何昌露，馬海彬，陳 亮，李祚華，肖 俊

(1. 安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232000；2. 中國建筑第四工程局 土木工程有限公司，廣東 深圳 510000；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，廣東 深圳 518055)

0 引言

裝配式結(jié)構(gòu)體系具有節(jié)能環(huán)保、生產(chǎn)效率高、可韌性潛力大等優(yōu)點，已成為當(dāng)今建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢[1]。裝配式構(gòu)件作為裝配式結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分，能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和信息化管理，成品構(gòu)件的質(zhì)量及精度也要求較高。目前，裝配式構(gòu)件主要分為常規(guī)預(yù)制構(gòu)件和新型裝配式構(gòu)件兩大類。陽臺、疊合板、凸窗等常規(guī)預(yù)制構(gòu)件是目前裝配式結(jié)構(gòu)體系中常用的構(gòu)件類型[2-4]。然而，常規(guī)的預(yù)制構(gòu)件在設(shè)計上采用與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等同的原則，從結(jié)構(gòu)的抗震角度出發(fā)，此類構(gòu)件并不能充分發(fā)揮裝配式結(jié)構(gòu)體系的抗震性能。因此，具有耗能功能屬性的新型裝配式構(gòu)件發(fā)展起來，如利用新型裝配式防屈曲鋼板復(fù)合連梁[5]、鋼框架-防屈曲鋼板墻[6]等。這種新型裝配式耗能構(gòu)件一般通過一個剛性很大并且能夠連接相鄰樓層的預(yù)埋耗能裝置將新型裝配式耗能構(gòu)件的耗能元件與主體結(jié)構(gòu)連接在一起，當(dāng)結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生層間變形時，預(yù)埋耗能裝置可以有效地將結(jié)構(gòu)層間變形傳遞給耗能元件，從而實現(xiàn)耗能元件在地震作用下的耗能能力。因此，在現(xiàn)場裝配過程中，一般通過將預(yù)埋耗能裝置預(yù)埋進(jìn)上下相鄰樓層的主體結(jié)構(gòu)中，來保證與主體結(jié)構(gòu)上下樓層的有效連接。

由于預(yù)埋耗能裝置的預(yù)埋需要跨越上下相鄰樓層，所以在預(yù)埋時需要考慮如何避讓主體結(jié)構(gòu)的框架梁鋼筋，如何合理穿插預(yù)埋工序與主體結(jié)構(gòu)的鋁模封模工序以及如何釋放上下樓層結(jié)構(gòu)構(gòu)件的豎向變形給預(yù)埋耗能裝置造成的初始安裝應(yīng)力等重要問題。然而，目前針對這類新型裝配式構(gòu)件的施工安裝可以參考的施工方法或相應(yīng)的示范工程較少，所以有必要針對其構(gòu)造特點給出預(yù)埋耗能裝置的專有預(yù)埋方法，從而進(jìn)一步豐富和推廣裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安裝技術(shù)和施工方法。

1 新型裝配式耗能隔墻構(gòu)件

1.1 隔墻構(gòu)件構(gòu)造簡介

這種新型裝配式耗能隔墻構(gòu)件[7]一般由外包混凝土蓋板的耗能鋼板和預(yù)埋耗能裝置構(gòu)成，這兩部分通過附屬連接組件由螺栓進(jìn)行連接，其構(gòu)造如圖1所示。

預(yù)埋耗能裝置一般采用矩形整體鋼框架的構(gòu)造形式，由上下連接梁和左右工字型連接柱焊接而成，上下連接梁與主體結(jié)構(gòu)連接一側(cè)設(shè)計成鋸齒狀，分別預(yù)埋到上下樓層框架梁中，隔墻構(gòu)件的安裝示意如圖2所示。這種預(yù)埋方式可以將預(yù)埋耗能裝置嵌固在主體結(jié)構(gòu)的上下樓層間，加強(qiáng)與主體結(jié)構(gòu)連接的整體性，確保地震作用下主體結(jié)構(gòu)的層間變形能夠有效地傳遞到耗能鋼板中，從而減少地震對主體結(jié)構(gòu)的破壞，使隔墻構(gòu)件的抗震性能得以充分發(fā)揮。

圖2 安裝示意圖

1.2 預(yù)埋耗能裝置關(guān)鍵施工流程

預(yù)埋耗能裝置的施工安裝需要與施工現(xiàn)場主體結(jié)構(gòu)的鋼筋綁扎、鋁模搭設(shè)以及混凝土澆筑等施工工序穿插進(jìn)行，其關(guān)鍵施工流程如下：

