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装配式砼建筑关键技术探讨

内容提要:日本标准将接头的性能等级分为SA级、A级、B级和C级;同时,对不同等级下的接头适用部位进行了相关规定,分别为:

中国钢结构协会钢结构设计分会第三届全国钢结构设计学术研讨峰会于2018年8月18日在深圳圆满结束。会上,郁银泉大师和大家探讨了装配式混凝土建筑标准关键指标技术。

非常感谢郁大师为大家带来了精彩的解读!

小编这就带大家先睹为快。

郁银泉

全国工程勘察设计大师

中国建筑标准设计研究院副院长、总工程师

全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会委员

中国建筑学会资深会员

中国钢结构协会副会长

中国工程建设标准化协会建筑产业化分会会长

一、关键材料与配件探讨

1、钢筋连接用灌浆套筒

1.1问题与需求

▲小直径钢筋用灌浆套筒

国外灌浆套筒主要用于梁、柱节点连接,连接钢筋直径较大,而我国的装配式混凝土结构目前以装配式剪力墙结构为主,剪力墙竖向钢筋直径较小,使得我国大量采用小直径钢筋连接用灌浆套筒;小直径套筒中灌浆料总量小,对灌浆质量控制要求高,密实度控制难度大。

▲套筒内径绝对值较小

由于我国的套筒主要用于剪力墙结构中的小直径钢筋,且套筒的内径绝对值都较小,造成现场施工钢筋对位难度大,灌浆质量不宜控制。

▲套筒灌浆锚固段长度

我国的灌浆套筒尺寸虽然在长径比(L/D不小于8)取值上较大,但由于主要以小直径套筒为主,因此套筒的灌浆锚固段绝对长度较小。考虑到我国目前在装配式混凝土结构施工方面的经验有限,现场施工过程中的尺寸偏差容易对钢筋在套筒内的锚固长度产生较大影响。

1.2国内外标准对比与建议

▲国内外灌浆套筒的尺寸参数对比

对比了国内外标准中灌浆套筒的尺寸及构造参数,包括:套筒灌浆段最小内径、套筒壁厚及剪力槽构造要求等。

▲适当提高灌浆套筒最小内径要求

对灌浆套筒产品开展研发工作,在满足锚固性能的基础上,建议适当提高套筒灌浆段最小内径要求。

▲控制灌浆套筒的最小长径比

研发和改进灌浆套筒产品,在确保灌浆密实的前提下,根据我国的实际需求,适当增大套筒的灌浆锚固段长度;在目前阶段,套筒灌浆锚固段长度“不应”小于钢筋直径的8倍。

▲推广应用全灌浆套筒

全灌浆套筒在连接接头性能方面可靠性好,建议结合国内加工的实际情况,对产品开展工艺研发,推广应用全灌浆套筒。

2、钢筋连接用套筒灌浆料

2.1问题与需求

▲施工过程中用的灌浆料质量参差不齐,易造成质量安全隐患

套筒灌浆料产品的生产对原材料、配比、工艺等要求较高,目前市场上的部分产品,存在产品关键指标和参数不稳定,灌浆料的性能较差,施工操作不便等问题,需要引起高度重视。

▲产品的部分技术指标还不够完善

套筒灌浆料的相关性能指标将直接影响到钢筋连接接头的性能。在实际工程中发现灌浆料在短期强度、长期强度、流动度、初凝时间等方面有待进一步研究。如过短的初凝时间造成现场灌浆施工时,容易出现灌浆操作难度过大等问题(特别是我国目前相关经验还不是很丰富)。

2.2国内外标准对比与建议

▲钢筋连接用套筒灌浆料性能指标及试验方法对比

▲钢筋连接用套筒灌浆料性能指标及试验方法对比(续)

