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【专家论坛】谈确保装配式建筑竖向结构连接质量的方法及工艺

楼主:混凝土世界杂志 时间:2020-02-17 10:32:27

近日,有数篇文章质疑装配式建筑竖向结构的连接质量,甚至建议推翻现有的连接型式。任何工程的施工工艺都是由专业工程技术人员、施工人员应用相关的施工设备共同完成的,其中专业工程技术人员需担负大部分责任。我们不能因为一项工程的失败,就否定所有与其相关的施工工艺,而是要认真探讨该工程失败的原因并制定相应规程避免重蹈覆辙。比如美国垮塌了一座桥,难道就要限制美国不能再建相同工艺的桥吗?我们不能因噎废食。传统现浇建筑工艺亦有垮塌的案例,但一般会认为与工艺无关,是施工人员未遵守规范造成的。装配式建筑少数失败的案例也一样,大多数是因为操作不当造成的,与工艺无关,其失败的责任不能推给施工人员,主要责任要由专业工程技术人员承担。


一、竖向结构套筒续接技术研究概况

在我国,装配式建筑非新兴工艺,诸多庙宇建筑中早就使用了装配式木结构。20世纪初装配式混凝土建筑被开发出来,60年代开始流行于法国、英国、苏联以及北欧等国家。其早期结构系统以铰接居多,结构刚接系统自余占疏博士(Dr. Alfred A. Yee)1960年发明套筒续接器(Splice sleeve)后才开始使用,并首次应用于一座38层楼的装配式建筑(夏威夷檀香山阿拉莫阿纳酒店)的预制柱续接,开创了竖向结构套筒续接的篇章。

此后的半个世纪,套筒续接器技术一直在美国、日本和我国台湾地区等地进行改良、研发、试验研究及应用。此外,采用此技术的装配式建筑结构的建筑在全球各地经历了无数次大小地震的考验。

近年,我国积极开展对套筒的研究并发布了众多研究报告,有不少惊人的成果产出。


二、套筒续接技术原理及连接方式

套筒续接技术原理是将欲连接的两段钢筋插入套筒中,然后注入由水泥、细骨料与外加剂等组成的无收缩高强度砂浆,待灌浆料硬化后将套筒内壁与钢筋表面紧密结合在一起,使应力可以有效地传递。

装配式建筑竖向结构连接方式常用的有“机械连接接头”、“钢筋倒插入套筒”、“金属波纹管”与“钢筋正插入套筒”等。机械连接接头由于是干式连接,其可靠度比较容易由实验室印证,本文不具体介绍。

(一)钢筋倒插入套筒连接

钢筋倒插入套筒连接型式(如图1所示)的施工流程是,先将底座上安装好垫片并封模,再把套筒内注满高强度砂浆,将吊装底端留有出筋的预制柱插入接合,使多余的砂浆溢出。此种工法可确保套筒内的高强度砂浆填实,当预制柱起吊时要注意防止钢筋碰撞弯折与弄脏。在高楼层时,其柱、梁节点需采用机械连接或3D节点,工艺较为复杂,故一般工艺常用于独立基脚的基础上,其结构连接是可靠的,唯一需管控的是高强度砂浆的搅拌,要符合砂浆厂家搅拌的规定及检验,质量管控需由专业工程技术人员直接管理并实施旁站监理。

图 1   钢筋倒插入套筒连接型式

(二)金属波纹管连接

如图2所示,钢筋籍由砂浆填充具备韧性的金属波纹管的续接方式早已被证明可以有效地传递拉力、压力和剪力,且便于柱与柱、柱与基础及剪力墙等节点的连接。国内外均有相关的规范或标准,例如:国内机械行业标准JB/T6169-2006《金属波纹管》中,对金属波纹管的结构、波纹形状、接口形式、制造材料及检验规则等都有完整的说明。

图 2   金属波纹管连接型式

美国PCI Design Handbook 8TH中对金属波纹管的连接提出七项建议:一是抗拉钢筋的锚固长度不得小于12倍钢筋直径;二是钢筋韧性的要求须满足耐震需求;三是若在结冰的气候下,波纹套管灌浆前须避免水进入;四是波纹套管壁厚不得小于0.6毫米,内径与钢筋间隙应大于12.7毫米;五是波纹套管内灌注浆料的强度不得小于连接部位的混凝土强度及35兆帕;六是特殊砂浆不可含金属成分且不可收缩;七是波纹套管必须被钢筋、砂浆和混凝土充分填实,以免发生脆性破坏。

(三)钢筋正插入套筒连接

钢筋正插入套筒连接方式(如图3所示)的关键质量主要包括:钢筋出筋精度的质量,套筒与钢筋连接的质量,柱底与楼板面底部空气的彻底排除,连接成框架后结构的质量。本文逐一说明如何保证与管控各关键质量管理。

