建筑工业化指用大工业的生产方式来建造房屋建筑,采用成套的标准构配件,集中在工厂进行大批量生产,在现场进行施工安装^[1]。

　　 目前,钢筋混凝土结构工业化的主要形式是预制构件装配式结构^[2](简称PC结构),且在国内外有大量的工程实践经验^[3]。但随着应用的展开,PC结构的不足之处如节点连接、自重大导致运输及吊装困难、造价偏高等亦逐渐显露,已成为钢筋混凝土装配式结构发展的瓶颈。为解决上述问题,本文提出了一种新型建筑工业化体系即免模装配一体化钢筋混凝土结构体系,简称PI结构体系。

　　 钢筋混凝土构件主要由钢筋笼和混凝土构成,而根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)^[4](简称混凝土规范),钢筋笼外部应留有一定厚度的混凝土保护层以满足耐久性要求。PI结构体系的工厂预制件即是将混凝土构件中的钢筋笼与保护层结合,形成中空、自平衡的预制构件,称为笼模构件,可应用于柱、梁、剪力墙等结构构件,如图1,2所示。结构构件的核心混凝土待笼模构件运输至施工现场安装完成后一次性浇筑形成整体,施工方式类似钢管混凝土构件。

　　 PI结构体系中混凝土构件箍筋采用焊接成型格网箍筋网片,即两向钢筋条分别以一定间距排列交接形成格网,全部交接点均通过符合特定要求的电阻压接焊形成焊接钢筋网片,如图3所示。成型格网箍筋是工业产品,可提高钢筋笼制作精度和刚度。如图1所示,形成笼模构件时最外侧箍筋嵌入外壳保护层,保证了钢筋笼与外壳的紧密连接,并在外壳与核心混凝土的界面形成了抗剪键,确保新旧混凝土的共同工作。混凝土浇筑时笼模构件外壳充当模板,成型格网箍筋形成了对拉螺栓,对外壳起到拉结支承作用,形成自平衡受力体系,满足施工阶段的受力要求。

　　 将钢筋混凝土结构按图4拆分为剪力墙笼模、柱笼模及梁笼模,在工厂生产形成预制的笼模构件。剪力墙、柱笼模以层划分,一般每层一段(包括节点区)。

　　 将成型的剪力墙、柱、梁笼模构件运输至工地现场,进行吊装,并安装叠合楼板后,一次性浇筑笼模核心及叠合板后浇混凝土(图5)。混凝土达到预定的强度后形成结构整体。

　　 PI结构体系竖向构件纵筋采用搭接连接方式。下层墙柱笼模构件的纵向钢筋伸出端部与上层笼模构件的竖向钢筋直接搭接;梁笼模构件在端部设置可移动钢筋,待梁笼模安装就位后,将临时固定在笼模内支座钢筋水平移动至节点内预定位置即可满足梁钢筋支座锚固要求。节点连接做法详见图6。

　　 PI结构体系中预制笼模均为中空构件,其重量只有PC预制构件的30%左右,可大大减轻运输、吊装负担,并且由于空腔的存在,构件安装更为便捷,只需要将构件对准就位后便可轻松实现连接。

　　 预制笼模构件安装时,首先将竖向构件吊装就位,再通过斜撑及地脚螺栓与下层楼面固定;梁笼模构件吊装就位后通过梁底角钢及竖向支撑与竖向笼模构件连接;预制叠合板通过角钢等连接件与梁或竖向笼模构件连接,从而形成了一个具有一定强度和刚度的稳定体系,可承担施工荷载。为提高施工安全系数,在梁、板底部设置少量独立支撑,支撑体系大幅简化。PI结构体系的支撑体系如图7所示。

　　 PI结构体系的优点,主要体现为:

　　 (1)解决装配式钢筋混凝土的连接安全性问题,整体力学性能与现浇结构一致。适用于各种结构体系及多层、高层、超高层结构。

　　 (2)核心混凝土现场浇筑,结构防水性能与传统现浇混凝土结构基本一致,地下室外墙、卫生间、阳台等具有较高防水要求的部位亦可适用。

　　 (3)结构构件全部采用工厂预制的剪力墙、柱、梁笼模和叠合楼板,实现了结构构件全装配,装配方式类同钢管混凝土结构。

　　 (4)预制笼模构件自重轻,施工效率高,主体结构的施工速度可达到3～4d/层。预制笼模构件安装完成后可承担施工荷载,大幅减少施工支撑,增强了施工安全性和便利性。

　　 兼顾力学性能及制作工艺要求,成型格网箍筋可采用CPB550, CRB550,HPB300,B400F和B500FB等牌号钢筋,试验研究中,为偏于安全,选取其中伸长率较低的CPB550钢筋制作成型格网箍筋试件。

