随着政府支持政策的陆续出台和有关规范标准的逐步完善,装配式混凝土建筑进入高速发展期。目前,制约装配式混凝土建筑发展的关键因素之一是节点连接技术 ^[1],特别是竖向构件的连接技术。由于工程应用经验相对欠缺,基于技术上的审慎考虑,现阶段我国大部分装配式混凝土建筑的框架柱、抗震墙等竖向构件均采用现浇方式,装配率偏低,削弱了装配式建筑自身的优势,同时也难以满足现行《装配式建筑评价标准》(GB/T 51129—2017) ^[2]的等级评价要求。当前,装配式混凝土结构的钢筋连接方式主要有套筒灌浆连接、浆锚搭接连接、套筒机械连接(包括直螺纹套筒连接和钢筋套筒挤压连接)等。

　　 钢筋套筒挤压连接,是通过径向挤压力使连接件钢套筒产生塑性变形后,与带肋钢筋紧密咬合从而传递受力的一种连接方式。该连接方式具有造价低廉、施工便捷、接头质量稳定可靠、接头检测方便、环境适应性强、适用范围广(可连接直径18～50mm的HRB335,HRB400,HRB500级钢筋)等优点 ^[3]。

　　 本研究在现有钢筋套筒挤压连接技术的基础上,通过增加定位钢管进行优化,形成一种新型钢筋套筒挤压+钢管定位连接梁柱节点体系。该节点体系具有以下特点:

　　 (1)施工容差大。目前传统现浇建筑施工常用的直螺纹套筒连接,由于自身的受力要求和构造特点,对相连接的两根钢筋对中精度要求极高,如用于装配式结构的钢筋连接,以当前行业普遍的施工技术水平,则会增加构件在工厂生产和现场安装施工的难度。而套筒挤压连接由于套筒内径和钢筋直径存在一定的差值,施工容差值更加合理,更适合在现阶段推广应用于装配式建筑。

　　 (2)定位钢管快速精准定位。在现有套筒挤压连接技术基础上,于截面中心位置增加一根贯通节点区的钢管,现场安装时可实现预制柱钢筋的快速对接定位,并可在一定程度上加强梁柱节点。

　　 (3)成熟机械连接与新工艺相结合。钢筋套筒挤压属于现有机械连接方式之一,技术成熟,对应检测规范、标准齐全,连接可靠性高,与装配式建筑结合,能有效解决装配式结构的钢筋连接问题。

　　 (4)形成装配式建筑节点连接技术。目前装配式建筑尚缺乏公认的满足安全、适用、经济要求的节点连接技术,该节点体系安全可靠,已成熟应用于实际项目,可推动装配式建筑节点连接技术的发展。

　　 为验证新型钢筋套筒挤压+钢管定位连接梁柱节点的抗震受力性能,于项目实施前进行了装配整体式混凝土框架梁柱节点的低周反复抗震性能试验 ^[4]。本试验共设置6个梁柱节点试件,包括5个预制试件和1个全现浇对比试件,依次命名为C1～C6,其中C5为基准试件,分别研究梁纵筋配筋率、柱纵筋配筋率、节点区箍筋间距、柱轴压比、装配式与现浇方式等五项因素对节点抗震性能的影响,各试件具体参数见表1。试件梁的上半部和节点区域采用现浇混凝土,梁的下半部和上柱、下柱则采用预制构件。试件安装时,上、下柱通过截面中心的预埋钢管对接定位后,纵向钢筋采用套筒挤压连接。试件预制部分的混凝土强度等级为C30,梁上部和节点区域现浇混凝土强度等级为C35,钢筋采用HRB400,挤压套筒采用20号钢套筒。预制试件的三维模型如图1所示。试验的加载方法:将上、下柱头固定,在柱顶按设定轴压比施加竖向荷载后,在左、右梁端采用位移控制方式分级施加低周反复荷载。

