0 引言

　　装配式混凝土结构施工机械化程度高，进度快，现场湿作业少，节省大量模板，对现场周围环境影响小，具有良好的社会和经济效益^[1]。装配整体式钢筋混凝土叠合结构可在装配式结构工厂化制造，且具有较好的整体刚度，因此在装配式建筑工程中得到广泛应用。

　　装配式叠合梁属于叠合构件的一种，是预制混凝土梁顶部在现场后浇混凝土而形成的整体构件^[2]。叠合梁预制与现浇部分的连接质量是影响其整体性能的关键。

　　目前装配整体式结构中的叠合主次梁节点主要有3种形式:(1)预制主梁上现浇混凝土次梁，该节点须支设模板，施工速度优势不明显;(2)预制次梁搁置在预制主梁边缘，通过现浇节点区混凝土实现主次梁连接，施工速度快，但整体性较差;(3)预制次梁搁置在预制主梁边缘，通过部分现浇主次梁及节点区混凝土实现整体连接，施工时节点刚度小、变形大、易开裂，但整体性较好、施工速度较快。因此，形式(3)在实际工程中的应用较广。张季超等^[3]在形式(3)的基础上，提出了一种改进后的装配整体式混凝土结构叠合主次梁节点。许勇等^[4]认为按照等强度条件设计的装配叠合主次梁节点的破坏模式、理论计算结果与现浇构件基本相同，其研究采用的主次梁叠合面抗剪措施满足构件正常使用和承载能力极限状态的设计要求。任志平等^[5,6]认为叠合主次梁仅有现浇部位连接在一起，且叠合梁两端为上部承受弯矩，为便于施工、保证叠合次梁安装稳定性，叠合主次梁连接节点可选用搁置式主次梁连接节点，即在叠合主梁设置键槽、在叠合次梁设置牛担板，采用滑动支座连接，并通过叠合梁板结构现浇层解决整体稳定性问题。

　　叠合梁的预制部分混凝土与后浇部分混凝土经过一定的构造措施后，能够很好地协同工作，并且满足承载能力要求，与整浇混凝土梁在工作性能上基本一致^[7]。

　　对叠合梁受力特点和施工工艺进行研究，采用有限元技术、BIM技术仿真模拟主次梁连接节点及钢筋排布，深化叠合梁侧面带键槽和套筒的新型节点设计，通过研发预埋钢筋套筒定位装置，优化叠合梁上部压槽和工厂穿面筋工艺等，以提高叠合梁安装质量及效率，保证主次梁节点连接可靠性。

　　1 工程概况

　　华南某大学广州校区项目是广州市面积最大的装配式建筑项目，也是首个依托国家重点研究项目探讨珠三角地区气候适应性的绿色建筑项目。本工程地上16层，地下1层。项目一期总建筑面积约50万m²，其中15万m²采用装配式结构，装配率超过60%。

　　2 主次梁连接施工难点

　　根据JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》要求，预制构件与后浇混凝土、灌浆料、坐浆材料的结合面应设置键槽，且宜设置粗糙面。本项目采用侧面带键槽及预埋套筒的预制叠合主梁，用于主次梁连接，其结构如图1所示。该技术存在如下难点。

　　1)根据设计要求，大部分主梁侧边应设置键槽、预埋钢筋套筒，以保证与次梁的连接效果，但键槽深度、表面粗糙度和套筒内钢筋插入深度等因素在现场施工中对结构承载力的影响未知，对施工要点的把控易产生影响。

　　2)在叠合梁生产过程中，其预埋件允许偏差范围要求严格，但由于梁钢筋数量和种类相对较多，同时预制梁内预埋件多，钢筋与预埋件定位易发生冲突，导致预埋件施工质量存在隐患，对现场施工影响大。

　　3)在现场施工过程中，主次梁交接处钢筋交错布置，因数量和种类多，连接极易出现错、漏、碰、缺等问题。

　　4)本工程装配式叠合主次梁只有部分预制，梁顶面留有一定厚度的现浇高度。由于外露箍筋的限制及梁上部钢筋排布较为复杂，实际施工中上部钢筋穿筋较困难，降低了整体工作效率。

　　3 有限元分析

　　3.1 模型概况

　　采用有限元软件ABAQUS创建包含主梁与次梁的节点模型，对预制梁端面键槽深度及预埋套筒钢筋连接可靠度进行模拟分析。采用实体单元进行精细化模拟。

　　3.1.1 材料本构模型

　　混凝土采用塑性损伤本构模型，钢筋采用考虑强化的双斜线模型。塑性损伤本构模型相关参数取值为:屈服面在强化过程中的膨胀角φ为387);塑性势函数的偏心距λ为0.1;等效双轴压应力与单轴压应力之比为1.16;不变量应力比K_c为2/3;黏塑性体系松弛时间的黏性参数μ为1×10^-5，其中，损伤因子根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》附录C中混凝土单轴受拉、受压应力-应变关系公式以及损伤因子回归公式^[8]确定。

