毛詩洋，孫 彬，齊 健，王紫瀟，劉桂欣

(1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.國家建筑工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

0 引言

為適應(yīng)新形勢下發(fā)展綠色建筑的要求，預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)和施工等關(guān)鍵技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。20世紀中期，西方國家為盡快恢復(fù)生產(chǎn)和安置生活，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)以生產(chǎn)周期短、安裝施工較便捷等特點快速興起。隨著技術(shù)和理念發(fā)展，目前在發(fā)達國家已擁有成熟可靠的住宅產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方式[1]。我國預(yù)制裝配式建筑應(yīng)用始于20世紀50年代，主要用于工業(yè)廠房建設(shè)。20世紀70—80年代，各種預(yù)制屋面梁、吊車梁、預(yù)制屋面板、預(yù)制空心樓板、裝配式框架及大板建筑等得到應(yīng)用，但建筑工業(yè)化的生產(chǎn)效率及安全性能仍有待提升。20世紀90年代后，裝配式結(jié)構(gòu)暴露出部分問題，且當時現(xiàn)澆混凝土技術(shù)發(fā)展迅速、人力物力成本低廉，裝配式建筑的應(yīng)用處于停滯狀態(tài)。近十年來，隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，勞動力成本上升，預(yù)制構(gòu)件制造精度與質(zhì)量、設(shè)計理念與施工技術(shù)及管理水平提高，預(yù)制裝配式建筑應(yīng)用重新升溫，并呈快速發(fā)展態(tài)勢[2]。

1 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)連接分類

美國建筑統(tǒng)一標準UBC97中規(guī)定可通過灌漿連接、設(shè)置剪切鍵、機械連接、錨固板等方式有效傳遞預(yù)制構(gòu)件間的作用效應(yīng)。NEHRP推薦條款中，將預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)節(jié)點分為等效現(xiàn)澆節(jié)點(monolithic emulation)和裝配式節(jié)點(jointed precast)。其中，裝配式節(jié)點的設(shè)計理念是節(jié)點具有較好的延性，允許發(fā)生較大變形。日本公布的PRESSS(precast seismic structural systems)研究報告中，利用性能設(shè)計方法提出預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)連接性能要求，適用范圍較廣，沒有局限連接的構(gòu)造措施，只是對最終連接性能進行要求[3]。新西蘭預(yù)制結(jié)構(gòu)節(jié)點連接分為濕式連接和干式連接。濕式連接適用于現(xiàn)澆構(gòu)件與預(yù)制構(gòu)件連接處或重要的連接節(jié)點處；干式連接適用于鋼結(jié)構(gòu)連接或鋼混結(jié)構(gòu)連接。GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和JGJ 1—2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》強調(diào)連接節(jié)點安全可靠的重要性，并采用與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)基本相同的設(shè)計方法和設(shè)計要求。

2 濕式連接方式

2.1 鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)

鋼筋套筒灌漿連接是通過特殊設(shè)計的柱狀套筒和作為黏結(jié)劑的無收縮灌漿料組合成的鋼筋連接裝置，該技術(shù)是20 世紀 60 年代，由Alfred A.Yee博士發(fā)明，優(yōu)化了裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件豎向連接問題，可實現(xiàn)等同現(xiàn)澆的設(shè)計原則。

目前對套筒灌漿連接技術(shù)的研究主要集中在連接機理、接頭力學(xué)性能和構(gòu)件抗震性能等方面。當鋼筋承受軸向荷載時，鋼筋與灌漿料間發(fā)生相對位移，鋼筋橫肋對灌漿料產(chǎn)生徑向擠壓力，使灌漿料環(huán)向受拉，由于金屬套筒的約束作用，限制灌漿料環(huán)向變形和裂縫開展，使鋼筋在較短的錨固長度下充分發(fā)揮力學(xué)性能[4]，如圖1所示。

基于連接機理，影響灌漿套筒連接接頭性能的因素主要為灌漿料強度、灌漿飽滿度和鋼筋插入長度。當其他條件相同時，隨著灌漿料強度提高，套筒灌漿連接接頭的軸向抗拉強度逐漸增大，最終達到鋼筋極限抗拉強度[5]。灌漿飽滿度是硬化后灌漿料高度與設(shè)計要求的比值，與套筒內(nèi)鋼筋插入長度可一同作為有效錨固長度指標，共同影響套筒灌漿連接接頭力學(xué)性能。由于現(xiàn)場灌漿質(zhì)量等因素，使鋼筋有效錨固長度小于設(shè)計值，通過分析研究成果，連接鋼筋直徑25mm(HRB400E)以下的套筒灌漿接頭中，當鋼筋端部灌漿缺陷達30%時，鋼筋對中的灌漿接頭破壞形式由鋼筋拉斷向鋼筋拔出轉(zhuǎn)變[6]。不同缺陷布置和鋼筋對中的接頭試件對缺陷敏感程度不同，中部缺陷較端部缺陷對接頭力學(xué)性能影響更大，偏置試件對灌漿缺陷更敏感，缺陷更小時會出現(xiàn)鋼筋拔出破壞[7]。灌漿缺陷對接頭的變形性能影響更大，連接鋼筋直徑20mm(HRB400E)的套筒灌漿接頭在端部缺陷達25%時，接頭變形性能顯著下降[8]。