▲对钢筋连接用套筒灌浆料的强度指标开展进一步研究

从国外相关产品指标和标准内容来看,其在短期强度方面要求相对较低,而在长期强度方面与我国标准接近。过高的短期强度指标容易造成灌浆料生产加工难度大,现场施工难度大,连接接头质量不容易控制。因此有必要研究我国套筒灌浆料在短期强度方面的实际需求,并有针对性的完善相关产品标准的指标要求。

▲加强套筒灌浆料质量的监管

套筒灌浆料产品的质量直接关系到主体结构安全,基于其产品的自身特性和产品复杂性,为控制其产品质量,应严格按照相关产品和工程应用标准的要求,开展各项检验工作,才能确保不出现质量问题。

3、浆锚连接用灌浆料

3.1问题与需求

▲缺乏针对不同浆锚连接形式的灌浆料性能要求

不同形式的约束浆锚、使用在不同部位的浆锚连接接头,对浆锚连接灌浆料的性能要求有所差异。目前的标准中均采用统一的指标要求,对部分连接接头偏浪费,不合理;建议编制浆锚连接灌浆料的相关标准时,根据约束浆锚的形式、使用部位等制定相关具体指标要求。

▲各地方标准对于浆锚灌浆料的指标要求不一致

各地方标准差异性较大;

个别地方用套筒灌浆料的要求去要求浆锚灌浆料;

关于浆锚灌浆料的强度指标要求有待进一步研究。

3.2国内外标准对比与建议

▲各地方标准浆锚灌浆料性能指标对比

部分地方标准未区分套筒灌浆料和浆锚灌浆料;

浆锚灌浆料的1d强度指标:浆锚连接接头在预制构件安装和接头灌浆之后,均有临时支撑,并且浆锚接头中的灌浆料较多,1d强度可否适当降低,有待进一步研究。目前的1d强度指标要求接近于套筒灌浆料产品。

▲各地方标准浆锚灌浆料性能指标对比

▲编制专项产品标准

针对钢筋浆锚连接用灌浆料编制专项的产品标准,在进一步细化完善关键技术指标的前提下,重点规范产品检验等方面的内容,从源头控制产品质量,进而确保装配式建筑工程建设质量。

▲补充关键指标

钢筋浆锚连接用灌浆料的长期体积稳定性等将直接影响到钢筋连接接头的受力性能和质量,应通过进一步的研究,补充相关技术参数、标准实验方法等方面的内容,并逐步纳入有关产品标准或工程建设标准中。

▲完善关键指标

钢筋浆锚连接用灌浆料的短期强度和长期强度既决定了钢筋连接接头的性能和质量,同时也对工程造价、质量控制难度等有较大影响。应结合不同类型浆锚连接接头或不同性能指标要求,通过系统的研究,合理选择相关指标,并在工程建设标准中细化和完善。

4、保温拉结件

4.1对于不锈钢保温拉结件的发展建议

▲完成相关产品标准的编制

重点在不锈钢牌号、片材的最小厚度及棒材的最小直径、产品的锚固性能等方面给出相关指标要求。

在相关的工程应用标准编制过程中,应给出不同类型的夹心保温墙板(组合、非组合、半组合)中,保温拉结件的具体设计方法。

在工程应用标准中,应给出不锈钢保温拉结件在预制构件制作安装过程中的工艺要求及质量验收标准。

4.2对于FRP保温拉结件:

▲目前行业产品标准及工程应用标准均处于在编状态

▲美国标准给出的测试方法及性能指标分为材料与构件两部分

4.3对于FRP保温拉结件的发展建议:

▲编制FRP拉结件的工程应用标准。完善夹心保温墙板中FRP连接件的设计方法,包括内力和承载力计算、变形验算及其他构造要求。

5、建筑密封材料

5.1问题与需求

▲需适当提高我国装配式建筑防水密封胶的抗老化性能

国内在装配式建筑外墙接缝密封防水方面所面临的问题与国外还有所差异,国外建筑外墙防水工程的定期检修和维护相对较好,我国在此方面还存在一定的差距。

▲影响装配式建筑外墙防水性能的因素除密封胶产品性能之外,建筑密封胶应用方法也同样重要

目前我国在建筑密封胶应用方法方面的工程应用标准缺乏,对墙板接缝构造、墙板接缝防水施工关键工序工艺、质量验收等方面还不尽完善,有必要编制相关的工程应用标准。

5.2国内外标准对比与建议

▲提高密封胶耐久性能

建议结合具体工程的检修和维护情况确定合理的密封胶耐久性。

▲编制配套的密封胶工程应用标准

在装配式建筑密封防水方面,开展相关系统的研究,规范密封防水材料的应用方法。建议的接缝防水施工方法:

二、装配式混凝土结构体系与连接

1、装配式混凝土结构体系关键技术探讨

1.1钢筋连接技术

1.1.1钢筋套筒灌浆连接

1.1.1.1问题与需求

▲钢筋套筒灌浆连接接头未进行性能分级

日本JIS标准将套筒灌浆连接接头进行分级,对不同等级的接头,在强度、刚度、总伸长率、残余变形等关键指标方面提出不同要求;同时在检测要求方面也予以区分。针对结构不同受力部位及性能要求,选用不同等级的套筒灌浆连接接头。此方法和经验值得我们借鉴和考察。

▲重点部位套筒灌浆连接的应用研究不足

▲适用于我国技术体系的套筒灌浆连接接头缺乏研发

不同于日本和美国,我国的套筒灌浆连接接头主要运用在剪力墙结构,且以小直径钢筋连接为主,钢筋连接区域接头数量多且密集;需针对我国的技术体系特点,开发相适应的连接接头形式,包括套筒产品、灌浆料产品、灌浆施工工艺、连接接头应用方法等。

1.1.1.2国内外标准对比与建议

▲日本JIS标准钢筋接头的性能等级评定及试验方法

日本标准将接头的性能等级分为SA级、A级、B级和C级;同时,对不同等级下的接头适用部位进行了相关规定,分别为:

a)主梁中心区域的主筋,次梁的主筋以及受拉钢筋;

b)抗震设计中,首层框架柱、剪力墙的塑性铰出现的部位;

c)上述情况以外的主筋;

d)其他钢筋。

▲日本JIS标准钢筋接头的性能等级评定及试验方法

▲我国行业标准对钢筋套筒灌浆连接接头的试验方法及性能指标

▲建议参照日本JIS相关标准的方式,对我国的套筒灌浆连接接头进行性能分级

对性能等级更高的接头,在强度、刚度、总伸长率、残余变形等指标上及加载制度上提出更高的要求。

▲套筒灌浆连接接头在塑性发展部位的应用应有充分的保证措施(产品、设计、加工、施工等各方面)

▲细化不同受力构件和部位采用套筒灌浆连接接头的适用性、具体性能要求(接头性能等级)、设计方法等。

▲在高性能、高等级套筒灌浆连接接头的型式检验方面,建议增加在实际受力构件中的受力性能型式检验要求

针对其在地震作用下塑性发展区域使用时,应通过相关型式检验,检测接头在实际受力状态下的连接性能。

1.1.2浆锚搭接连接

1.1.2.1问题与需求

▲对于浆锚搭接连接技术应用的基本前提存在不同的理解差异

受力构件浆锚搭接连接接头应用的前提为接头范围内具有有效的横向约束。但在部分工程应用中,仅设置用于成孔的金属波纹管,未对其横向约束提出相关要求。在此情况下仅限制建筑最大适用高度。从已有的研究来看,可靠的横向约束是钢筋搭接连接接头可靠传力的前提。

▲国内标准对于约束浆锚搭接连接接头中的相关技术指标差异较大

各地方标准对钢筋搭接长度、横向约束钢筋如螺旋箍筋直径、间距和环径等参数的规定相差较大;除北京市地方标准外,其他地方标准未给出连接接头中预留孔道及灌浆孔等构造要求。

