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[分享]装配式混凝土结构设计关键连接技术研究
注明：本文作者王亚超 发表于《建筑结构》2015年5月下
摘要：连接技术是装配式混凝土结构设计的重点，本文着重介绍了几种关键连接技术的研究进展和工程应用情况，包括涉及结构安全的钢筋连接技术、接合部位连接技术、预制夹芯保温墙板连接技术，以及涉及建筑使用功能的接缝防水技术。
关键词：装配式；钢筋；预制夹芯保温墙板；接缝防水
1 钢筋连接技术
钢筋的连接是装配式混凝土结构的关键技术，连接部位首先要保证在荷载作用下能顺利传递内力，其次还要求连接部位具有足够的刚度和良好的恢复力特性[3]。国内外学者开发了多种钢筋连接技术，主要有灌浆套筒连接、浆锚搭接、螺栓连接、焊接连接、键槽连接等。美国、日本等国家以及我国台湾和香港等地区广泛应用灌浆套筒连接，国家规程也推荐使用灌浆套筒连接。浆锚搭接在黑龙江、江苏等地区有工程应用，黑龙江规程中[4]对浆锚搭接有介绍。其他一些连接方式应用较少，在此不做过多介绍。
1.1灌浆套筒连接
上世纪60年代，美籍华人余占疏博士发明了钢筋套筒连接器，并首次将该技术用于檀香山某酒店（38层，框筒结构）预制柱连接。1972年日本某公司购买该连接器的生产权，此后技术人员不断改进，1984年日本建设省批准NMB连接套筒体系研制成功。该体系中钢筋从两端开口穿入套筒内部，通过填充高强度微膨胀砂浆完成接续，通常被称为全灌浆套筒。这种套筒在日本、北美、新西兰、东南亚、中东及我国台湾、香港等地的装配式建筑中得到广泛应用[5]，例如日本横滨某公寓楼（38层，框架结构）、马来西亚某住宅（11层，框架结构）、台北市某超高层住宅（38层，框剪结构）等，近年来国内的南京上坊（15层，框架结构）、沈阳万科春和里（16层，框架结构）等也采用该连接。国内研发出一种半灌浆套筒，上层钢筋直螺纹方式与套筒连成整体，下层钢筋穿入套筒内部采用灌浆方式与上层钢筋连接。北京、深圳、上海、合肥、济南等地的一些保障房项目采用半灌浆套筒，两种灌浆套筒接头如图1所示。
钢筋、套筒、灌浆料的组合体，抗拉强度必须符合《钢筋机械连接技术规程》[6]中Ⅰ级接头的要求。连接钢筋应采用带肋钢筋，另外，不同厂家套筒和灌浆料参数不同，套筒与灌浆料必须配套使用。接头的受力机理如图2所示，外力作用下，钢筋与灌浆料结合面处的应力通过表面摩擦力f1、灌浆料对钢筋的粘结力f2以及钢筋肋部与灌浆料的咬合力f3有效传递。同时，灌浆料与套筒内壁结合面处的应力通过表面摩擦力F1、混凝土对套筒的约束力F2以及套筒内壁与灌浆料的咬合力F3有效传递[7]。
图1 灌浆套筒连接接头构造示意图
图2 灌浆套筒连接接头受力机理
多家单位对灌浆套筒接头进行了型式检验[8]，包括单向拉伸性能、高应力反复拉压性能和大变形反复拉压性能等，检测结果均为套筒外钢筋拉断破坏（图3所示），这表明该接头可以起到有效的钢筋连接，符合机械连接Ⅰ级接头的性能要求。虽然灌浆套筒接头的实验室检验合格，但是现场灌浆施工质量最终影响接头的连接性能，文献中[7]提到该接头有钢筋被拔出、灌浆料劈裂等破坏模式，因此套筒灌浆施工应由专业的施工人员完成。《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》[9]已经颁布实施，规程从设计、检验、施工、验收等多方面对套筒灌浆连接提出技术要求，各相关单位均应严格按照规程中的要求操作实施。
图3 灌浆套筒连接破坏模式
1.2浆锚搭接
浆锚搭接是指被连接钢筋插入预制墙板底部的预留孔洞，通过高压注浆实现钢筋搭接的一种连接方式，分为约束浆锚搭接和浆锚间接搭接两种，如图4所示。
约束浆锚搭接是由哈尔滨工业大学与黑龙江宇辉集团联合攻关研发的一种纵筋连接技术[10]，已在哈尔滨洛克小镇14#楼（18层，剪力墙结构）、哈尔滨知名地产公园40#楼（18层，剪力墙结构）等工程中应用。约束浆锚钢筋搭接范围为约束混凝土区，灌浆料为水泥基材料，采用压力注浆。由于钢筋搭接长度较短，适用于中小直径钢筋连接，插筋孔道制作工艺需完善，制作效率待提高。
图4 浆锚搭接构造示意图
