混凝土框架結(jié)構(gòu)由于其開間大，空間布置靈活的特點廣泛用于公共建筑及工業(yè)建筑中，在我國裝配式領域內(nèi)，通常采用裝配整體式的混凝土框架結(jié)構(gòu)，其做法等同現(xiàn)澆，柱與基礎、柱與柱采用套筒灌漿或者插入杯口式的連接方式，梁柱連接采用節(jié)點核心區(qū)后澆的做法，我們稱為濕式連接。這種做法在近幾年的應用后也暴露許多問題：灌漿質(zhì)量不易控制，安裝速度較慢，梁柱核心區(qū)鋼筋現(xiàn)場安裝困難等缺點。芬蘭佩克的螺栓式連接技術(shù)作為一種新型的預制混凝土框架結(jié)構(gòu)連接技術(shù)，經(jīng)過大量的實驗和實際工程的論證，是一種快速，有效，安全可靠的連接方式，是一種干式連接。同時該技術(shù)在歐洲通過ETA的論證。近年來佩克集團聯(lián)合國內(nèi)外知名大學科研機構(gòu)，對螺栓連接節(jié)點進行抗震性能研究實驗，取得良好的效果，研發(fā)出預制混凝土結(jié)構(gòu)抗震螺栓連接系統(tǒng)，目前在國內(nèi)正在參與CECS標準《裝配式多層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的編制。
預制混凝土框架結(jié)構(gòu)螺栓式連接系統(tǒng)是指預制構(gòu)件通過螺栓連接后，通過對連接節(jié)點處進行灌漿，最后形成剛性的連接節(jié)點。主要包括預制柱與基礎，預制柱之間，預制梁柱的螺栓連接，如圖1所示。
圖1 預制混凝土框架結(jié)構(gòu)螺栓式連接體系
1.1 預制柱螺栓式連接簡介
預制柱的連接通過在柱底預埋螺栓連接器，在基礎或下柱中預埋錨固螺栓，現(xiàn)場將預制柱底的螺栓連接器與基礎內(nèi)預埋螺栓連接，最后對接縫進行灌漿填實，節(jié)點如圖2所示。
圖2 柱與基礎螺栓連接節(jié)點
此連接在螺栓擰緊后即可形成抗彎承載力，可用于抵抗安裝階段的風荷載及自重荷載，無需對預制柱安裝臨時支撐，極大的提高安裝效率，改善現(xiàn)場施工環(huán)境擁擠的現(xiàn)象。
1.2 預制梁與柱螺栓式連接簡介
預制梁柱的螺栓連接，是指在預制梁端預埋螺栓連接器，在預制柱身預埋錨固螺栓，現(xiàn)場將螺栓連接器與螺栓連接，最后對接縫進行灌漿填實的連接方式。對于疊合梁構(gòu)件，只在預制部分的梁下層預埋螺栓連接器，梁上層后澆部分的縱筋可采用鋼筋機械接頭連接預埋在柱身的螺栓，節(jié)點如圖3所示。
圖3 梁與柱螺栓連接節(jié)點
螺栓連接方式對比傳統(tǒng)核心區(qū)后澆的方式，即把現(xiàn)場節(jié)點區(qū)鋼筋安裝調(diào)整的工作提前移至預制廠，在柱身預埋帶內(nèi)螺紋套筒的螺栓，待預制梁安裝就位后，用全螺紋螺桿反擰進螺紋套筒內(nèi)，將螺栓連接器和螺栓連接，如圖4所示。因此預制柱無需每層分節(jié)，可以根據(jù)吊裝能力設計成多層一節(jié)，同時預制梁的縱筋也不需要伸出，只需和梁端螺栓連接器在梁內(nèi)搭接連接即可，可有效的提高構(gòu)件生產(chǎn)、運輸、安裝的效率。
圖4 梁與柱螺栓連接安裝示意
2.1 螺栓連接節(jié)點設計思路