　　

　　图1 预制主次梁节点  

　　 

　　3.1.2 单元类型

　　混凝土采用八节点减缩积分单元C3D8R模拟，钢筋采用Truss单元，不考虑黏结滑移效应。

　　3.1.3 网格剖分

　　设定混凝土单元网格尺寸为80mm，钢筋网格尺寸为50mm。预制主、次梁间的接触界面和预制混凝土与现浇混凝土界面法向采用硬接触，切向采用罚函数，以模拟界面摩擦作用。

　　3.1.4 边界条件

　　对主梁梁端施加固端约束，于次梁端部分别施加向上与向下的竖向荷载。对施工过程中可能产生的底部钢筋套筒连接质量缺陷，采用折减连接缺陷处钢筋截面面积的方法进行模拟。各模型变量如表1所示。节点模型如图2所示。

　　  

　　表1 模型变量 

　　 

　　 

　　

　　表1 模型变量

　　

　　图2 预制主次梁节点模型  

　　 

　　3.2 键槽深度有限元分析

　　《装配式混凝土结构技术规程》对预制梁端的键槽设置尺寸、数量、深度、宽度进行了基本规定，但未对梁侧面设置键槽用于连接次梁的相关规范作出要求。

　　根据相关设计文件，主梁侧面键槽数量和位置由主梁在结构中所处位置和与之相连次梁数量和位置决定。根据规范、设计图纸和实物图片，键槽深度取25～150mm。

　　建立键槽深度分别为50,100,150mm不等的模型(见图3)，次梁模型如图4所示。

　　根据键槽深度及加载方向分为6组工况，如表2所示。

　　对比6组工况下的混凝土Mises应力云图、钢筋应力云图、次梁钢筋应力云图、次梁及键槽Mises应力云图可知，键槽深度对承载力影响不大，但键考虑施工现场情况，本工程键槽深度选取为50mm。

　　

　　图3 不同键槽深度有限元模型 

　　 

　　

　　图4 次梁模型  

　　 

　　  

　　表2 模拟工况 

　　 

　　 

　　

　　表2 模拟工况

　　3.3 键槽内粗糙程度

　　由于键槽深度对承载力影响不大，键槽内的结合面粗糙程度对结构的承载力影响可忽略不计。考虑施工便捷性，在键槽处设置简易粗糙面，如图5所示。

　　

　　图5 键槽处粗糙面  

　　 

　　3.4 套筒内钢筋连接的可靠度影响

　　本工程主梁只有一侧与次梁连接时，主梁与次梁连接一侧的主梁键槽下方需预埋套筒用于次梁钢筋和预埋入主梁部分锚固钢筋的连接。

　　根据规范，其伸入长度相当于次梁伸入主梁的锚固长度。根据预制构件设计总说明的要求，预制梁纵向钢筋应采用带“E”的普通钢筋，除注明外，钢筋最小锚固长度为37d。

　　采用有限元软件ABAQUS模拟次梁钢筋伸入主梁的节点连接可靠度。根据底部预埋钢筋套筒连接的可靠度(相当于钢筋数量)、加载方向，分以下工况进行模拟分析:(1)底部3根钢筋，向下加载;(2)底部3根钢筋，向上加载;(3)底部2根钢筋，向下加载;(4)底部2根钢筋，向上加载。

　　对4组工况下的混凝土Mises应力云图、钢筋应力云图、次梁钢筋应力云图、次梁及键槽Mises应力云图等仿真模拟结果进行分析，由施工质量引起的底部钢筋套筒连接强度不足则明显影响正向承载力，减少1根钢筋与2根钢筋的情况下，正向承载力与正常施工质量情况相比分别降低14.3%,23.3%，可见底部套筒连接施工质量十分关键。

　　4 BIM软件模拟钢筋排布

　　生产过程中，梁内钢筋多，排布复杂。为保证预制构件的连接，必须预埋一部分构件于梁内，如钢筋套筒、搭接筋等。同时，在施工现场，现浇节点是构件的薄弱点，配筋复杂、密集，导致节点处钢筋数量和种类多，易出现错、漏、碰、缺等情况。

　　4.1 BIM软件应用

　　本工程利用Revit软件模拟钢筋排布，建立构件复杂节点钢筋三维模型，查找钢筋碰撞点，进行钢筋空间位置调整，并通过分层着色的方法合理安排钢筋施工顺序。

　　将BIM技术应用于PC结构的深化设计，对叠合梁进行钢筋与洞口碰撞可视化检查，提高生产过程的准确性。如在叠合梁连接区预制构件底部预埋套筒或搭接钢筋时，通过BIM可视化模型，准确模拟预埋钢筋套筒位置及钢筋布置。