浆锚间接搭接是中南集团引进的澳大利亚预制装配式混凝土结构体系（NPC体系）所用的纵筋连接技术[10]，已经在海门世纪城33#楼（10层、剪力墙结构）、苏州论坛城7#地块（17层、剪力墙结构）等工程中应用。浆锚间接搭接灌浆料为水泥基材料，采用压力注浆。由于钢筋插入孔道较长，施工难度较大。
这两种搭接均有工程应用，国家规程规定浆锚搭接时，应进行力学性能及适用性的试验验证，鉴于我国目前对浆锚搭接尚无统一的技术标准，没有工程应用经验的地区，在获得厂家提供的成套检验报告，且经过专家论证后方可使用。
2 接合部位连接技术
装配整体式混凝土结构采用“等同现浇结构”的设计理念，预制构件连接部位为现浇节点，预制构件与现浇混凝土接合部位的连接对结构安全至关重要。节点设计时，既要充分考虑预制构件的生产和施工的方便，同时必须采用合适的连接技术来保证接合部位有效的应力传递。
2.1力学原理
预制混凝土构件与现浇混凝土的接合部位主要是剪应力传递或者剪应力和压应力的组合传递，应力传递主要依靠以下几方面[11]：接触面压应力传递、剪切摩擦、抗剪键槽、钢筋销栓作用。
如图5（a）所示，σ与τ组合会产生图中的破坏曲面，在破坏曲面的极限范围内，接合面处混凝土的性能与整体浇筑的混凝土相同，这种作用即为接触面压应力传递，此时的极限状态为：τ=μσ，式中μ为摩擦系数，数值取决于接合面的粗糙度。国家规程规定预制构件与后浇混凝土的结合面应设置粗糙面，可采用化学处理、拉毛等方法制作粗糙面（图6所示）。化学处理是指在模具表面涂抹化学药剂，浇筑完混凝土拆除模具后用水冲洗接触药剂表面，预制构件露出骨料形成粗糙面的技术。
图5 接合部位应力传递的方式
（a）化学处理
（b）结合面拉毛
图6 粗糙面构造示意图
如图5（b）所示，接合部位处有正交钢筋时，边界面的应力传递一般为剪切摩擦，边界面的错位变形会产生相应的裂口，在边界面的正交钢筋会产生拉力，其反向压力作用在边界面上，此处传递的剪应力按公式：τ=μe·fy·As，式中μe为摩擦系数，fy为钢筋的屈服强度，As为钢筋的面积。
如图5（c）所示，抗剪键槽是通过接合面处人为设置凹凸的咬合来传递剪力。抗剪键槽破坏的剪切强度Qsk按下式计算：Qsk=min(Q1,Q2)，式中，Q1为左侧抗剪键槽的受剪承载力，Q2为右侧抗剪键槽的受剪承载力。从试验结果来看[11]，抗剪键槽的角度超过30º，接合面的强度会明显降低，因此，抗剪键槽端部斜面倾角不宜大于30º。
如图5（d）所示，当不能确保边界面钢筋具有足够的粘结力时，边界面的剪力传递不能依靠剪切摩擦，需要靠钢筋本身错位变形引起销栓作用来完成。为了防止混凝土保护层剥离或劈裂破坏，箍筋在靠近边界面处应加密，且应采用135º弯钩箍住纵筋。
2.2接合部位
如图7所示，装配式结构中预制构件与现浇砼接合部位主要有梁端竖向接缝、柱底（或剪力墙底）水平接缝、叠合板水平接缝，各部位的连接方式按表1执行。
表1 预制构件接合部位的连接方式
注：“√”表示预制构件与后浇混凝土结合面采用该连接方式。
各部位的受剪承载力计算如下：①叠合梁端竖向接缝处，受剪承载力Vbu按下式：Vbu≤Vb1+ Vb2+ Vb3，Vb1为剪切摩擦和钢筋销栓作用，Vb2为后浇砼的抗剪能力，Vb3为键槽的抗剪能力；②预制柱底（或剪力墙底）水平接缝处，受剪承载力Vcu按下式：Vcu≤Vc1+μN，Vc1为剪切摩擦和钢筋销栓作用，后一项表示压应力传递，N为接合面处轴力，μ为摩擦系数，与接合面的粗糙度有关，国家规程中取0.8；③叠合楼板水平接缝处，受剪承载力Vfu按下式：Vfu≤Vf1+μN，Vf1为桁架钢筋的抗剪作用，后一项表示压应力传递。
图7 预制构件接合部位
3 三明治墙板连接技术
预制夹芯保温外墙板（俗称“三明治墙板”），兼具围护、保温、防水、防火等功能，在欧洲、美国、日本等地广泛应用，是国家规程中推荐使用的外墙板。美国PCI设计手册把三明治墙板分为组合式和非组合式两类。如图8所示，非组合式是指两层墙板各自承担水平荷载，外叶墙通过柔性连接件悬挂在内叶墙上，竖向荷载全部由内叶墙承担，整个截面内不满足平截面假定；组合式是指两层墙板作为整体共同受力，中间刚性连接件能够传递内、外叶墙由弯曲产生的剪力，截面满足平截面假定。我国对组合式墙板还缺乏研究和工程实践，根据美国的经验，组合式墙板很容易产生裂缝[12]，因此国家规程建议采用非组合式墙板。