預制構(gòu)件螺栓連接通過把預制構(gòu)件的荷載通過錨固螺栓傳遞至相連的構(gòu)件中，不同型號的螺栓連接器和螺栓對應不同的承載力。目前佩克公司的螺栓連接設計思路是根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)所在的地區(qū)不同分為非抗震區(qū)域螺栓連接設計方法和抗震地區(qū)螺栓連接設計方法。
非抗震區(qū)域的螺栓連接節(jié)點設計方法是根據(jù)節(jié)點受到的所有荷載工況，設計合理數(shù)量及型號的螺栓連接布局，使接縫的承載力均大于節(jié)點計算內(nèi)力，并有相應安全系數(shù)。此設計方法在歐洲非抗震地區(qū)已經(jīng)廣泛應用，螺栓連接器及錨固的承載力均通過ETA的認證。
抗震區(qū)域的螺栓連接節(jié)點設計方法有兩種，一種為強連接設計，另一種是耗能連接設計。強連接設計方法是根據(jù)構(gòu)件自身的實配鋼筋計算相應的承載力，在此承載力的基礎上進行一定強節(jié)點系數(shù)的放大，而螺栓連接節(jié)點的設計承載力需大于上述放大后的承載力，最后節(jié)點采用高強度、無收縮灌漿料填實。耗能連接設計是根據(jù)需要的延性等級，節(jié)點采用抗震錨固螺栓及特殊的構(gòu)造措施，使得節(jié)點延性及耗能能力滿足要求，同時節(jié)點的承載力能力略大于構(gòu)件自身的承載力，最后節(jié)點采用UPHC鋼纖維灌漿料填實。以預制柱抗彎承載力為例，上述兩種設計方法的節(jié)點承載力示意如圖5所示。
圖5 抗震區(qū)域螺栓連接節(jié)點承載力
強接連設計方法可確保構(gòu)件的破壞優(yōu)先于接縫破壞，滿足強連接弱構(gòu)件的設計原則，在中等及高烈度區(qū)域均可應用。此設計方法實用，可操作性強，安全可靠，是應用廣泛于抗震地區(qū)螺栓連接設計方法，在歐洲標準EC及美標ACI上均有相應的要求，在我國螺栓連接節(jié)點也采用此設計方法，強節(jié)點系數(shù)根據(jù)不同抗震等級取1.1~1.3。需要注意的是強連接設計方法可能會使得螺栓連接器和錨固螺栓的型號較大，從而有可能使預制構(gòu)件的尺寸增大，相應的造價也會增加。
耗能連接設計應用于中等延性等級的項目，佩克集團在歐洲和意大利米蘭大學等科研機構(gòu)合作，在中國和同濟大學合作，做了一系列的抗震性能的實驗及研究，證明了該連接節(jié)點的延性及耗能能力等抗震性能指標至少等同于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，是歐洲唯一認證的抗震螺栓連接系統(tǒng)。此設計方法可以有效減小構(gòu)件和基礎的尺寸，降低基礎開挖深度，節(jié)省造價。
2.2 安裝階段節(jié)點受力工況復核
預制柱螺栓連接最大的優(yōu)勢是安裝階段不需要臨支撐，螺栓擰緊即可承受自重荷載即風荷載。因此在設計時需考慮安裝階段工況，此時接縫并未灌漿，所有的節(jié)點荷載均由螺栓承擔。因此根據(jù)構(gòu)件尺寸，風荷載等計算相應的荷載，復核每個螺栓的承載力。
2.3 設計復核螺栓承載力與定位