(1)綁扎預(yù)埋樓層框架梁鋼筋：根據(jù)預(yù)埋耗能裝置上下兩側(cè)鋸齒狀構(gòu)造來確定預(yù)埋處的框架梁鋼筋的間距，避免預(yù)埋耗能裝置在預(yù)埋定位中與框架梁鋼筋產(chǎn)生碰撞。

(2)定位預(yù)埋耗能裝置：定位完成后，可通過短鋼筋將預(yù)埋耗能裝置與樓板進(jìn)行焊接固定，以避免在進(jìn)行混凝土澆筑時發(fā)生錯位。

(3)澆筑預(yù)埋樓層混凝土：預(yù)埋耗能裝置固定完成后，開始澆筑預(yù)埋樓層混凝土。

(4)綁扎上層框架梁鋼筋：待預(yù)埋樓層混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%以上時，開始綁扎上部相鄰樓層主體結(jié)構(gòu)框架梁的鋼筋，鋼筋綁扎過程中應(yīng)避開預(yù)埋耗能裝置的上部構(gòu)造。

(5)澆筑上層混凝土：框架梁鋼筋綁扎完畢后，進(jìn)行鋁模的搭設(shè)和封模工序，封模完成后即可開始澆筑上層混凝土。

2 關(guān)鍵施工裝配技術(shù)

2.1 基于BIM三維可視化的高精度預(yù)埋技術(shù)

在構(gòu)造上，構(gòu)成預(yù)埋耗能裝置的上下連接梁的端部焊有形式非常復(fù)雜的抗剪肋板和抗剪銷釘，如圖3所示，用來加強(qiáng)與主體結(jié)構(gòu)的整體性，但是這種構(gòu)造會導(dǎo)致在實際預(yù)埋過程中，抗剪肋板和銷釘會與主體結(jié)構(gòu)框架梁的鋼筋發(fā)生碰撞。因此，為保證預(yù)埋耗能裝置能夠順利高效地預(yù)埋到主體結(jié)構(gòu)的框架梁中，可以在施工現(xiàn)場實際綁扎框架梁鋼筋之前，利用BIM三維可視化的高精度預(yù)埋技術(shù)對框架梁的鋼筋進(jìn)行碰撞深化設(shè)計。

圖3 上連接梁細(xì)部構(gòu)造圖

首先，依據(jù)設(shè)計圖紙并結(jié)合相應(yīng)圖集規(guī)范建立框架梁的原始鋼筋排布模型和預(yù)埋耗能裝置的三維可視化模型；其次，根據(jù)具體預(yù)埋位置，將預(yù)埋耗能裝置的三維可視化模型載入到框架梁的原始鋼筋排布模型中，實現(xiàn)預(yù)埋耗能裝置的模擬預(yù)埋，該過程可以清晰直觀地看到在未考慮上下連接梁細(xì)部構(gòu)造的情況下，框架梁鋼筋與預(yù)埋耗能裝置的具體碰撞情況，也可以檢查預(yù)埋耗能裝置是否與主體結(jié)構(gòu)中的水電預(yù)埋管道產(chǎn)生擠壓；最后，在碰撞檢查完畢后，可以根據(jù)碰撞深化結(jié)果來對框架梁鋼筋的原始排布進(jìn)行優(yōu)化，并將深化設(shè)計后的鋼筋排布結(jié)果反饋給施工現(xiàn)場。相比于通過傳統(tǒng)的人工測量法來估計框架梁鋼筋的間距，基于BIM三維可視化的高精度預(yù)埋技術(shù)不僅可以直觀地查看不同鋼筋的不同碰撞情況，其優(yōu)化的精度和效率也顯著提高。

2.2 預(yù)埋耗能裝置的安裝應(yīng)力釋放技術(shù)

根據(jù)預(yù)埋耗能裝置的施工安裝過程可知，該裝置需要跨越上下相鄰樓層進(jìn)行預(yù)埋，而上下樓層框架梁的豎向變形會給預(yù)埋耗能裝置造成初始安裝應(yīng)力，影響隔墻構(gòu)件其他組件的安裝。為此，基于預(yù)埋耗能裝置的構(gòu)造特點，提出預(yù)埋耗能裝置的分段式預(yù)埋技術(shù)，將外鋼框分成兩段分別預(yù)埋到主體結(jié)構(gòu)上下樓層的框架梁中，此時預(yù)埋耗能裝置可拆分為上連接預(yù)埋鋼框架、下連接預(yù)埋鋼框架、連接板以及連接螺栓，其分段示意如圖4所示。

