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)在構(gòu)件連接中存在的問題，以及為解決這些問題而基于UHPC進(jìn)行的前期試驗(yàn)研究。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了一種新形式的裝配框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)想，根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果將這種結(jié)構(gòu)構(gòu)件鋼筋搭接長度設(shè)定為10d，實(shí)現(xiàn)了鋼筋短連接，構(gòu)件采用二維構(gòu)件。這種體系具有結(jié)構(gòu)合理、節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度高、施工簡便、施工質(zhì)量易檢測等諸多優(yōu)點(diǎn)，下一步將通過試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證這種結(jié)構(gòu)體系的抗震性能，將此結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用到實(shí)際工程中去做進(jìn)一步論證。