图8 预制夹芯保温墙板构造示意图
从受力机理来看，连接件对保证三明治墙板的结构安全至关重要，连接件主要分为刚性连接件和柔性连接件两类。刚性连接件用于组合式墙板，有桁架式、桶状、板状等类型，以德国哈芬公司的金属连接件为代表，由于国内组合式墙板的应用较少，该种连接件不做过多介绍。柔性连接件用于非组合式墙板，有棒式、针式等类型，以美国采用高强度玻璃纤维制作的Thermomass保温连接件为代表，1980年美国一栋公寓（9层，框架结构）第一次使用该连接件，此后三十多年，采用该连接件的夹芯墙板已超过2亿平米。国外采用该连接件的工程还有美国威斯康星州百事可乐基地、新西兰坎特伯雷大学学生公寓等，国内工程有北京假日风景B3#、B4#楼（15层，剪力墙结构）、济南济水上苑17#楼（18层，剪力墙结构）、济南鑫苑陶瓷市场B1#楼（18层，框剪结构）等。南京斯贝尔公司联合多家科研单位，研发出一种复合树脂玻璃纤维三棱柱形连接件，在沈阳春河里2#楼（15层，框架结构）、新疆七星建设办公楼（22层，框剪结构）等工程中应用。美国AC320标准《锚固于混凝土中的纤维加固复合拉结件验收标准》对连接件的各项性能有明确的规定，而中国产品标准《预制保温墙体用连接件》尚未颁布实施，建议目前采用的连接件应符合美国标准AC320的要求。
柔性连接件的计算复杂，计算模型如图9所示，分为以下四种情况进行计算[13]。①连接件在垂直荷载（外叶墙自重、垂直地震作用）V作用下，弹性位移按公式∆=VL3/(12nEI)计算，式中：L为计算长度，按美国AC320标准L=L2+(2L1/3)[1-1/(1+L1/L2)]，其中L1为连接件的锚固长度，L2为保温层厚度；假定所有连接件承受的剪力相同，则单个连接件承受的剪力按公式Vi=V/n；单个连接件所承受的弯矩为Mi=VL/(2n)；单个连接件所承受的弯矩下的轴力按公式Nimax=dimaxVL/(2∑di2)；②连接件在水平荷载（风荷载、水平地震作用）N作用下，由于墙板相对连接件可以认为是无限刚，即每个连接件所承受的轴力近似相同，单个连接件承受的轴力按公式Ni=N/n；③连接件承受弯矩时，墙板无限刚，则每个连接件承受的轴力与其距离墙板中心点的距离成正比，按公式diM/(A∑di2)≤fy计算；④连接件受拉拔出时可能会发生混凝土的冲切破坏，参照《建筑地基基础设计规范》[14]，假定冲切破坏面角度为45°，则冲切承载力按公式Nu=0.7πfth2计算。
图9 连接件计算模型
4 接缝防水技术
预制外墙板之间的接缝是装配式外墙体系特有的部位，接缝处采用材料防水和构造防水相结合的做法是日本、我国台湾地区预制外墙板的成熟做法，该构造防水组合有一定的抗变形能力，已经有几十年的应用历史，国家规程推荐采用该接缝防水技术。
材料防水是指靠防水材料阻断水的通路，以达到防水的目的或增加抗渗漏的能力，如接缝处的密封材料应选用耐候性密封胶，背衬材料应选用发泡聚乙烯塑料棒，第二道防水的密封胶条应选用三元乙丙橡胶或氯丁橡胶等。
构造防水是指采用合适的构造形式，阻断水的通路，达到防水的目的。首先要了解雨水侵入外墙板的力学机理。如图10所示，雨水侵入外墙板有自身特性形成的内部因素，例如重力作用和毛细管现象，也有风力作用、压力差等外部因素。对于这些影响，可以采用设置坡度、加大腔体、增加企口、设减压腔等构造防水形式。采用材料防水和构造防水相结合，规程中推荐水平接缝采用企口缝或高低缝，垂直接缝采用双直槽缝（如图11所示）。
图10 雨水侵入预制外墙机理
图11 预制外墙接缝构造示意图
5 结束语
建筑产业化具有高效、节能、环保等优点，是我国推动经济飞速发展、加快城市化进程的必然选择。装配式混凝土结构是适合当前建筑产业化的一种结构形式，而各种连接是结构设计的重点。本文对装配式混凝土结构关键的连接技术进行了详细的介绍，供设计人员参考使用。需要注意的是，建筑产业化需要设计、生产、施工、质监等部门密切合作，设计人员不能只在家埋头画图，应该走出去，去生产厂家、去施工现场多学多看。
参考文献
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