圖4 連接預(yù)埋鋼框架分段示意圖

連接板下側(cè)的螺栓孔采用長螺栓孔，這種螺栓孔可以隨時調(diào)整預(yù)埋耗能裝置的拼接精度，同時能夠在預(yù)埋完成后，通過松弛拼接處的螺栓來釋放預(yù)埋耗能裝置的初始安裝應(yīng)力。長螺栓孔的調(diào)整范圍可以通過對主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的撓度模擬計算來確定，具體可以結(jié)合項目的抗震等級、設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類型以及樓面的面荷載及線荷載來綜合確定長螺栓孔的調(diào)整范圍。

2.3 鋼鋁結(jié)合模板自適應(yīng)封堵技術(shù)

為解決預(yù)埋耗能裝置的預(yù)埋工序與鋁模搭設(shè)工序的沖突問題，在實際施工過程中將主體結(jié)構(gòu)上層梁底鋁模板用上連接預(yù)埋鋼框架的上連接梁替代，同時將上連接預(yù)埋鋼框架的整體作為鋁模的一部分來參與鋁模的搭設(shè)，共同形成框架梁的支撐模板。然而，考慮到隔墻構(gòu)件的封閉裝飾效果以及施工現(xiàn)場的安裝誤差，外連接鋼框架的寬度一般小于梁寬，但這種設(shè)計會導(dǎo)致上連接預(yù)埋鋼框架與梁側(cè)鋁模之間產(chǎn)生縫隙，在后期澆筑混凝土?xí)r會漏漿。另外，預(yù)埋耗能裝置從加工廠加工到施工現(xiàn)場實際安裝的過程中，也存在平整度及垂直度偏差等，這些誤差的疊加會導(dǎo)致上連接預(yù)埋鋼框架與梁側(cè)鋁模之間的縫隙寬度不等。

針對上述情況，設(shè)計了L型鋼制專用封堵件，如圖5所示。這種封堵件的可封堵面寬度按最大的縫隙寬度來進(jìn)行設(shè)計，可以自適應(yīng)縫隙寬度不等的情況來進(jìn)行無級調(diào)整。封堵件與梁側(cè)鋁模利用螺栓來連接固定，封堵件的螺栓孔采用鍵槽型的孔代替固定位置的螺栓孔，避免實際安裝過程中與梁側(cè)鋁模螺栓孔位不對齊，螺栓孔中間加設(shè)兩道加固鋼板，防止封堵件變形。由于所采用的配件皆與鋁模通用，這種專用的自適應(yīng)不同寬度縫隙的可周轉(zhuǎn)的鋼制封堵件與可以很好得與梁側(cè)鋁模搭設(shè)工序結(jié)合，從而解決了上連接鋼框架預(yù)埋與鋁模封模工序的沖突，有效保證了各施工工序的順利實施。

圖5 L型鋼制專用封堵件

3 工程應(yīng)用

3.1 隔墻構(gòu)件安裝情況

依托項目位于深圳市光明區(qū)，由11棟超高層住宅建筑，1棟多層幼兒園，2-3層裙房商業(yè)，及3層(局部2層)地下室車庫組成。其中，2棟A座位于項目用地東北側(cè)0002地塊，塔樓主屋頂結(jié)構(gòu)高度為149.50 m，地上49層，地下3層。項目在2棟A座7-14層布置新型裝配式耗能隔墻構(gòu)件，替代原結(jié)構(gòu)靠近外墻處的隔墻(位于2A-A～F交2A-13區(qū)域及2A-22～25交2A-S區(qū)域)，每層2個，共布置24個。

3.2 預(yù)埋耗能裝置關(guān)鍵施工技術(shù)應(yīng)用

3.2.1 BIM三維可視化的高精度預(yù)埋技術(shù)

在施工現(xiàn)場對預(yù)埋處的框架梁鋼筋進(jìn)行綁扎之前，首先對預(yù)埋耗能裝置與框架梁鋼筋進(jìn)行了碰撞深化設(shè)計。在碰撞檢查中發(fā)現(xiàn)，兩者的碰撞主要是抗剪肋板與框架梁箍筋的碰撞，且碰撞點主要集中在距離墻邊550 mm至1 850 mm的箍筋區(qū)域內(nèi)。根據(jù)碰撞檢查結(jié)果及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范，對此范圍內(nèi)箍筋的間距進(jìn)行了調(diào)整，并將鋼筋排布結(jié)果反饋給了施工現(xiàn)場，圖6為施工現(xiàn)場安裝上連接預(yù)埋鋼框架。