　　 研究中采用与同配筋率的传统箍筋混凝土试件对比的方式,完成了12个梁试件、4个剪力墙试件、16个柱试件的试验研究^[5,6,7],加载方式分别为单向加载和往复加载,图8,9为试验加载照片,主要试验结果见图10～12。试验结果表明:

　　 (1)成型格网箍筋混凝土梁,在试件达到极限承载力前焊点保持完整,试件抗剪承载力超过现行国家标准混凝土规范计算值,具有良好的抗震性能。

　　 (2)成型格网箍筋混凝土柱的轴压承载力和压弯承载力均超过现行国家标准混凝土规范计算值,具有良好的轴压性能和抗震性能。

　　 (3)成型格网箍筋混凝土剪力墙的抗剪承载力超过现行国家标准混凝土规范计算值,具有良好的抗震性能。

　　 焊点锚固试验(图13)包括焊点抗剪、钢筋拔出和成型格网箍筋锚固等三类共22组试件,变化的参数有约束情况、埋入深度、钢筋直径等。试验结果表明:

　　 (1)光圆钢筋在混凝土中的粘结力远高于CEB-FIP模式规范MC2010^[8]的估计值,有钢筋约束的条件下光圆钢筋的粘结力进一步提高,这对成型格网箍筋在构件中的受力性能有利。

　　 (2)焊点在混凝土中的抗剪强度高于无约束条件下的抗剪强度,比成型格网箍筋出厂测试结果也有所提高,这有利于在构件中发挥成型格网箍筋的材料性能,保证构件的受力性能。

　　 笼模的钢筋笼与外壳之间的连接主要靠埋入外壳中的钢筋锚固作用,在笼模吊装和现场混凝土浇筑过程中,须保证钢筋笼与外壳之间的连接牢靠,特别是在现场浇筑笼模中空腔体内的混凝土时,对外壳产生较大的侧向压力^[9],该侧向压力由成型格网箍筋对拉平衡,因此须确保外壳与成型格网箍筋之间的连接传力可靠。

　　 为了研究成型格网箍筋与外壳之间的连接锚固能力,设计相应1∶1试件探究其承载能力及破坏机制,试验通过垂直钢筋的拉拔来实现。

　　 试验结果(图14)表明,试件的抗拔承载力主要由混凝土与水平钢筋的粘结力、机械咬合力,以及拉筋伸入混凝土部分的粘结力与摩擦力三个部分组成。在此基础上提出了相应的设计方法^[10],以保证笼模构件施工阶段的受力可靠性。

　　 本项目为3层办公楼,总面积约540m²,1层层高4.0m,其余楼层层高3.5m。采用框架-剪力墙结构体系,图15为2层结构平面图,包括了一字形剪力墙、L形剪力墙、带端柱剪力墙、框架柱、框架梁、次梁、悬挑梁、悬挑板等目前工程中常见结构构件类型。图16为本项目现场施工照片,结构施工速度为2d/层,主体结构6d完成。

　　 本项目位于佛山市南海区,为商业住宅项目。总建筑面积约1.1万m²,地下1层,地上14层。首层架空层层高6.6m,2～14层标准层层高2.9m。采用剪力墙结构体系,抗震设防烈度为7度,全面采用了免模装配一体化钢筋混凝土结构体系。图17为结构标准层平面图。

　　 本项目采用YJK计算软件对整体模型进行了分析,结构前3阶振型如图18所示,在风荷载及地震作用下的层间位移角如图19所示。

　　 图20为PI结构现场施工照片,主体结构施工速度达到3～4d/层。

　　 介绍了免模装配一体化钢筋混凝土结构体系关键技术、力学性能研究主要成果以及在多、高层建筑中的应用。研究及实践结果表明,PI结构体系解决了装配式混凝土结构连接安全性问题,力学性能与现浇一致,且施工便捷,工期相对较短,可大幅提高施工安全性,具有广阔的应用前景。