预制外墙挂板 (以下简称外挂板) 是一种重要的装配式围护结构, 主要应用于框架结构, 在美国、日本比较普遍, 我国近年来也有一定应用, 如清水混凝土外挂板、保温装饰一体化混凝土复合外挂板^[1,2,3]等。外挂板间的连接节点是最关键的设计内容之一。外挂板与主体结构的主要连接节点形式分为点承式和线承式, 目前, 线承式连接节点主要在我国部分地区有所应用, 而点承式连接节点在美国、日本及我国台湾地区应用较多。相较之下, 线承式连接节点一般需节点后浇, 外挂板只能与主体结构同步安装施工, 结构设计时还需考虑外挂板对结构刚度增量的不利影响^[4];采用点承式连接节点的外挂板则能实现“先主体、后挂板”的建造方式, 有利于缩短工期, 且合理的设计可大幅度减少外挂板对主体结构刚度的影响。鉴于此, 本文将点承式连接节点作为主要研究对象。

点承式连接节点通常采用螺栓、连接件 (以角钢最为常见) 、预埋件等零件进行锚固^[5,6], 一方面需要保证有足够的承载能力以及与主体结构的协同变形能力, 以防地震中主体结构变形时连接件因应力集中而导致破坏;另一方面还需考虑现场施工时要满足高效施工和安装质量要求。

对于装配式建筑, 尤其是预制率较高的装配式框架结构, 梁、柱、板都采用工厂生产、现场拼装的方式进行建造, 预埋件位置偏差及梁、柱、板拼装误差在实际工程中都难以避免, 外挂板连接节点如果没有一定的误差适应能力, 则必然造成安装困难、拼装效果不佳等问题, 严重时甚至因安装应力过大而导致安全问题。

针对上述问题, 本文提出一种误差适应能力强的可调节型点承式干式连接节点, 并从节点构造、工作原理到安装施工、工程应用对其进行全面介绍, 以期为装配式围护结构的高效施工提供有效解决方案。

常规点承式外挂板连接节点多通过角钢连接件、螺栓和预埋件将外挂板直接固定于梁、柱或楼板上, 然而对于装配式建筑, 采用这种连接方式却存在一些弊端。

1) 当不设置柔性连接构造措施时, 外挂板与主体结构之间的变形完全由角钢自身的材料变形提供, 虽然连接稳固, 但协调变形能力不足。在不发生地震的情况下, 由于该类连接节点仅承受风荷载及自身重力荷载, 因而受力安全可靠;但发生地震时, 主体结构产生较大变形, 稳固的连接构造反而会引起连接节点处的应力集中, 从而造成连接件破坏或局部混凝土开裂破坏, 极大地影响结构的安全性和震后可修复性。参考JGJ1—2014《装配式混凝土结构技术规程》^[7]及16G333《预制混凝土外墙挂板》^[8]等提供的设计方案, 采用连接件和预埋件间设置长圆孔滑移槽构造, 形成平面内可滑移支座, 使外挂板实现旋转式或平移式变形模式, 可一定程度上解决上述问题。

2) 预制构件在实际拼装过程中必然存在安装误差, 而且预制构件中的预埋件本身也可能存在位置偏差, 当主体结构安装完成后, 预埋件位置相对固定, 连接件没有足够的变形能力, 外挂板安装时可能出现安装困难, 此时若强行安装, 则需对连接节点施加较大安装应力, 不仅增加安全隐患, 还会导致墙片难以对齐, 严重影响施工质量。当遇到曲面墙体的安装时, 这一问题将进一步放大。

为解决上述问题, 本文提出一种可调型外挂板连接节点。如图1所示, 该连接节点由外套筒、内套筒、连接板、高强螺栓、垫板、预埋螺栓套筒、塑料帽盖等组成。外套筒通过预埋件固定在预制梁 (柱) 上;内套筒通过螺纹与外套筒相连, 内套筒焊接于连接板上, 连接板可随内套筒转动而转动;外挂板内设置预埋螺栓套筒, 预埋螺栓套筒通过高强螺栓与连接板相连;连接板采用U形槽构造, 高强螺栓在紧固前可在槽内活动;外挂板外立面的孔洞可由塑料帽盖堵住。连接节点拼装示意如图2所示, 某型号连接节点详图如图3所示。

设计连接节点时, 应符合相关规范的要求。根据GB/T51231—2016《装配式混凝土建筑技术标准》, 抗震设计时地震作用标准值应在外挂板抗震设计荷载的基础上乘以2.0的系数, 即:

$q{}_{\text{E}\text{k}}=2.0\beta {}_{\text{E}}\alpha {}_{\max }G{}_{\text{k}}/A(1)$