圖6 上連接預(yù)埋鋼框架安裝

3.2.2 預(yù)埋耗能裝置的安裝應(yīng)力釋放技術(shù)

梁跨中剛度的計算參數(shù)為：L=8 950 mm；As=3 320 mm2；ρ=2.86%；ES=200 000 N/mm2；EC=300 000 N/mm2；Mq=320.2 kN·m；h0=579.8 mm；φ=0.97；θ=1.81，由此求得B=155.5/1.81=86.1·1000·kN·m2，經(jīng)過取點計算，梁跨中的最大撓度d= 20.78 mm，L0/d=431>300，因此滿足限值要求。依據(jù)計算結(jié)果并考慮施工安裝誤差，最終在預(yù)埋耗能裝置的上下連接鋼框架間預(yù)留了30 mm的縫隙用以釋放主體結(jié)構(gòu)混凝土梁對鋼框架的壓力。為了明確在應(yīng)力釋放后，相比較原結(jié)構(gòu)，新型裝配式耗能隔墻構(gòu)件的整體耗能能力是否得到有效提升，采用有限元軟件ABAQUS在罕遇地震工況下，分別比較了隔墻構(gòu)件安裝前后對預(yù)埋處結(jié)構(gòu)梁(7-11層)的影響，如圖7、8所示。通過對比可以看出，罕遇地震作用下隔墻構(gòu)件充分耗能，預(yù)埋處結(jié)構(gòu)梁端的塑性鉸減小，預(yù)埋處結(jié)構(gòu)梁的抗震性能得到提高。

圖7 原結(jié)構(gòu)與7-11層梁結(jié)構(gòu)受力驗算云圖

圖8 優(yōu)化結(jié)構(gòu)7-11層梁結(jié)構(gòu)受力驗算云圖

通過對比原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)的損傷能量(圖9)可知，原結(jié)構(gòu)的損傷能量為5 296 920，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的損傷能量為5 067 160，降低了4.34%，隔墻構(gòu)件有效降低了塔樓結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的整體塑性損傷；通過對比原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)的層間位移角(圖10)可知，原結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/209，優(yōu)化結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/231，減小了2.56%，隔墻構(gòu)件有效降低了結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的側(cè)向變形。

圖9 損傷能量對比圖

圖10 層間位移角對比圖

綜上所述，在應(yīng)力釋放完成且新型裝配式耗能隔墻構(gòu)件所有組件全部安裝完成后，隔墻構(gòu)件能夠在罕遇地震下率先承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的層間變形并耗能屈服，從而降低地震對結(jié)構(gòu)整體的破壞性，有效提高了主體結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3.2.3 鋼鋁結(jié)合模板自適應(yīng)封堵技術(shù)

在本項目中，預(yù)埋耗能裝置的寬度設(shè)計值為180 mm，框架梁寬度設(shè)計值為200 mm，考慮鋼結(jié)構(gòu)安裝允許誤差，理論上可能出現(xiàn)3 mm～17 mm的縫隙，如圖11所示，方框圖示即為兩者之間產(chǎn)生的寬度不等的縫隙。為此，本項目封堵件的設(shè)計尺寸為長2 613 mm、寬95 mm、高40 mm、厚5 mm，封堵件的封堵范圍為0 mm～35 mm，大于梁底模的最大縫隙17 mm。在實際封堵的過程中，封堵件能夠封堵不同寬度的縫隙，方框圖示即為封堵件安裝位置，如圖12所示，且在后期澆筑混凝土的過程中沒有產(chǎn)生漏漿。

圖11 預(yù)埋耗能裝置預(yù)埋處的鋁模搭設(shè)

圖12 鋼鋁結(jié)合自適應(yīng)封模

4 結(jié)語

本文基于新型裝配式耗能隔墻構(gòu)件的預(yù)埋耗能裝置的構(gòu)造特點并結(jié)合施工現(xiàn)場的具體安裝情況，提出了三個關(guān)鍵施工裝配技術(shù)?；贐IM三維可視化的高精度預(yù)埋技術(shù)能夠?qū)︻A(yù)埋耗能裝置與框架梁鋼筋進(jìn)行碰撞深化設(shè)計，安裝應(yīng)力釋放技術(shù)能夠有效處理預(yù)埋耗能裝置的初始安裝應(yīng)力，鋼鋁結(jié)合模板自適應(yīng)封堵技術(shù)能夠很好地封堵梁側(cè)鋁模與預(yù)埋耗能裝置之間的縫隙。以上技術(shù)在實際項目中應(yīng)用情況良好，進(jìn)一步豐富了裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安裝施工方法。