1.1.2.2国内外标准对比与建议

▲国外相关标准对浆锚搭接连接接头的构造要求

国外标准中给出了某些浆锚连接形式,波纹管厚度、钢筋离波纹管距离等构造要求;或者形成了较为完整的计算体系;又或者针对某一形式,给出了规定的构造要求。

▲国外标准在孔道构造、灌浆方式及密实度保证措施方面的规定

▲国内标准浆锚搭接连接构造要求对比

▲国内标准浆锚搭接连接构造要求对比(续)

▲对浆锚连接的约束形式进一步研究

针对不同约束形式不同约束指标的浆锚搭接连接,对其接头性能开展相关试验和理论研究工作。对不同形式的浆锚搭接连接接头在主要竖向构件中应用时,其在地震作用下的接头和构件性能开展进一步深入的研究工作。

▲编制专项的浆锚搭接连接技术工程应用标准

在浆锚搭接连接技术应用方面,编制专项工程应用标准,重点在连接接头横向约束指标及约束构造、搭接长度、灌浆料性能、成孔工艺、连接接头构造等方面给出详细的规定。在连接接头型式检验(特别是针对不同的约束形式、成孔工艺等)、构件加工和现场施工质量控制等方面给出相关要求。

1.2装配式框架结构

1.2.1楼盖

1.2.1.1问题与需求

▲叠合楼板厚度及构造需更加合理化

出于造价角度考虑,现阶段叠合楼板的叠合层厚度偏薄,为提高叠合楼板的整体性,板端支座需要采用侧面带外伸钢筋的预制底板,造成加工和施工过程中难度较大、标准化程度低等问题

▲大跨度预应力楼板的研究和应用较少

从国外运用预制楼板的经验来看,采用大跨度预应力楼盖体系是装配式混凝土建筑的主要发展趋势,能真正实现节省造价、人工,简化现场施工工序及劳动力需求等,特别是在公共建筑中具有较好的效果。

1.2.1.2国内外标准对比与建议

▲引导实施大空间布局及大跨度楼板

采用大跨度预制楼板,在满足建筑室内空间灵活可变,提高建筑长寿命的同时,能更好的提高构件加工和现场施工效率。

▲适当增加预制楼板板厚

建筑叠合楼盖厚度选取方面适当增加板厚,既能提高叠合楼盖的整体性,又能解决预制底板侧向出筋、标准化、加工和施工等方面的问题,还能解决隔声、防水等系列问题。

▲增加预应力叠合楼板、空心楼板、双T型楼板的研究

新型预制楼板在高层建筑中地震作用下的整体性、安全性和抗倒塌性能研究充分的情况下,编制并完善新型预制楼板相关标准。

▲开展预制楼盖相关连接节点的研究

如预制梁挑耳、预应力空心板支座节点等。

1.2.2梁与柱

1.2.2.1问题与需求

▲梁截面过小,钢筋排布过密,造成预制梁安装过程中,梁柱节点核心区纵筋冲突严重,构件安装质量不可控。

▲预制梁采用整体封闭箍筋时,梁纵筋安装难度大。

▲柱截面过小,纵筋排布过密,造成预制梁柱安装过程中,梁柱节点核心区纵筋冲突。

▲预制柱截面种类多、纵筋配筋不统一,造成加工模具多、加工成本高、施工操作复杂、工人很难熟练。

1.2.2.2国内外标准对比与建议

梁、柱构件的建议:

▲建议适当提高预制梁、柱构件的截面最小尺寸,提高预制构件的标准化程度

▲建议进一步开展预制梁、柱构件大间距配筋,以及组合封闭箍筋的研究

继续开展预制梁采用组合封闭箍筋的性能研究,通过其在不同受力状态下的性能研究,特别是地震作用下的受力性能,明确其适用范围和适用条件;同时,继续开展梁柱大间距配筋的试验研究,包括预制框架柱纵筋集中配置;在现有标准的基础上,进一步完善预制梁柱大间距配筋适用范围及构造措施。