　　采用3D实施漫游，通过软件中自带的碰撞校核管理器宏观检查整个模型，对BIM模型进行碰撞检查，发现构件深化图纸中错、漏、碰、缺，及时修改图纸。

　　采用4D模拟进行装配式构件的预拼装，确定现场吊装顺序。对装配式模型的现浇节点进行钢筋排布及碰撞检查，提前发现并消除可能存在的预制构件端部钢筋互相碰撞的隐患。

　　4.2 钢筋排布操作要点

　　1)节点位置确定以及节点BIM深化设计模型创建

　　根据设计文件，采用BIM软件创建节点深化设计模型，并依据施工规范对节点钢筋进行合理排布，如图6所示。

　　

　　图6 叠合梁BIM钢筋排布  

　　 

　　2)碰撞检测

　　深化设计模型创建完成后，利用BIM技术开展碰撞检查，检查内容包括对象的名称、类型、材质及截面，重点检查碰撞的位置及数量，输出碰撞报告。

　　3)确定节点处钢筋排布

　　对钢筋排布相关参数进行调整，实现在钢筋排布平面中钢筋连接方式与位置、钢筋锚固长度、钢筋端部保护层厚度的优化，以达到既满足设计要求又便于施工的目的。

　　4)对设计模型进行调整，生成施工模型

　　对节点BIM深化设计模型进一步调整，达到最优状态并生成施工模型。

　　5)节点施工

　　对节点施工过程进行严格管控，严格按照模型施工，保证节点处施工质量。

　　5 叠合梁上部压槽和穿筋

　　工程中叠合板钢筋须锚固至叠合梁中，考虑施工现场叠合板钢筋可能无法伸入叠合梁，叠合梁上部钢筋绑扎必须后序进行，梁上部钢筋现场穿筋是装配式建筑现场施工的重难点。

　　对叠合梁面筋绑扎进行优化，在预制梁上部压槽并在工厂预制主梁面筋提前安装，降低现场施工难度，节省工期。为达到压槽成型效果，在工厂进行叠合梁生产时，待叠合梁混凝土浇筑振捣完毕后、初凝前在梁顶部相应位置放置与梁同长的木质檩条并挤压混凝土使其出现槽型，待混凝土初凝后移去木质檩条。压槽成型及穿筋效果如图7,8所示。

　　

　　图7 压槽成型效果  

　　 

　　

　　图8 穿筋效果  

　　 

　　6 预埋钢筋套筒定位装置

　　叠合主梁侧边与次梁钢筋通过主梁内预埋钢筋套筒机械连接。因此，预埋钢筋套筒的质量直接影响主次梁节点的连接质量。研发一种预埋钢筋套筒固定装置，将钢筋的端头加工成螺纹，螺纹根部焊接法兰盘用以压紧梁侧面模板从而固定套筒(见图9)，避免施工过程中出现预埋套筒位置偏差、埋置稳固性不够、套筒内混凝土堵塞等质量问题。实践证明该装置能确保预埋套筒的施工质量，从而减少工程施工成本和工期。

　　

　　图9 预埋钢筋套筒定位装置  

　　 

　　当发现其他钢筋与预埋套筒定位冲突时，应首先保证预埋套筒的位置要求，除构件外伸钢筋外，构件配筋可适当挪动，挪动幅度≤±20mm。预埋套筒要防止灌入混凝土，并在成型后填塞柔性泡沫棒，做好成品保护。预埋套筒应比梁侧边混凝土表面内凹5～10mm。

　　7 侧面带键槽和套筒的叠合梁生产与施工工艺

　　叠合梁生产与施工工艺流程如图10所示。

　　7.1 模台清扫、刷脱模剂

　　将内腔、模具拼接处残留混凝土及其他杂物清理干净，使用压缩空气将模具内腔吹干净，以用手擦拭无浮灰为准。清理模具工装，保证工装无残留混凝土;清理模具外腔，并涂油保养;清理的混凝土残灰要及时收集到指定的垃圾筒内。

　　粗糙面处模具可不做清理直接涂刷界面剂。用干净抹布蘸取脱模剂(油)，拧至不自然下滴为宜，在底模和模具内腔均匀涂抹，保证无漏涂。涂刷脱模剂(油)后的模具表面无明显痕迹。

　　7.2 模具组装、检查

　　组模时应仔细检查模板是否有不干净、损坏、缺件、尺寸偏差现象，如有应及时维修或更换。选择正确型号侧板进行拼装，拼装时不得漏放紧固螺栓或磁盒。在拼接部位要粘贴密封胶条，粘贴平直、无间断、无褶皱，胶条不应在构件转角处搭接;各部位螺栓校紧，模具拼接部位不得有间隙，确保模具所有尺寸偏差控制在允许误差范围内。