為驗證套筒灌漿連接技術(shù)是否達到等同現(xiàn)澆的設(shè)計原則，許多學(xué)者對由灌漿套筒為主要連接方式的結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能進行試驗研究[9-14]。采用套筒灌漿連接預(yù)制混凝土柱和剪力墻，其承載力、延性和耗能能力等指標能達到或接近現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件，但預(yù)制混凝土構(gòu)件的破壞模式與現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件有明顯區(qū)別，當軸壓比較小時，豎向構(gòu)件和基礎(chǔ)界面的套筒區(qū)域形成剛域，較易開裂并發(fā)生直剪破壞。由于灌漿套筒直徑一般均大于鋼筋直徑，以減小核心區(qū)受壓混凝土面積，當外層混凝土脫落后，軸壓比突然增大而發(fā)生受壓破壞。

目前工程中大量采用灌漿套筒連接技術(shù)，灌漿施工時易發(fā)生漏漿、灌漿孔和出漿孔堵塞現(xiàn)象，灌漿量較大時易出現(xiàn)灌漿時間過長、節(jié)點鋼筋碰撞、鋼筋偏位和低溫施工等問題，施工缺陷會降低鋼筋套筒灌漿連接性能[15]。為確保灌漿套筒質(zhì)量可靠，需檢測灌漿施工質(zhì)量。已有學(xué)者結(jié)合套筒灌漿連接特點，提出小直徑芯樣法、預(yù)成孔法、壓電阻抗法等現(xiàn)場灌漿施工質(zhì)量檢測技術(shù)[16-18]。

綜上所述，灌漿套筒連接方式具有技術(shù)成熟、可靠、適用范圍廣、可采用群灌技術(shù)注漿、施工效率較高的優(yōu)點，在構(gòu)件整體性能試驗中，節(jié)點承載力、剛度和耗能能力與現(xiàn)澆試件基本相同，滿足規(guī)范對裝配整體式結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計的要求，但存在灌漿料受施工階段環(huán)境溫度影響大，套筒及灌漿料成本較高，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)精度、安裝施工組織和管理要求較高，灌注質(zhì)量較難核查等問題。當采用灌漿套筒連接時，連接區(qū)段內(nèi)受力鋼筋搭接接頭率為100%，且鋼制套筒橫向剛度較大，會在界面處發(fā)生剛度突變，影響連接區(qū)域受力性能。為減少因布置在樓層底部，導(dǎo)致連接部位成為薄弱環(huán)節(jié)的問題，可將構(gòu)件劃分為不同類型的預(yù)制單元，將連接節(jié)點設(shè)置在受力較小區(qū)域[19]，如圖2所示。

2.2 漿錨連接技術(shù)

在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，另一種較常用的構(gòu)件連接方式是漿錨連接，工作原理是通過灌漿料使不同預(yù)制構(gòu)件中的鋼筋搭接[20]。此連接方式關(guān)鍵在于確定合理的鋼筋搭接長度，以保證連接節(jié)點整體性能可靠[21]。當漿錨連接承受縱向拉伸荷載時，隨著外荷載增大，鋼筋周圍出現(xiàn)徑向裂縫，由于螺旋箍筋的約束作用，延緩混凝土裂縫發(fā)展，可有效避免因混凝土劈裂導(dǎo)致的連接失效，確保充分利用鋼筋力學(xué)性能，如圖3所示。

圖3 漿錨搭接受力狀態(tài)

熱軋帶肋鋼筋采用漿錨連接時的搭接長度按基本錨固長度取值。實際工程中，混凝土強度等級和鋼筋直徑及規(guī)格是已知的，為使?jié){錨連接正常工作，需要確定合適的錨固長度。根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，鋼筋基本錨固長度計算如下：

(1)