1.2.3技术与体系

1.2.3.1问题与需求

▲我国标准仅限于等同现浇的装配整体式框架结构,未体现非等同现浇的装配式框架结构

等同现浇构造现场施工难度相对较大,干式连接等构造在构件加工和现场施工等方面具有显著优势,国内在此方面的研究有限,还没有提出系统的设计方法。

▲装配整体式框架连接节点连接形式有待进一步丰富

美国ACI和日本标准中等同现浇的连接构造较多,随着我国加工施工水平、钢筋连接分类技术的提升,等同现浇的连接节点种类需要进一步丰富发展。

▲装配式框架-预制剪力墙研究不够深入

目前应用框架-剪力墙体系主要是“装配式框架-现浇剪力墙结构体系”,装配式框架-预制剪力墙研究偏少。

1.2.3.2国内外标准对比与建议

▲总结国外标准中的框架节点连接形式

▲编制非等同现浇结构体系的专项结构设计标准

针对现有的规范要求,参考国外对装配整体式框架结构设计的相关内容,选取合适的装配式框架结构体系;确定合理的性能目标和适用范围,给出完善的结构设计方法和构造措施要求。

▲结合国外等同现浇的连接节点,丰富我国等同现浇的连接节点构造

1.3装配式剪力墙结构

1.3.1剪力墙构件

1.3.1.1问题与需求

▲预制剪力墙边缘构件及配筋构造较为复杂

▲剪力墙墙板厚度整体较小

▲窗下墙构造有待进一步研究

带洞口墙板窗下墙的构造主要有3种:1)与下部连梁形成整体受力连梁;2)与下部连梁分离,作为双连梁之一;3)作为轻质填充墙板。目前这3种构造方式在构件加工或实际受力或建筑使用方面,均存在一定的技术难题。

▲夹心保温剪力墙墙板在水平接缝、竖向接缝、门窗洞口周边构造方面有待进一步研究和完善

1.3.1.2国内外标准对比与建议

▲国内外标准关于剪力墙构造要求、施工工艺配套构造措施总结

▲国内外关于浆锚搭接连接剪力墙构造要求总结

▲建议完善不同类型预制剪力墙墙板的最小厚度建议值

▲建议增加灌浆套筒剪力墙墙板在施工中的灌浆构造措施

例如,观察孔、补浆孔的设置,注浆孔与出浆孔的构造措施等,保证剪力墙墙板的灌浆施工质量。

▲建议对夹心保温剪力墙墙板自身的构造及接缝构造开展防水、防火等方面的研究

对墙板自身及接缝提出合理化的构造,并解决防水和防火等关键技术问题。

1.3.2技术体系

1.3.2.1问题与需求

▲预制剪力墙结构竖向钢筋单排连接有待进一步研究

单排筋连接的研究尚不够深入;GB/T51231-2016中增加了单排筋连接的做法,但由于目前研究不够成熟,其做法偏于保守。

▲预制剪力墙结构中,墙肢配筋构造有待进一步简化和改进

采用集束配筋、大间距大直径配筋等形式的预制剪力墙结构在构件加工和现场施工方面具有较大优势,能较好的解决加工和施工难题。此类技术体系还有待进一步研究。

▲侧向无外伸钢筋的预制剪力墙结构体系有待进一步研究

此类技术体系具有构件加工效率高,现场施工难度低,质量易控等优点。

▲多层剪力墙结构体系需要进一步研究

多层剪力墙连接构造可以考虑实现非等同现浇的思路,确定其性能目标,给出其合适的设计方法并提出合理的构造做法。

1.3.2.2国内外标准对比与建议

▲研究竖向分布筋采用单排筋、大直径钢筋套筒的抗震性能

▲对双面叠合剪力墙等侧面无外伸钢筋的预制剪力墙结构体系开展研究

鼓励骨干企业针对装配整体式剪力墙结构不同系统进行细化研究,如双