装配式混凝土结构是由预制混凝土构件通过可靠的连接方式装配而成的混凝土结构。包括装配整体式混凝土结构^[1]、全装配混凝土结构等。

新型装配式建筑大大提高了工业化生产效率, 产品质量把控严格, 同时提高了工程项目的整体性能^[2,3]。本文以南通政务中心停车综合楼项目为研究背景, 介绍了预制装配整体式结构中预制混凝土构件模具设计、构件生产、参数计算、吊装等关键施工技术^[4]。

南通政务中心停车综合楼项目 (见图1) 位于江苏南通市工农路西侧, 洪江路南侧。项目总建筑面积为49 593m², 主要建筑功能为停车库、厕所及餐厅、会议用房及业务用房。项目地下2层, 地上分高、低2区, 高区16层、低区8层, 高区建筑高度为61m。本项目建筑结构形式有2种, 其中低区为预制装配整体式框架结构, 高区为预制装配整体式现浇框架-剪力墙结构。本工程为一般重要建筑, 设计使用年限为50年, 抗震设防烈度为6度。

模具生产过程包括模具设计和模具制作, 设计和制作过程中要综合考虑模具的稳定性、强度、刚度^[5]和周转次数。模具性能需要进行相关的假设和计算, 预制构件的质量特别是外观直接受到模具性能的影响。模具制作主要考虑预制构件的类型和需要, 分为预留孔模具、活动模具和定型模具等。预制构件尺寸大小和数量决定模具使用的材料, 一般有方钢管、角钢、钢板、槽钢等^[6]。

目前项目中预制构件模具可互换性差且通用性不强, 这是因为目前项目预制构件种类繁多, 造型复杂, 尺寸及数量不一^[7]。为控制模具投入成本, 可将结构类似、尺寸不同的预制构件配置少量模具并分配在同一流水线生产, 该部分预制构件按照尺寸由大到小顺序施工, 不同尺寸构件使用的模具材料可重复利用, 以达到增加模具周转次数、节约模具投入、减少车间及模台占用量的目的^[8]。当两端带有键槽的预制混凝土梁在模具内成型后需要将两端键槽动模取出, 由于键槽动模嵌入到混凝土梁内, 取出较困难, 影响生产进度。通过设计一种预制混凝土梁构件端模具液压脱模机构 (已申报发明专利) 可解决该问题, 如图2所示, 其创新之处在于:①没有带芯动脱模机构的梁端模具, 采用手工脱模时脱模困难、劳动强度大, 容易损坏梁端混凝土;②增加芯动脱模机构的梁端模具, 减少了脱模人工成本和工人的工作强度, 提升了构件质量, 大大提高了构件生产效率。

预制柱侧面板模具具体参数和使用材料为:预制柱浇筑高度1 000mm;面板为8mm厚冷轧钢板;竖向背楞为[8@900mm;水平背楞为[12@500mm (见图3) 。

依据GBJ204—83《钢筋混凝土工程施工及验收规范》, 新浇混凝土对模具侧向压力计算公式为:

$\begin{array}{l}F{}_{\max }=0.22\gamma {}_{\text{c}}t{}_0{\rm K}{}_1{\rm K}{}_{2}v{}^{1/2}(1)\\ F{}_{\max }=\gamma {}_{\text{c}}{\rm H}(2)\end{array}$

式中:γ_c为混凝土的重力密度;t₀为新浇混凝土的初凝时间;K₁为外加剂影响系数;K₂为坍落度影响系数;v为混凝土浇筑速度;H为混凝土侧压力计算位置到新浇顶面的总高度。

将预制柱侧面板模具参数代入式 (2) , 得出两组侧向压力值, 根据规范要求取较小值, 得出F_max=26kN/m², 设计值q₁=37kN/m²。

侧面板模具长度l=2 500mm, 板宽度b= 1 000mm, 厚度h=8mm, [8间距l₁=450mm (见图4) 。

1) 强度验算

应力:$\sigma =\frac{q{}_{1}l{}_1^2/10}{bh{}^2/6}=70\text{Ν}/\text{m}\text{m}$² <f_m=215 N/mm² (3)

式中:f_m为钢材抗弯强度设计值, 取215N/mm²。

2) 挠度验算

挠度验算不考虑震动荷载的影响, 计算时采取标准荷载, 计算为:q_1k=26kN/m²×1.0m=26kN/m。

面板挠度计算公式为:

$\omega =q{}_{1\text{k}}l{}_1{}^4/150Ebh{}^3=0.661\text{m}\text{m}<[\omega ]=1.125\text{m}\text{m}(4)$

式中:E为弹性模量, 取2.1×10⁵N/mm²;[ω]为规范允许挠度值。

[8在横向背楞上的支撑形式为竖肋, 可将在横向背楞上的槽钢看作连续梁计算, 跨距为横向背楞的间距, 最大为l₂=900mm (见图5) , 悬挑部分长度为l₃=600mm。

[8号槽钢的线荷载为:

$q{}_2=q{}_{1}l{}_1=16.65\text{k}\text{Ν}/\text{m}(5)$

1) 强度验算

应力:$\sigma =\frac{q{}_{2}l{}_2^2/10}{W}=53.3\text{Ν}/\text{m}\text{m}$² <f_m=215N/mm² (6)

式中:W为截面抵抗矩, 为25.3cm³。

2) 刚度验算

挠度验算不考虑震动荷载的影响, 计算时采取标准荷载, 计算为:q_2k=26kN/m²×0.45m=11.7kN/m。

3) 悬臂部分挠度:

$w=q{}_{2\text{k}}l{}_3^4/8E{\rm I}=0.89\text{m}\text{m}<[w]=1.2\text{m}\text{m}(7)$

式中:[w]为容许挠度;I为截面惯性矩, 为101cm⁴。

槽钢作为主背楞支承在对拉角钢上, 可将在主背楞上的槽钢看作连续梁计算, 跨距为横向背楞间距 (见图6) , 最大为L₁=1 000mm。

侧压力作用在槽钢上的集中荷载为:

$q{}_3=37\times q{}_{1}L{}_1=37\text{k}\text{Ν}/\text{m}(8)$

应力:

$\sigma =\frac{q{}_{3}L{}_1^2/10}{W}=146.2\text{Ν}/\text{m}\text{m}{}^2<f{}_{\text{m}}=215\text{Ν}/\text{m}\text{m}{}^2(9)$

综上所述, 此模板的挠度、刚度和强度均符合要求。

等效静力荷载的计算如下:

$G{}_{\text{s}\text{k}}=\gamma {}_{\text{s}}G{}_{\text{k}}(10)$

式中:G_sk为等效静力荷载;G_k为自重;γ_s为脱模吸附系数。

考虑我国装配式混凝土结构的实际应用情况与设计习惯, 对于桁架钢筋叠合板、实心墙板或夹心墙板等住宅构件, 一般按不允许开裂进行控制。

我国装配式混凝土结构中的实心墙板、夹心墙板或桁架钢筋板按不开裂控制, 混凝土法向拉应力的计算公式为:

$\sigma {}_{\text{c}\text{t}}\le 1.0f{}_{\text{t}\text{k}}(11)$

预应力构件法向压应力的计算公式为:

$\sigma {}_{\text{c}\text{c}}\le 0.8f{}_{\text{c}\text{k}}(12)$

式中: σ_ct为荷载标准组合作用下法向拉应力;σ_cc为荷载标准组合作用下法向压应力;f_tk为抗拉强度标准值;f_ck为抗压强度标准值。

根据预制混凝土构件深化设计图纸, 按不同直径和长度的连接直螺纹灌浆套筒钢筋进行下料, 在钢筋的一端攻丝后将钢筋拧入直螺纹灌浆套筒, 依据深化设计图纸要求将钢筋、直螺纹灌浆等绑扎为钢筋笼, 将钢筋笼运送至预制混凝土构件生产区域, 直螺纹灌浆套筒与模具端板固定, 模具端板与直螺纹灌浆套筒的固定方式为专用套筒固定件连接, 目的是保证连接套筒和模具的精确定位并连接牢固。

预制构件生产所用模具通常由固定底模、侧模和端模及相关连接固定组件组成 (见图7) 。模具侧板和底板在组装前利用电动钢丝刷等工具清理干净。模具组装需注意四周侧模端模定位后利用定位销锁定位置, 侧模定位精度需严格控制, 拧紧底模与侧模之间的连接螺栓。模具组装后按照图纸设计要求进行质量验收, 检查模具截面尺寸、平整度、对角线尺寸等是否符合图纸及规范要求, 验收合格后方可进入下一道工序。