式中：α為錨固鋼筋外形系數(shù)；d為錨固鋼筋直徑；ft為混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值；fy為普通鋼筋抗拉強度設(shè)計值。該計算公式將鋼筋類別、施工條件、保護層厚度等因素以經(jīng)驗系數(shù)的方式給出。

ACI 318—14《Building Code Requirements for Structural Concrete》中，鋼筋錨固長度計算如下：

(2)

(3)

式(2)，(3)的區(qū)別在于涉及的影響因素略有不同，式(2)根據(jù)不同類型的鋼筋確定系數(shù)k，式(3)則考慮螺旋箍筋對黏結(jié)性能的影響。

為驗證采用漿錨連接預(yù)制混凝土構(gòu)件的抗震性能，學(xué)者們開展大量低周反復(fù)荷載試驗[22-26]，結(jié)果表明采用漿錨連接的預(yù)制混凝土豎向構(gòu)件在水平力作用下，極限承載力、破壞形態(tài)和現(xiàn)澆構(gòu)件相差不大，漿錨連接預(yù)制構(gòu)件的初始剛度略低于現(xiàn)澆構(gòu)件，但延性較好，總體來看漿錨連接構(gòu)件可達到現(xiàn)澆整體效果。吳東岳[27]通過增加閉合扣接約束箍筋的方式改進傳統(tǒng)鋼筋漿錨連接，并對改進后的剪力墻進行低周反復(fù)加載試驗，證明閉合扣接約束箍筋能有效提高鋼筋漿錨連接裝配式剪力墻的力學(xué)性能，進而采用規(guī)范公式計算和截面應(yīng)力積分計算，得到改進型鋼筋漿錨連接裝配式剪力墻接縫的承載力。通過對比計算承載力與試驗實測承載力，證明簡化計算模型和計算方法的合理性。

綜上所述，漿錨連接因為不需要預(yù)埋鋼制套筒，造價成本較低，適用于直徑較小的剪力墻鋼筋連接，可采用群灌技術(shù)提高施工效率，但存在后注漿體易受環(huán)境溫度影響、鋼筋搭接長度較長、現(xiàn)場濕作業(yè)量較大等問題。

2.3 混凝土結(jié)合面連接技術(shù)

目前，PC構(gòu)件中裝配式混凝土樓板水平連接和預(yù)制結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點連接通常采用后澆混凝土的方法。因此，預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆混凝土疊合面的性能成為裝配式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)整體性的關(guān)鍵。根據(jù)受力狀態(tài)可將疊合構(gòu)件分為一次受力疊合構(gòu)件和二次受力疊合構(gòu)件。一次受力疊合構(gòu)件指在施工階段，豎向荷載全部由支撐承擔，待后澆混凝土達到規(guī)定強度后再共同受力。二次受力疊合構(gòu)件指施工階段后澆混凝土自重及其他豎向荷載由預(yù)制結(jié)構(gòu)承擔，待后澆混凝土達到規(guī)定強度后再協(xié)同工作。為加快施工進度、節(jié)約成本，目前都采用二次受力疊合構(gòu)件。

預(yù)制構(gòu)件一般在工廠中經(jīng)過標準條件的養(yǎng)護，強度達到設(shè)計要求時，才進行現(xiàn)場吊裝施工。由于工廠混凝土的原材料、拌合條件、齡期和養(yǎng)護條件與現(xiàn)場后澆混凝土存在差異，導(dǎo)致在新舊混凝土間形成界面。經(jīng)過長期實踐發(fā)現(xiàn)，疊合構(gòu)件的新舊混凝土結(jié)合界面是薄弱環(huán)節(jié)，降低混凝土整體抗拉強度、抗剪強度及耐久性能[28-30]。

疊合連接是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)使用時間最早、應(yīng)用范圍最廣的構(gòu)件連接方式。影響疊合面性能的主要因素有粗糙面凹凸深度、界面劑種類和粗糙面處理方式等。粗糙面凹凸深度是定量描述粗糙面成型質(zhì)量的指標，但目前尚未有統(tǒng)一評價標準。袁群等[31]對結(jié)合面采用灌砂法和功率譜法進行分維對比后認為，功率譜法的分維值及相應(yīng)截距可對結(jié)合面大的波形起伏與粗糙點進行描述。

