装配式混凝土结构建筑根据其装配化程度可分为 (全) 装配式混凝土结构和装配整体式混凝土结构2大类, 尤其是现阶段装配整体式混凝土结构应在建筑应用中尽显优势, 满足绿色施工、绿色建筑要求。而预制构件的受力钢筋的连接技术是直接影响装配整体式混凝土结构安全度的关键, 同时钢筋连接节点也是装配整体式混凝土结构理论上的薄弱环节。

装配整体式混凝土结构的特点主要有:连接节点区域的混凝土采用后浇方法, 纵筋采用灌浆套筒连接或约束浆锚搭接连接;连接节点区域的钢筋构造与现浇结构相同;采用叠合楼盖。

1) 试件制作工厂化, 采用定型模板和自动化的流水线生产模式, 在减少劳动力的前提下大大提高生产效率。

2) 模具和流水线式的生产, 其设备可一次性投入后无限重复使用。

3) 大型构件进行现场装配、连接, 减轻施工对周边环境的影响, 且使工程施工周期缩短。

4) 减少现场湿作业和垃圾的产生, 同时减少施工现场的噪声污染和废水污染, 与传统施工方式相比节水、节电均>30%。

5) 构件工厂化带动一体化装修、信息化管理、标准化设计等附属方面的水平提升。

装配整体式混凝土结构以其巨大的优势正在迅速发展, 国家和地方多项政策都在大力推进装配整体式混凝土结构, 给予土地资源、资金等方面的支持, 如表1所示。

近几年, 装配式建筑在国家和地方大力推进下的效果也是显著的, 可以从预制构件厂的数量及分布情况直观观察到 (见图1) :预制构件厂正从一线、沿海城市向周边延伸, 数量也在不断增加, 分布面积不断扩大, 有预制构件厂的地方必然有装配式建筑。装配式结构是绿色建筑的最有效技术, 在推进过程中, 需要改变建造过程中的工具和装备, 研究和探索出成套技术应用到预制装配式建筑的绿色建造过程中。

搭接连接、焊接连接、机械连接是传统现浇方式建造的混凝土建筑中常用的钢筋连接方式, 目前按各自连接特性在预制结构中仍有沿用。

搭接连接具有施工方便、不受外界因素影响的优势, 并且对工人的技术要求不高。在现阶段实际工程应用中, 预制钢筋混凝土叠合板受力钢筋的连接仍沿用该连接方式;预制剪力墙侧边缘伸出的环状拉结筋与箍筋环采用搭接形式, 在箍筋环内配置竖向插筋, 浇筑混凝土形成暗柱完成预制剪力墙间竖向连接, 如图2所示。

相比绑扎搭接, 焊接连接中的电弧焊成本和受力性能更好, 只有符合施工工艺的对焊空间, 便可以对装配整体式构件的纵向钢筋进行连接。JGJ1—2014《装配式混凝土结构技术规程》中列出了焊接预焊钢板焊接连接构造, 如图3所示。

传统机械连接用于竖向钢筋连接后, 仍需要对连接部位进行二次浇筑混凝土, 且该位置难以振捣密实, 易产生水平接缝。接缝处钢筋缺少混凝土保护, 钢筋易被空气中的水分锈蚀, 影响结构耐久性。该连接方式在预制结构中有待进一步研究。

总体上来看, 预制结构钢筋连接的操作空间小, 导致在钢筋锚固过程中不能灵活调整, 传统的钢筋连接方式限于施工空间和精度的问题, 在预制构件中应用增加了施工困难。装配式建筑不断推进过程中, 针对装配整体式结构特点, 套筒灌浆连接和约束浆锚式钢筋连接2种装配整体式结构所特有的连接方式被开发。

1970年美国结构工程师Yee博士研发了NMB连接套筒。连接套筒是锥形, 如图4所示, 包括内壁带有螺纹和灌浆、出浆孔的橄榄型套筒、无收缩水泥砂浆 (或称灌浆料) 。具体的连接方法是:套筒一端预制在混凝土构件预留钢筋上, 现场将预连接构件上的钢筋插入相应套筒内, 灌满无收缩水泥砂浆, 钢筋与连接套筒之间不留间隙, 灌浆料硬化后即可将2根钢筋连接在一起。

最新的套筒灌浆连接方式共有2种, 分别为全套筒连接和半套筒连接。其中全套筒连接方式为:将套筒一端的钢筋在工厂预制在构件钢筋一端, 另一端钢筋在施工现场进行灌浆连接, 如图5a所示。而半套筒灌浆方式为:接头在预制构件端接头一般采用直螺纹方式连接钢筋, 现场装配端采用灌浆方式连接, 构造如图5b所示。直螺纹连接端所需要的钢筋锚固长度小于灌浆连接端所需的钢筋锚固长度, 半套筒灌浆接头尺寸较小, 但对所使用的套筒材料有较高要求, 且对预制端连接钢筋型号的要求也较严, 成本较全套筒灌浆接头高。

特别指出钢筋灌浆直螺纹连接技术具有显著的技术优势。

1) 接头外形尺寸小, 不仅用钢量小, 接头灌浆材料消耗少, 而且可降低构件截面尺寸, 增加建筑有效使用面积。

2) 套筒性能可靠, 接头性能好, 保证了构件及建筑高品质。

3) 连接作业方便、快速, 生产效率高, 成本低, 各方面指标均优于日本同类产品。

1) 造价高

相比于传统钢筋连接方式, 套筒连接的用钢量大、灌浆材料用量大且品质高, 导致套筒成本高;由于套筒外形尺寸较大, 在断面尺寸小的构件中更易破损。国内现有厂家生产套筒产品采用球磨铸铁精密铸造加工而成, 品质稳定性差, 残次品多;接头用的高强灌浆料不是普通砂浆, 造价高于普通砂浆, 严格来说并没有正式的接头灌浆材料产品。

2) 抗震性能

在历次地震中预制装配式结构体系在国内外应用中皆表现不佳, 因此制约了该结构体系的推广应用, 钢筋连接节点也是装配整体式混凝土结构理论上的薄弱环节, 不仅决定结构的抗震性能, 还会影响结构的快速建造是否经济合理、施工方便等。钢筋搭接长度过长、套筒灌浆接头在断面尺寸较小构件中使用更易发生破坏, 是目前装配整体式结构钢筋连接技术存在影响建筑整体抗震性能的问题。

基于以上情况, 国内外学者已进行的多项研究表明, 只要通过合理的装配节点连接设计, 装配式建筑的抗震性能可等同于现浇混凝土结构, 甚至某些性能指标可优于现浇结构。

目前国家大力发展装配式建筑, 进行建造方式的根本转变, 由粗放式向工业化的生产建造方式转变。现阶段国内的装配式建筑发展水平不高, 装配式建筑钢筋的连接还有广阔发展空间, 而装配整体式结构钢筋之间的连接是保证钢筋间传力以及结构整体性能的关键, 也是装配式建筑发展的关键。采用不同的连接形式直接影响工程质量、造价、工期。因此, 钢筋连接会朝着以下几个方面发展。

1) 成本降低、取材容易、性能提高。随着高强度钢筋在建筑中的使用, 相应的连接技术也要随之增强。材料的更新是技术进步的根本, 研发高性能材料有助于高强度钢筋连接技术的发展。

2) 构造简单、操作空间小、施工方便。根据工程实践发现构造形式越简单的连接技术施工越方便, 连接构件易加工, 容易大量推广采用。

3) 钢筋连接技术向规范化、模块化、信息化发展, 规格统一方便工厂化大批量生产。