装配式混凝土结构是实现建筑产业化发展模式的一种重要结构形式, 其经济、便捷、环保的优势更是得到国内外专业人士的关注^[1]。节点连接方式是装配式混凝土结构设计与施工中的关键问题^[2], 在当前装配式混凝土实际工程中, 框架结构的梁柱节点、主次梁节点采用预制构件伸出钢筋在后浇区 (梁柱节点核心区) 中锚固连接。为了满足构造要求, 梁底筋在节点处一般采用直线锚固、弯折锚固或机械锚固, 这使得钢筋在节点区排布密集, 构件放置困难, 以及后浇混凝土不易充分振捣密实^[3]。而在框架结构中的预制柱之间的连接及剪力墙结构中的预制墙体竖向连接多采用钢筋套筒灌浆连接^[4,5,6]。套筒灌浆工艺要求对预制构件中的受力钢筋进行逐一连接, 这种连接方式存在施工精度要求高、施工工艺难度大等问题, 尤其是到目前为止尚未有可行的对套筒灌浆的密实度进行现场检测的方法^[7,8]。

针对上述问题, 本文提出了一种适用于装配式混凝土预制构件之间连接的新型构造措施, 该连接构造是在待连接的两个预制件端部预埋C型钢卡槽, 将端部设有端头的连接钢筋 (对于柱或剪力墙构件可以做成工字钢形式) 的两端分别放入预埋的C型钢卡槽中, 随后在钢筋锚头和C型钢卡槽的空隙内灌入高强砂浆, 最后进行混凝土后浇形成整体。

该技术的特点是, 现场放置的连接钢筋灵活可动, 且C型钢卡槽和连接钢筋的锚头之间有较大空隙, 因此它的容错性很强, 使得现场施工效率大幅提高。由于特殊构造, 当连接钢筋受力时, 在C型钢卡槽和连接钢筋锚头之间的空隙内灌注的高强砂浆处于三向受压状态, 其承载力和延性得到极大提高, 保障破坏不发生在C型钢卡槽内。本文将以预制主次梁连接为例, 详细介绍这种新型节点连接技术的施工工艺和构造要点, 在此基础上, 通过灌浆试验证明该技术的可行性和可靠性。

本文以梁柱连接节点为例介绍新型连接技术 (见图1) 。新型钢筋连接构造主要由预埋C型钢卡槽、两端带锚头的连接钢筋或工字钢、后灌高强砂浆3部分组成。其中, 预埋C型钢卡槽由钢材料制作, 呈长条形, 断面呈C字型, C型钢卡槽背部焊接预制构件内的锚固钢筋或受力钢筋。

其中, 梁端C型钢卡槽在其腹板外侧焊接1排矩形钢板, 用以与梁内纵筋进行焊接;柱中C型钢卡槽除了在其外壁焊接若干矩形钢板外, 还需在矩形钢板焊接1排锚固用带弯钩钢筋, 用于C型钢卡槽与混凝土预制柱间的拉结, 以免C型钢卡槽过早被拉出混凝土体, 梁端与柱端的C型钢卡槽截面尺寸保持相同 (见图2) 。

连接用钢筋可采用带锚头的钢筋或工字钢, 如图3所示, 将其两端分别放入待连接预制构件中的C型钢卡槽内;最后, 用高强砂浆灌注于上述由预埋C型钢卡槽和后装连接钢筋或工字钢之间的空腔, 当其凝固后, 成为预埋C型钢卡槽和连接钢筋之间的传力介质。

作为一个传力装置, 外荷载首先通过梁内纵筋和柱内锚固钢筋将力传递给C型钢卡槽, 钢卡槽利用其弯钩构造借助高强砂浆将荷载传递给连接钢筋的锚头, 钢筋锚头最终将力传给钢筋。在上述力流传递路径中, 由于砂浆的强度最小, 因此, 作为C型钢卡槽和连接钢筋之间的传力介质, 其承载力直接影响整个装置的破坏限值。如果仅按受压材质来分析, 即便是高强砂浆, 其受压承载力也远低于钢筋的屈服承载力。但由于本构造中砂浆被围合在C型钢卡槽之中, 尤其是C形弯钩和连接钢筋锚头之间直接传力的砂浆区段, 其受力状态为三向受压, 承载力和延性得到大幅提高, 完全可以保障节点不首先因砂浆被压坏而退出工作 (见图4) 。

砂浆的密实性是保障砂浆能够有效传力的关键, 虽然砂浆具有较高流动性, 但由于C型钢卡槽是水平放置, 砂浆需从侧面水平流入并充实C型钢卡槽和连接钢筋锚头之间有限且复杂的空间, 其灌浆可靠性非常重要。为防止漏浆, 现场施工时需对C型钢卡槽相关部位进行封堵, 如图5所示, 采用C型钢卡槽侧面开口处封堵后, 从其中一个端部开口处灌浆, 直到从另一端部开口处浆液流出为止。

实际施工过程中, C型钢卡槽中灌浆后还需浇筑梁端的现浇段, 现浇段配筋如图6所示。

为方便拆模检查, 灌浆试验的试件采用泡沫塑料作为模板。C型管两端各安装1根注浆软管, 其中一端的注浆软口接上1个漏斗。灌浆时从有漏斗的一端倒入浆液, 浆液自然流淌填充C型钢卡槽和带锚头的连接钢筋之间的空腔, 直至在装置的另一端冒浆为止, 如图7所示。由于采用这种U形灌浆方式, 因此空腔内的浆液始终满盈。

脱模后检查砂浆表面, 未出现蜂窝、麻面。沿模拟连接钢筋的PVC管剖切, 检查内部浇筑情况, 由灌浆密实度检查结果可知, PVC管及锚头周边砂浆浇捣密实, 未出现空穴气泡存留, 证明采用上述施工工艺可保证灌浆密实, 实际工程中如采用压力灌浆则将有更高效的表现。

1) 施工精度要求低相比于套筒灌浆技术要求每根钢筋都准确插入仅比其直径大10mm的套筒, 本文提出的新型连接由于连接钢筋并非预埋在预制构件中, 而是可以在一定空间中进行灵活调整, 因此具有较大误差容忍性, 施工难度大大降低。

2) 灌浆密实度有保障由于本文提出的新型连接节点的灌浆孔和出浆孔之间水平高度相同, C型钢卡槽内浆液始终充盈, 因此不会出现目前装配式结构工程中所使用的套筒灌浆时所出现的浆液回流现象, 从而保证了灌浆密实性。

3) 现场检测方便由于C型钢卡槽的侧面防漏浆侧板可以打开, 因此当灌浆料初步凝结之后可打开防漏浆侧板对灌浆质量进行检查, 如发现质量问题可对连接进行及时修补。

4) 经济性好套筒灌浆连接中的套筒所用钢材、加工工艺以及灌浆料的配合比都有严格要求, 成本较高。本新型连接中的C型钢卡槽的制作加工精度要求不高, 对灌浆料的要求也相对较低, 因此其成本相对较低, 更适宜工程推广。