混凝土結(jié)合面界面劑主要有緩凝劑、抗裂防水劑和摻加纖維材料的修補材料等。在結(jié)合面處添加緩凝劑的預(yù)制疊合墻體，其極限承載力和破壞形態(tài)與現(xiàn)澆混凝土剪力墻相似，且試驗現(xiàn)象表明預(yù)制部分與現(xiàn)澆部分墻體的受力變形基本同步，說明試驗中采取的構(gòu)造措施能保證預(yù)制疊合剪力墻充分發(fā)揮性能[32]?？沽逊浪畡┚哂袦p水功能，可提高流動性、和易性，避免粗骨料與舊混凝土表面的點接觸,并且使混凝土界面密實,增加新舊混凝土的機械咬合力，提高界面結(jié)合強度[33]。在修補材料中摻入纖維并涂抹在結(jié)合面處，可明顯提高界面結(jié)合強度，聚丙烯纖維優(yōu)于碳纖維，使用界面劑后，可減小干濕程度對結(jié)合強度的影響[34]。

粗糙面的處理方式主要為高壓水射法、人工拉毛法和壓痕法等。以黏結(jié)劈拉強度為評價指標，高壓水射法在粗糙度較小的情況下，能獲得較大的黏結(jié)強度，優(yōu)于人工拉毛法[35]。施工前粗糙面的清理和灑水濕潤也影響結(jié)合面黏結(jié)的長期性能。混凝土結(jié)合面是裝配式結(jié)構(gòu)抗?jié)B透的薄弱部位，若在后澆混凝土前不清理結(jié)合面會顯著降低混凝土抗?jié)B性能。

在目前的設(shè)計方法和抗震要求下，現(xiàn)澆疊合連接仍然是較常用和可靠的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接方式。從力學(xué)性能上看，相比全預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，可提高結(jié)構(gòu)整體剛度和抗震性能。從經(jīng)濟效益看，疊合構(gòu)件主要受力主體在工廠制造，易保證質(zhì)量，也容易制作較復(fù)雜截面形式的構(gòu)件，同時減少模板使用，降低施工成本。但現(xiàn)澆疊合連接的濕作業(yè)量較大，人工成本較高，仍需完善疊合面黏結(jié)性能。

3 干式連接

由于濕式連接需要進行現(xiàn)澆混凝土等施工方式，影響裝配式混凝土結(jié)構(gòu)安裝，為充分利用裝配結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，許多學(xué)者對干式連接方式進行研究。

焊接是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)常用的干式連接方式。Naito等[36]研究和總結(jié)不同DT型預(yù)制樓板連接器的性能，主要原理是通過焊接預(yù)埋鋼板傳遞荷載。研究認為，此連接方式可使預(yù)制樓板達到現(xiàn)澆整體效果，且減少濕作業(yè)、降低施工成本，具有較好的經(jīng)濟性和可靠性。Araujo等[37]提出采用焊接工藝，且可作為臨時性裝配式混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的連接方式，在試驗環(huán)境下能達到設(shè)計性能要求，但施工現(xiàn)場的試驗性能有所降低。如果預(yù)制結(jié)構(gòu)采用大量焊接連接方式，則經(jīng)濟成本和質(zhì)量控制的投入將抵消本身的優(yōu)勢。而且，焊接過程中的高溫會損害鋼筋黏結(jié)性能，導(dǎo)致連接區(qū)域更易產(chǎn)生裂縫，影響節(jié)點耐久性、安全性。

螺栓連接通過梁端和柱端彎矩作用產(chǎn)生的摩擦力抵抗剪力作用。薛偉辰等[38]對螺栓連接裝配整體式混凝土剪力墻進行低周反復(fù)試驗，結(jié)果表明剪力墻均發(fā)生受彎破壞，且裝配整體式混凝土剪力墻的抗彎承載力與現(xiàn)澆混凝土剪力墻接近，總體延性良好。李進等[39]研發(fā)外包鋼板箍和橫穿螺栓連接形式，通過對新型連接裝配柱和現(xiàn)澆柱進行擬靜力試驗，驗證此連接的裝配柱和現(xiàn)澆柱具有同樣的抗震性能。孫建等[40]提出采用內(nèi)嵌邊框、高強螺栓連接相鄰層預(yù)制墻板的新型干式連接方式，并進行試驗研究。結(jié)果表明該新型連接方案可行，傳力路徑明確，連接鋼框受壓區(qū)應(yīng)力大于受拉區(qū)應(yīng)力，受壓區(qū)高強螺栓傳遞剪力大于受拉區(qū)高強螺栓傳遞剪力，受壓區(qū)高強螺栓率先發(fā)生滑移，具有較高的承載力和較好的延性。

20世紀90年代，為研究地震區(qū)域是否適合應(yīng)用裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，美國和日本合作開展PRESSS項目，將裝配式混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點分為剛性連接(rigid connections)和延性連接(ductile connections)。其中，延性連接分為消能連接(energy-dissipating connections)和可延伸連接(extensible connections)。剛性連接指在地震作用下連接節(jié)點始終處于彈性范圍，通常用于豎向構(gòu)件間的連接。消能連接必須有足夠的塑性變形能力，并能消散地震輸入的能量；可延伸連接指在地震作用下節(jié)點可發(fā)生有限的水平位移和扭轉(zhuǎn)，但豎向有充足的承載力。