　　7.3 钢筋排布、下料制作

　　根据项目的施工图纸节点情况，采用BIM软件创建节点深化设计模型，并依据施工规范对节点钢筋进行合理排布，提前消除可能存在的钢筋碰撞隐患。

　　7.4 钢筋笼吊入、埋设预埋件

　　钢筋网片、骨架经检查合格后，吊入模具并调整好位置，垫好保护层垫块，检查外露钢筋尺寸和位置。埋件须固定在指定位置，预留孔中心线偏差≤±5mm，保证螺栓垂直度。埋件应严格按图纸要求加工制作或采购，安装埋件前检查所有工装是否有损坏、变形情况。

　　7.5 套筒固定装置就位

　　采用预埋钢筋套筒固定装置将预埋钢筋套筒紧紧固定在模具上，确保钢筋套筒的位置精确。

　　7.6 钢筋、预埋件检查

　　严格按照相关规范对钢筋的绑扎、长度、连接方式及预埋件位置进行检查，严禁出现错用钢筋等级、直径及预埋件埋设不合格等情况。

　　7.7 混凝土浇筑、振捣

　　采用人工振捣方式，尽量避开埋件处，以免碰偏埋件。

　　

　　图1 0 叠合梁生产与施工工艺流程  

　　 

　　7.8 叠合梁上部压槽

　　混凝土初凝前在梁顶部相应位置放置与梁同长的木质檩条并挤压混凝土使其出现槽型，待混凝土初凝后移去木质檩条。

　　7.9 叠合梁表面处理、穿筋

　　对叠合梁表面进行处理后，按照图纸进行钢筋下料，并穿进已压制好的槽里。

　　7.1 0 叠合梁养护

　　一般情况下自然养护，进入冬季后为提高混凝土早期强度，采用养护窑养护。

　　7.1 1 叠合梁脱模

　　拆模前做同条件试块的抗压试验，达到15MPa以上方可拆模。首先拆卸侧模的紧固螺栓，确保完全拆卸后将边模平行向外移出，防止边模在此过程中变形。

　　拆模时不要使用重物敲打模具侧模，以免模具损坏或变形，拆模工具使用后放至指定位置，摆放整齐。

　　7.1 2 叠合梁起吊

　　起吊前检查吊点、吊耳及起吊用的工装，尤其是焊接位置是否存在安全隐患。吊运过程中确保吊具与构件吊环连接固定，吊运指挥人员要与吊车配合好，保证构件平稳，不发生磕碰。起吊后的叠合梁放到指定的区域，下方垫300mm×300mm木方，起吊工具、工装、钢丝绳等使用后要存放至指定位置，妥善保管。

　　7.1 3 叠合梁检查与修补

　　拆模后须检查叠合梁截面尺寸、预埋件及外观质量，核对构件型号与数量。

　　做好叠合梁表面清理，接缝部位凸出的混凝土打磨平整，凿除浮料，补平凹处，刷净表面水泥浆。

　　7.1 4 叠合梁厂内吊运

　　叠合梁吊运过程保持水平，慢速吊运，平缓下落，对称放置于存放架。

　　7.1 5 叠合梁存放

　　叠合梁吊运至堆场应按规格型号、装车顺序分别设堆存放，并以装车顺序对其编号。

　　8 施工质量验收

　　大体量装配式侧面带键槽和套筒的叠合梁外观质量不宜有一般缺陷，对于已经出现的一般缺陷，应按技术处理方案进行处理，并重新检查验收，质量应符合《装配式混凝土结构技术规程》、GB50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》^[9]等规定。

　　大体量装配式侧面带键槽和套筒的叠合梁生产与施工工艺可减少机械设备的使用，减少能源消耗，优化工艺流程，保证大体量装配式叠合梁的成品质量，符合国家规范及设计要求。

　　9 结语

　　采用通用有限元软件ABAQUS对主次梁连接节点进行仿真模拟，确定了键槽的最佳设置深度和预埋钢筋套筒的做法;通过BIM技术模拟主次梁连接节点和钢筋排布，深化了叠合梁侧面带键槽和套筒的新型节点设计;研发及使用了预埋钢筋套筒定位装置，优化了叠合梁上部压槽和工厂穿面筋工艺等，形成了大体量装配式侧面带键槽及套筒的叠合梁生产与施工新技术。该技术在广州市面积最大的装配式建筑项目———华南某大学广州校区工程中成功应用，提高了大体量装配式叠合梁安装质量及效率，保证了主次梁节点连接的可靠性，节约了叠合梁生产、施工成本。该工程经过近1年的使用，各项质量、性能指标均符合国家规范和设计要求，使用效果良好。