　　 试验结果见图2和图3。由图2可知,基准试件C5在低周反复荷载作用下,梁根部出现大量的裂缝,而节点区的柱表面出现的裂缝很少; 由图3可知,预制试件C1～C5的滞回曲线大体呈“弓”形,加载到后期时出现一定程度的“捏缩”效应。产生这种效应的原因在于,后期在梁端施加较大的位移时,梁端混凝土大量开裂,导致钢筋与混凝土的应力分布不均匀,锚固到节点的钢筋产生粘结滑移,以及试件加载到后期发生刚度退化。

　　 对比试验参数相同的预制试件C5和全现浇试件C6滞回曲线(图4)可知,预制试件与全现浇试件的滞回曲线基本重合,说明该预制梁柱节点试件的耗能能力与全现浇试件相当。

　　 绘制试件C1～C6的骨架曲线如图5所示。试验参数相同的预制试件C5与现浇试件C6的骨架曲线变化趋势基本一致,表明两者的承载力相当; 对比试件C5和C1骨架曲线可知,提高梁纵筋配筋率可以显著提高节点的承载力;分别对比试件C5与C2,C3,C4骨架曲线可知,提高柱纵筋配筋率、降低节点区箍筋间距和柱轴压比对节点承载力的影响较小。

　　 综上所述,通过合理的结构设计,采用该预制梁柱节点连接方式的混凝土建筑结构可以达到与全现浇混凝土结构相近甚至相同的抗震能力,具备良好的整体性能,可以代替全现浇混凝土结构使用。

　　 为便于进一步研究各个因素对该节点体系受力性能的影响,采用有限元分析软件ABAQUS,以试件C2为原型建立了节点分析有限元模型(图6)。根据材料特性,混凝土、预埋钢管、钢筋套筒采用实体单元C3D8R模拟,钢筋采用桁架单元T3D2模拟。根据有限元分析结果,绘制模拟计算结果与试验结果的骨架曲线对比图,见图7。

　　 从图7可知,试验和有限元计算结果总体上吻合较好,其中试验和模拟骨架曲线的反向最大荷载比较吻合,而正向最大荷载试验结果比模拟结果小,原因是预制构件拼装过程产生的偏差,致使梁受压时梁上部纵筋到梁下部受压区的高度减小,导致试验加载时正向最大荷载小于模拟值。总体而言,该有限元模型可以较好地预测梁柱节点的承载力与变形。

　　 本项目为广东省云浮市新兴县惠能小学教学楼,教学楼总建筑面积1 752.2m²,建筑高度15.6m,共4层。项目采用装配式混凝土框架结构,其中首层柱和屋盖为现浇混凝土结构,2～4层为装配式框架,共3个标准层,BIM三维模型见图8。项目采用新型钢筋套筒挤压+钢管定位连接梁柱节点,共使用了6种预制构件:预制框架柱、预制外墙、预制内隔墙、预制楼梯、预制叠合梁、预制叠合板。标准层预制率为67.7%,总体装配率达61.8%,基本实现了主体结构均采用预制构件的目标,达到国家装配式建筑A级标准 ^[2]。

　　 本项目采用装配整体式框架结构,根据《装配式混凝土技术规程》(JGJ 1—2014) ^[5]要求,首层柱采用现浇混凝土,顶层采用现浇楼盖。在浇筑首层柱混凝土之后,即进入装配式标准层施工阶段。标准层施工流程如下:叠合梁、板吊装→梁、板叠合层钢筋绑扎→放设套筒→预制柱吊装→斜支撑搭设→套筒挤压连接→节点区箍筋绑扎→梁、板叠合层混凝土浇筑→楼面标高以上节点区浇筑。

　　 对于装配式框架混凝土建筑,节点区域特别是梁柱节点区域,是框架结构形成整体骨架、承受外部荷载从而实现使用功能的关键。分别从工艺设计要点、预制柱的钢管定位、纵向钢筋套筒挤压连接和节点区混凝土浇筑工艺四个方面,论述新型钢筋套筒挤压+钢管定位连接梁柱节点体系(图9、图10)的技术应用要点。