預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土結(jié)構(gòu)連接方式中，PRESSS項目重點研究和推薦延性連接方式。根據(jù)耗能能力不同，預(yù)應(yīng)力連接分類如下(見圖4)：①非線性彈性連接體系(NLE) 指通過無粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力體系連接裝配式混凝土的不同構(gòu)件，當連接區(qū)域裂縫發(fā)展變化時，預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力也逐漸變化，但仍處于彈性范圍。地震作用下，由于預(yù)應(yīng)力連接的非線性耗散地震作用，減小對節(jié)點區(qū)域的損害。此預(yù)應(yīng)力連接方式可減小殘余變形和剛度退化效應(yīng)，構(gòu)造措施較簡單，但耗能效率較低。②拉壓屈服連接體系(TCY) 是將預(yù)應(yīng)力筋設(shè)置在截面中部，在兩端設(shè)置低碳鋼鋼筋。此連接方式的節(jié)點性能接近整體現(xiàn)澆節(jié)點，地震作用下，預(yù)應(yīng)力筋仍保持在彈性范圍內(nèi)，依靠截面兩端的低碳鋼鋼筋在拉壓作用下耗散能量。但此連接方式的參與變形較大，發(fā)生塑性變形后剛度退化較快，容易在極限狀態(tài)下發(fā)生剪切破壞。③剪切屈服連接體系(SY) 主要利用剪切塑性變形耗散地震作用。通常用于連接跨中兩邊的預(yù)制T型梁或預(yù)制板的水平縫，滯回性能與TCY型體系接近。④庫侖摩擦連接體系(CF) 指在裝配式混凝土框架或預(yù)制樓板上設(shè)置摩擦型阻尼裝置的連接方式，當與預(yù)應(yīng)力連接方式組合使用時，具有較高的初始剛度和耗能能力。

圖4 PRESSS連接典型滯回曲線

4 結(jié)語

依照我國目前的設(shè)計規(guī)范，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)達到等同現(xiàn)澆性能，預(yù)制構(gòu)件連接應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)連續(xù)，滿足結(jié)構(gòu)整體性能和抗震可靠性要求，與結(jié)構(gòu)設(shè)計模型一致，滿足建筑正常使用要求，保證建筑氣密性、水密性和抗裂性，滿足生產(chǎn)工藝要求，保證安裝方便和施工質(zhì)量。本文對現(xiàn)階段國內(nèi)外裝配式混凝土結(jié)構(gòu)連接技術(shù)進行總結(jié)，得到以下結(jié)論。

1)目前國內(nèi)較常用的預(yù)制構(gòu)件連接方式是濕式連接，國外則根據(jù)地震設(shè)防烈度不同采取不同連接方式。預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的連接區(qū)域性能對整個結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要，因此國內(nèi)外在大力發(fā)展裝配式混凝土結(jié)構(gòu)前，需對各種連接方式的受力性能、破壞形態(tài)和構(gòu)造措施等進行試驗研究。

2)經(jīng)過地震災(zāi)害考驗，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)通過合理的設(shè)計和正確的安裝可達到現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)性能，且具有較好的可修復(fù)性。結(jié)合耗能裝置，可大幅提升預(yù)制結(jié)構(gòu)抗震性能。

3)需要進一步改進現(xiàn)有連接方式，使其更符合預(yù)制結(jié)構(gòu)特點，盡量減少現(xiàn)場濕作業(yè)量，提高施工效率，更多地采用可再生資源，真正實現(xiàn)綠色節(jié)能建筑要求。

4)保證裝配式結(jié)構(gòu)連接節(jié)點質(zhì)量對結(jié)構(gòu)安全性和整體性至關(guān)重要，選擇連接節(jié)點形式時除考慮抗震性能外，尚應(yīng)考慮施工便利性。

5)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的進一步發(fā)展，需要有效協(xié)調(diào)設(shè)計、生產(chǎn)和施工各方關(guān)系，保證設(shè)計圖紙滿足生產(chǎn)要求，施工質(zhì)量滿足設(shè)計要求，生產(chǎn)質(zhì)量滿足施工和設(shè)計要求。通過BIM等技術(shù)，完成設(shè)計生產(chǎn)一體化，真正實現(xiàn)建筑行業(yè)工業(yè)化。