图 3   钢筋正插入套筒连接

1. 钢筋出筋精度的质量管理

钢筋出筋精度不精确时,是无法进入套筒的,故在楼板灌浆前,钢筋精度的管控是非常重要的,专业工程技术人员需管理每个步骤与最终的精度,并记录每个步骤的数值,不能把责任推给施工人员。本文现将润泰装配式建筑基础柱筋精准定位工具及定位方法作一简介[1]。

(1)在垫层上放样柱边线和中心线,精准定位柱位置。

(2)根据柱边线和柱中心线定位并固定定位底座,此底座控制钢筋笼的底部位置(如图4所示)。

图 4   根据柱边线和柱中心线定位并固定定位底座

(3)基础下层板筋进行绑扎。

(4)将下格网箍(润泰研发的工具)固定在定位底座上,下格网箍的网格对应插入柱筋,且柱筋顶部需多留10厘米长度以吸收误差(如图5所示)。

图 5   下格网箍固定在定位底座上

(5)基础柱箍筋绑扎如图6所示。

图 6   基础柱箍筋绑扎

(6)基础上层板筋进行绑扎。

(7)上格网箍按网格穿入对应柱筋进行安装(如图7所示),上格网箍低于楼板完成面以下至少5毫米。

图 7   上格网箍按网格穿入对应柱筋进行安装

(8)取四只可调式定位套筒,分别安装于四个角落的柱筋上,通过螺杆先调节好可调节套筒与柱筋的相对位置以确定灌浆面高度,保证安装面高度后再安装定位板,最后安装其他的防灌浆污染套筒,其中可调节套筒的止挡凸起位于定位板下方,防灌浆污染套筒的止挡凸起位于定位板上方;调整柱钢筋笼,以定位板比对检核柱中心线,进入允许误差范围内时,则将上格网箍与附近的钢筋焊牢,以防灌浆时移位。专业工程技术人员需留下灌浆前的精度记录,随时备查(如图8所示)。

图 8   测量灌浆前的精度

(9)完成基础柱筋调整与定位固定后,浇筑混凝土(如图9所示)。

图 9   完成基础柱筋调整与定位固定后浇筑混凝土

(10)基础混凝土凝固后,柱筋出筋与上部预制柱套筒连接。楼板板面灌浆时,出筋的保护非常重要,如果不保护,出筋外表沾满混凝土又未敲除,直接进入套筒续接,此时高强度续接砂浆抓到的不是钢筋,而是钢筋表面的混凝土,如此续接必定失败。

续接出筋的精度与表面洁净是钢筋套筒续接的必检工作,也是关键质量的查核点。

(11)预留出筋精度不准的原因:一是未依前述正确程序施工,未在每个步骤检核精度。二是套筒允许的误差过小,美国和日本续接套筒的允许误差为±10毫米,而国内套筒一般的允许误差只有±5~±7毫米,约为国外的1/2,故施工精度需比国外提高两倍。此外,为采用允许误差为±10毫米套筒,润泰允许误差±10毫米的全套筒通过检验。三是当发现工地出筋不准时,采用切钢筋的方法是错误的,正确的矫正程序是将钢筋根部的混凝土去除打深2~3厘米(混凝土强度需达到可打实的强度),再将钢筋以小于1∶6的斜率弯至可进入套筒的位置内。此程序繁复,故最好还是将钢筋出筋精度做准,一次做对。

2. 套筒与钢筋连接的质量管理

为确保续接套筒与砂浆质量合格,使用的套筒与砂浆必须通过JGJ355-2015《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》与JGT398-2012《钢筋连接用灌浆套筒》的检验试验,取得合格证后方得使用。每批套筒进货时,需立即依JGT398规定抽样套筒并进行试验,以确保没有不合格品。

要确保套筒与钢筋连接质量,除套筒外还要保证现场正确的灌注工序。

套筒续接砂浆灌浆的施工工序依其特性具体如下:

(1)先检查套筒续接砂浆是否仍在有效期内,超过6个月以上禁止使用;3~6个月需过8号筛去除硬块后使用。

(2)续接套筒内部以小手电筒检查,必须采用高压空气清洁干净(如图10所示)。

图 10   用高压空气清洁

(3)可采用砂浆或木材对柱底四周封模,以确定避免漏浆。

(4)彻底检查灌浆机具是否干净,尤其是输送软管不应有残余水泥硬块。

(5)搅拌水须做氯离子检测,不能含有氯离子。

(6)测量并记录当日天气、气温、水温、续接砂浆温度与湿度。各生产厂家的材料虽然对温度的敏感程度不一样,但都有一个共同点,就是温度低时续接砂浆强度发挥慢且弱,故在15℃以下执行套筒续接砂浆灌注时,要特别留意其强度的发挥,当续接强度未达标时,严禁继续加载于预制竖向构件上,例如板面的灌浆(如图11所示)。