　　 由于节点区钢筋密集,从满足施工角度考虑,套筒连接位置设置在楼板结构面以上现浇段的中间部位,见图10。

　　 纵筋最小净间距主要以满足挤压钳能伸入钢筋待挤压位置进行挤压施工为准,根据挤压钳尺寸,纵筋净间距应≥110mm,本项目纵筋设计最小净间距为145mm,满足要求。

　　 在工艺深化设计阶段,通过对项目整体建立构件级别精度的BIM模型(图8),进行梁、柱钢筋弯折避让设计,避免构件安装施工出现钢筋碰撞冲突问题,提高施工效率。

　　 梁柱节点区域的钢筋布置,按有关规范、图集要求确定箍筋加密区范围,本项目梁柱节点现浇区域均在加密区范围内,因此均需按要求加密。

　　 叠合梁现浇层厚度的确定原则主要考虑两个因素:一是应满足叠合板支座搁置于叠合梁顶面,实现梁、板叠合层整体浇筑的要求; 二是需升板或降板区域的叠合梁现浇层厚度应相应调整,以满足叠合板的搁置需求。本项目结构板预制厚度+现浇层厚度总和为130mm,其中室外走廊区域降板50mm,故叠合梁的现浇层厚度设计分为130mm和180mm两种。

　　 对于预制柱的吊装施工,确保相邻楼层柱位快速精准对接、实现纵筋连接安全有效(接头弯折角≤4° ^[5])是关键。本项目预制柱定位经过初步定位、二次定位、最终定位三个步骤,实现柱位精准对接。

　　 工厂生产预制柱时,在预制柱顶部、底部分别预埋ϕ80×5和ϕ60×5的钢管(图11、图12),其中ϕ80钢管长150mm,全长预埋到预制柱顶面以下; ϕ60钢管长1 500mm,埋入预制柱的长度为150mm。吊装时,将本层预制柱底部的ϕ60钢管平稳插入下层预制柱顶的ϕ80钢管孔道中,即实现预制柱初步定位,定位后调整斜支撑进行初步固定。

　　 预制柱吊装就位后,首先挤压对柱垂直度影响最大的4个角部套筒,挤压完成后通过调整斜支撑复核预制柱垂直度。

　　 依次对边挤压剩余的钢筋套筒,再次调整斜支撑并复核预制柱垂直度,实现预制柱精准定位。

　　 吊装时,上下层柱对接的两根钢管外径相差20mm,容差值可满足快速初步定位的需求; 同时,在构件生产满足精度要求前提下,结合斜支撑调整工序,可保证各层柱柱顶标高及平面位置满足工程精度要求。此外,ϕ60钢管贯穿整个梁柱节点区域,可增强柱节点连接强度、提高结构可靠度。

　　 当前,预制构件钢筋的连接方式主要有套筒灌浆连接、浆锚搭接连接、套筒机械连接等。其中,套筒灌浆连接在欧美和日本应用较多,积累了较丰富的工程经验,在我国装配式建筑发展过程中也逐渐得到推广和应用 ^[6]。工程实践表明,灌浆套筒连接尚存在灌浆料密实程度缺乏有效检测手段、灌浆料耐久性能无法明确等缺点,对建筑结构的安全及耐久性产生隐患。

　　 本项目预制柱纵向钢筋采用套筒挤压连接方式,钢筋套筒挤压操作流程要点如下:

　　 (1)套筒安装定位。根据挤压套筒的长度,从钢筋接头缝隙中心向上或向下测量出套筒L/2的距离后,于钢筋表面刻上定位标记(图13,a为严禁挤压区长度,a≥20mm)。在定位标记处安装固定飞轮,以固定飞轮为支承点固定套筒,并在离定位标记15mm处划出检查标记 ^[7,8],用以检查钢筋是否插入到位。

　　 (2)挤压钳就位。将挤压钳置于专门设计的升降平台上,调节平台四周支撑杆的定位螺丝,快速调平后,调节升降平台整体高度,使挤压钳的压模正对钢套筒压痕设计位置(出厂已标明),并使压模运动方向与钢筋两纵肋所在的平面垂直。

　　 (3)挤压力控制。挤压前根据挤压试验的压痕直径大小,确定不同直径钢筋的参考挤压力值 ^[9],现场挤压施工时,挤压力和压力泵数值有一一对应关系,只需在压力泵上(图14)设置好压力值后,即可操作挤压钳进行挤压。