预制构件结合面的处理可以根据部位不同采用预留键槽和设置粗糙面等方式。在设置粗糙面方面, 本项目应用了柱底铺设特制气泡膜的方法增加粗糙度, 使粗糙面的面积不小于结合面的80%, 预制梁端、预制柱端、预制墙端的粗糙面凹凸深度不小于设计要求。预制构件结合面粗糙度是质量验收非常重要的一个环节, 为提高粗糙度的测量精度, 引进了德国Faro公司生产的Freestyle 3D X扫描仪, 其能快速可靠地以三维方式记录空间、结构和物体并创建高精度的点云, 点云上的每一点都有自己的三维坐标, 采集点数越多, 粗糙度计算越精确, 该仪器在本项目中粗糙度的算法仍处于研究阶段。

模具组装验收时须确认是否清理干净, 是否需进行除锈等相关工作, 符合要求后涂刷脱模剂。本项目采用了水性脱模剂。涂刷工具必须使用干净的专用喷涂工具或者抹布、刷子等手工涂抹用具, 脱模剂应在模具表面喷洒均匀, 不允许有流淌、堆积或者漏涂等现象。涂刷完成后脱模剂在模具表面会形成一层薄膜, 隔绝混凝土与模具直接接触。

将提前制作好的钢筋笼吊入模具, 定位要精确, 绑扎钢筋网、钢筋骨架和受力钢筋等尺寸应符合设计及相关质量验收规范的要求。钢筋保护层使用相应规格的塑料垫块, 钢筋位置、规格数量、截面尺寸、出筋长度等符合图纸设计要求。最后将预留预埋件 (如线管线盒、斜支撑埋件、吊装埋件、套管等) 通过专用磁盒、固定支架等固定在模具上, 预留预埋件要求安装牢固、位置精确、有相应的保护措施防止偏位或混凝土进入。

预制构件混凝土浇筑采用混凝土输送小车将混凝土从搅拌站运输到预制车间, 接至料斗内吊至固定台模的浇筑工位, 浇筑时通过振捣使混凝土密实、均匀, 并在混凝土初凝前完成全部浇筑工作。混凝土终凝前应对混凝土收光面进行压光处理, 如果要求是粗糙面, 则用拉毛工具拉毛。

混凝土养护的目的是保证混凝土的强度、耐久性、抗冻性等, 根据构件类型分别采用固定台模或养护窑蒸汽养护。本项目梁柱预制构件在固定台模上生产, 故养护时将构件罩在养护棚内, 蒸汽通入覆盖罩进行蒸汽养护。养护分为静养、升温、恒温和降温4个阶段, 静养2～3h, 升温速度10～20℃/h, 降温速度≤10℃/h。

本项目竖向预制框架柱构件使用先进的直螺纹灌浆套筒连接技术, 并自主发明了预制构件吊装精确定位装置 (见图8) , 该装置提高了预制构件安装精度及速度, 大大提升了工作效率, 且固定简单, 快捷方便。吊装施工时, 预制构件吊装精确定位装置的定位底板一端的定位孔Ⅰ穿过下层楼板的预埋钢筋;竖向预制构件上的灌浆套筒套在预埋钢筋上;通过定位销、U形立板安装通孔、定位底板定位孔Ⅱ将U形立板、定位底板和下层楼板固定连接;预制构件吊装精确定位装置对称布置2个, 分别位于预制构件的两端;通过U形立板上端的斜角, 将竖向预制构件滑入正确位置, 保证构件的抗摇晃性能和吊装连续性, 使灌浆套筒连接技术更可靠、便捷。

从竖向预制构件注浆孔进行注浆, 注入的灌浆料充满灌浆套筒、限位定位套以及楼面与预制构件之间的缝隙, 待上面出浆孔出浆后浆料面有下落时及时补浆, 确保满足灌浆质量要求。

预制装配式建筑已成为建筑业未来发展的方向和趋势, 相较于传统建筑, 新型预制装配式建筑符合“四节一环保”的要求, 缩短了项目整体建造工期, 提升了建筑质量, 同时施工过程可实现绿色施工。在此基础上, 预制混凝土构件项目未来要更加注重质量把控, 不断创新, 提高装配式技术工人的操作水平与职业道德教育, 用先进的建筑科技推动装配式建筑行业快速稳定发展, 实现建筑产业现代化提出的设计标准化、部件工厂化、施工装配化、装修一体化、过程信息化和应用智能化的“六化”目标, 为我国建筑产业现代化的发展做出贡献。