图 11   套筒续接砂浆强度对温度的曲线影响

(7)套筒续接砂浆用水量以产品使用说明为准,不得任意增减。如图12所示,RT-mix每包续接砂浆用水量为3.4公升±0.2公升。

图 12   RT-mix套筒续接砂浆用水量示意图

(8)续接砂浆搅拌(如图13所示)时间必须搅拌均匀后再搅拌2分钟,且禁止使用铝制搅拌器(铝制搅拌器的铝粉脱落会造成砂浆产生超额的膨胀率)。

图 13   续接砂浆搅拌

(9)记录流度值、湿度与温度。检核流度值是否满足使用厂家所要求的数值范围,如图14所示,RT-mix的流度为20~30厘米。

图 14   RT-mix的流度值检核

(10)每日均需做一组续接试体与两组抗压试块,作为日后检测所用。试体必须与现场预制柱放在相同的养护环境中,并固定、绑扎牢靠不受扰动(如图15所示)。

图 15   续接试体与抗压试块

(11)灌浆时由底部注入,由顶部流出至圆柱状,方能以塑料塞塞住(如图16所示)。

图 16   底部注入灌浆

(12)灌浆作业的障碍处理。遇有爆模必须立即处理,每支套筒内必须充满续接砂浆,不能有气泡存在。若有爆模污染外墙面必须立即清洗,隔日则无法处理。如果遇有无法出浆的情形,应立即停止灌浆作业,排除无法出浆的障碍。灌浆完成后必须将工作面清洁干净,所有施工机具也一并清洗干净。图17为续接砂浆的灌注过程。

图 17   续接砂浆的灌注过程

(13)对合格施工人员发证的建议。套筒续接砂浆作业于装配式建筑的重要性如同电焊作业于钢结构工程,我们要求焊工有上岗证。同样,套筒续接砂浆作业建议也要考虑发上岗证,以便于管理,在发证制度未施行前,由专业工程技术人员严格依施工步骤执行。图18为日本东京铁钢所发的上岗证。

图 18   日本东京铁钢所发的上岗证

3. 柱底与楼板面底部空气的彻底排除

当套筒与钢筋续接无疑后,就要确保柱子底部无残留空气或气泡。为确保空气的彻底排除,润泰在工艺上于柱底中心处增设了一支排气管[2],排气管高度需高于套筒的上出浆高度(如图19所示)。

图 19   柱底灌浆有透气管全貌

4. 连接成框架后结构的质量管理

为确保装配式竖向结构灌浆套筒续接安全,润泰润弘精密工程股份有限公司多年前即以近实体大小的试体,针对采用灌浆套筒的预制梁柱接头进行侧力和轴力加载实验,由滞回曲线结果显示出预制结构的性能表现不劣于传统结构,实验对照如图20所示。

图 20   实验对照图片

另外,日本也对预制柱构造的柱脚接缝和主筋套筒续接的影响进行侧力和轴力加载试验,亦同样得出预制结构不劣于现浇强度的试验结果(如图21所示)。

图 21   侧力和轴力加载试验

国内有不少专家学者针对套筒灌浆连接进行研究,例如清华大学钱稼茹教授等人[3]利用五个剪跨比相同的剪力墙试体试验证明:套筒灌浆连接能够有效传递竖向钢筋的应力,使用套筒连接的剪力墙破坏机理与现浇构件基本一致。


结语

50多年来,全球各地区无数个项目证明,装配式竖向受力构件连接系统的可靠度在技术上及实际工程中是绝对可行的,并经过无数次的地震考验,这些项目有的是高达200多米的超高层建筑,只要有明确清晰的施工流程和工地管理及责任体系,就能保证质量达到标准要求。建筑工程的现代化在推进与发展过程中,初期因经验不足必然会遇上一些瓶颈,但在了解问题的原因后,障碍就非常容易被突破。因此,在技术与创新全面提升的同时,专业工程技术人员更应接受新工法、新观念且同步提升质量管理系统,以确保工程质量,走进新时代。


参考文献:

[1] 尹衍梁,詹耀裕. 一种装配式建筑基础柱筋精准定位工具及定位方法(专利号:201611242386.2).

[2] 尹衍梁,预铸柱的续接外排气结构(ZL专利号:03257075.9).

[3] 钱稼茹,彭媛媛,张景明等. 竖向钢筋套筒浆锚连接的预制剪力墙抗震性能试验[J]. 建筑结构.2011(2):41-46.

原文参见《混凝土世界》2018年5期 P30-P37


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