　　 (4)挤压操作。启动压力泵,调好压接所需的工作压力,操作泵站换向阀开始挤压。当压力表指针升到设定值时,再次操作换向阀可完成挤压。挤压顺序遵循从钢筋套筒中部向两端依次挤压(图15),以避免钢筋套筒开裂或压空(挤压到无钢筋处)而切断套筒。采用配套研发的三压模挤压钳及升降平台(图16),实现挤压钳快速精准定位和挤压操作。

　　 根据标准层施工工序规划,节点区混凝土分两部分先后进行浇筑:楼板结构面以下的节点区混凝土与预制梁、板的现浇层整体浇筑; 楼板结构面以上的节点区混凝土需支模后浇筑,支模浇筑区域高度为500mm(图10)。为保证节点区与预制柱底部连接位置混凝土浇筑密实,浇筑时采取以下工艺控制质量:

　　 (1)模板设计。制作带喇叭口状斜槽的模板(图17),使浇筑后柱截面周边的混凝土可部分补偿柱截面范围内混凝土凝结硬化过程产生的收缩量。

　　 (2)混凝土种类的选择。通过采用比预制柱强度高一等级的微膨胀混凝土,保证节点区混凝土强度,并抵消混凝土凝结硬化期间产生的部分收缩量。

　　 (3)浇筑方案优化。首先通过预制柱预留灌料口灌入混凝土; 当灌至四边斜槽口溢出混凝土且灌料口混凝土面不再下沉时,改为由四边斜槽继续浇筑,直至斜槽中混凝土面高出预制柱底结合面10～15mm后完成浇筑; 斜槽位置多余混凝土在拆模后切除。

　　 项目通过应用新型钢筋套筒挤压+钢管定位梁柱节点技术,配合节点区混凝土浇筑工艺,克服了现有竖向构件连接方式的局限性,具有以下优势:

　　 (1)定位钢管实现快速精准定位。20mm的容差值既可实现预制柱的快速对接,又可配合调整斜支撑实现预制柱精确定位。

　　 (2)施工速度快。套筒单次挤压耗时约1.5min,可产生三道压痕,通过两次挤压耗时3min即可完成一根套筒的挤压操作。

　　 (3)造价较低。挤压套筒材料单价6.3元/个(以ϕ22钢筋为例),加上人工费等费用,综合单价约20元/个,而对应规格的灌浆套筒仅材料单价一项就大约需要50元/个,工程经济效益显著。

　　 (4)接头传力有效,可检测性强。按现行《钢筋机械连接技术规程》(JGJ 107—2016) ^[10]要求,现场共抽检9个试件做拉伸试验,结果显示断裂位置全在钢筋母材上,合格率达100%。

　　 (5)耐久性能好。钢筋套筒壁厚仅为4～8mm,位于节点现浇区域,在工艺深化设计时只需将同等条件下现浇结构的纵筋混凝土保护层厚度增加4～8mm,即可满足混凝土保护层最小厚度要求。

　　 (6)适用范围广。挤压套筒连接可用于连接直径18～50mm各种牌号的带肋钢筋,适用于预制柱的连接,也适用于预制剪力墙等构件的连接。

　　 (7)节点区现浇混凝土质量优良。通过优化模板设计和浇筑方案,可保证节点区新旧混凝土面浇筑密实。

　　 本文对一种新型钢筋套筒挤压+钢管定位连接梁柱节点体系进行了理论分析和试验研究,并进行了工程试点应用,得出以下结论:

　　 (1)该节点具备良好的工程抗震性能,采用该节点体系的装配式混凝土建筑结构可以达到与全现浇混凝土结构相近甚至相同的抗震性能,可以代替全现浇混凝土结构使用。

　　 (2)该节点体系具有安全可靠、施工便捷、成本较低、耐久性好、适用范围广等优势,可应用于一般装配式建筑预制柱和预制剪力墙的纵向钢筋连接,为高装配率混凝土建筑的推广应用提供借鉴。