式中:q_Ek为地震作用标准值;β_E为动力放大系数, ≥5.0;α_max为水平多遇地震相应系数最大值;G_k为外挂板的重力荷载标准值;A为外挂板平面面积。

设计需验算的内容应包括:高强螺栓的拉剪验算、连接板承压验算、连接板抗弯承载力验算、外套筒焊缝承载力验算、外套筒最不利受力点弯剪验算等。

可调型外挂板连接节点通过螺纹套筒与U形槽构造措施可实现多方向的安装调节。

1) 平面外误差调节 外挂板中的预埋螺栓套筒设有内螺纹, 当预制框架在墙面平面外存在误差时, 先通过调节内套筒旋入外套筒的深度进行粗调, 再通过调节高强螺栓旋入预埋螺栓套筒的深度进行微调, 从而适应此安装误差 (见图4) 。

2) 平面内水平误差调节 外套筒设有内螺纹, 并与内套筒表面螺纹契合, 内、外套筒通过螺纹可靠连接, 仅在绕轴旋转方向上保持一定自由度, 因此连接板可跟随内套筒在外套筒中旋转。由于高强螺栓处于内套筒旋转轴的正上方, 当与高强螺栓相固定的外挂板发生水平移动时, 恰好带动连接板旋转, 因此可实现水平方向的调节能力。

3) 平面内竖向误差调节 由于连接板采用U形槽构造, 外挂板可随高强螺栓在槽内的活动进行竖向调节 (见图5) 。高强螺栓与连接板间设置了1块偏心圆孔垫板, 待调整好竖向误差, 转动垫板到合适的位置后拧紧螺栓, 则垫板通过摩擦和侧面承压便可发挥一定的传力作用。这是一种额外的安全措施, 重力荷载并不通过进行过竖向调节的连接节点传力。1片4支撑点外挂板, 由于节点设计计算时只考虑2个支撑点为承重节点, 若已保证2个连接节点可稳固承重, 即便另外2个连接节点进行了竖向误差调节, 也可满足承重要求。

地震时主体框架产生变形, 采用该可调式连接节点安装的外挂板可形成如图6所示的“整体平移式”变形模式。其中, 连接节点相当于两端铰接的二力杆。地震变形时, 多层外挂板整体平移运动。

图7所示为常规的外挂板“平移式”变形模式。该变形模式的每块外挂板都采用了一边固定铰、一边水平滑动铰的构造, 地震变形时, 每层外挂板都分别平移运动。

这2种变形模式下的连接件与构件之间均不产生应力集中, 且外挂板对主体结构的刚度影响较小, 设计时无须考虑外挂板增加的刚度导致地震力增加。相较之下, “整体平移式”的外挂板拼缝处变形小, 不易开裂, 震后易修复, 因而更具优势。

可调式连接节点构造一致, 节点布置灵活, 连接节点既可布置于梁上, 也可布置于柱上, 且不改变变形模式, 既适用于横挂板, 也适用于纵挂板。

该可调型外挂板连接节点属于一种全干式施工连接节点, 安装方便, 施工快捷。安装施工主要包括以下步骤。

1) 先在主体结构上将内套筒及连接板安装就位, 粗调连接板上内套筒的旋入深度, 使连接板基本处于同一平面内且保证连接板槽口朝上;再将高强螺栓和垫板连接到外挂板上, 并留一定空隙, 使其能顺利放入连接板槽口。

2) 吊装外挂板 (见图8) 。将高强螺栓放置于连接板槽口内, 保证至少有一侧连接节点的螺杆与连接板贴实。当主体结构存在安装误差时, 由于该连接节点具有很好的误差适应能力, 因此将在该工序中发挥明显优势。

3) 调节外挂板的位置、标高、垂直度, 将带有偏心圆孔的垫板旋转至合适位置, 使其恰好顶住外套筒, 最后拧紧高强螺栓, 完成连接节点安装 (见图9) 。

4) 外挂板安装前, 拼缝处设置橡塑缓冲条和泡沫条 (见图10) ;安装完成后, 用硅酮结构密封胶处理拼缝, 用塑料帽盖封堵预留孔 (见图11) 。

可调型外挂板连接节点已在装配式钢结构建筑及装配式混凝土结构建筑工程中得到应用, 某钢结构办公楼的施工现场照片如图12a所示, 连接节点布置于柱上;某装配式混凝土厂房的施工现场照片如图12b所示, 连接节点布置于柱上;2个装配式混凝土办公楼的施工现场照片分别如图12c, 12d所示, 连接节点均布置于框架梁上。可以看出, 工程采用该连接节点, 使外挂板之间衔接平整, 拼缝整齐, 安装质量得到了有效保证。

1) 提出了一种外挂板的可调节型点承式干式连接节点, 通过螺纹套筒与U形槽构造措施可实现多方向的安装调节, 其适应安装误差的能力很高。由于采用全干式施工方式, 因而具有安装方便、施工快捷的特点。

2) 该连接节点可灵活布置, 与外挂板形成的位移模式可以保证地震作用下与主体结构的协调变形, 减少外挂板和连接件破坏, 同时减少外挂板对主体结构刚度的影响。

3) 该连接节点已在装配式钢结构及装配式混凝土结构项目中成功应用, 实践表明, 其安装误差可调的特性有利于实现高效施工, 保证安装质量。