在預制柱與基礎的螺栓連接設計中，會根據(jù)基礎的形式和尺寸選擇合適的螺栓，有長直的錨固螺栓，也有帶鍛頭的短螺栓，如圖6所示。上述兩種螺栓在承受不同荷載情況下，會對混凝土結(jié)構(gòu)有不同的傳力形式，因此需要根據(jù)螺栓受到不同方向的荷載，分別復核螺栓對混凝土錐形破壞、拔出、劈裂、剪翹破壞等情況，設計針對性的加強附加鋼筋。
圖6 預制柱連接的錨固螺栓示意
在預制梁柱螺栓連接設計中，預制柱中預埋的螺栓是連接橫縱向的梁，在深化過程中可以采用BIM技術(shù)調(diào)整螺栓的定位進行檢查調(diào)整（見圖7），有效避免橫縱向螺栓在節(jié)點區(qū)打架碰撞的問題。
圖7 梁柱節(jié)點螺栓碰撞檢查
3.1 螺栓連接產(chǎn)品安裝流程
預制柱或梁端的螺栓連接器安裝最常用的流程是，第一步根據(jù)圖紙上螺栓連接器位置制作定位端板，通過螺栓連接器配套的凹槽成型盒固定在定位端板上；第二步以螺栓連接器為骨架，綁扎柱身鋼筋籠及連接器所需的附加鋼筋；第三步將鋼筋籠移入構(gòu)件模板固定調(diào)整，安裝其他預埋件，澆筑混凝土之前最后檢查螺栓連接器的定位，準確無誤后澆筑混凝土；第四步待混凝土強度達到要求脫模后，取出凹槽成型盒，可涂油重復使用，如圖8所示。
圖8 螺栓連接器澆筑前后
基礎預埋螺栓的安裝定位可采用專門的螺栓定位板，所有錨固螺栓穿入定位板中限位，定位板通過木方或者槽鋼固定在基礎側(cè)膜上；澆筑混凝土之前檢查螺栓外露高度、螺栓附加鋼筋的安裝是否符合設計要求，同時對外露的螺紋部分做好保護措施。梁柱連接的錨固螺栓大部分為彎折螺栓，因此建議在綁扎柱身鋼筋籠時提前把螺栓放入，待鋼筋骨架入模后，可通過柱身模板上的螺栓定位孔再精確調(diào)整螺栓位置，在模板孔上穿入臨時的螺絲，不僅可以固定預埋螺栓，又可防止混凝土流入螺栓的螺紋套筒內(nèi)。
圖9 基礎預埋螺栓定位
3.2 施工現(xiàn)場安裝流程及灌漿
預制柱吊裝之前準備工作，拆下基礎螺栓上的保護紙等，檢查螺栓和預制柱螺栓連接器的底板孔的相對距離，通常螺栓連接器的底板孔徑會比對應螺栓的直徑大超過10mm，有比較大的容許誤差。提前把螺栓的螺桿涂油，并裝上下層螺母和墊片，根據(jù)設計要求調(diào)整好螺母墊片的標高，當設計的節(jié)點螺栓數(shù)量較多，或者預制柱的重量較大時，建議提前制作一塊接縫厚度的墊板，放入基礎頂面中心，可以有效的提高吊裝預制柱的安裝速度，提高各個螺母墊片調(diào)整、擰緊效率，如圖10所示。
圖10 螺母墊片和墊板調(diào)平
通常吊裝預制需要2-3名工人，吊機把預制柱吊裝就位后，在工人擰緊螺栓后即可脫鉤，無需安裝臨時支撐，吊裝一根預制柱大概需要10分鐘，對比傳統(tǒng)預制柱連接方法的施工速度非常快。在預制柱校正完畢后，用模板將接縫一圈支模，進行灌漿作業(yè)，整個灌漿工藝不需要壓力灌漿工藝，為簡單的傾倒灌漿即可，灌漿質(zhì)量可控。為方便觀察柱底接縫是否灌實，建議支模時每側(cè)模板超出20mm，如圖11所示。
圖11 預制柱螺栓連接節(jié)點灌漿
預制梁在吊裝時，第一步提前在牛腿上放置調(diào)平墊板，調(diào)平使得梁端螺栓連接器的孔和柱身預埋的螺栓套筒位置對應；第二步吊機把預制梁吊至安裝位置，落在已經(jīng)調(diào)平后的墊板上；第三步把螺栓配套的全螺紋桿反擰進套筒中，并用螺母墊片擰緊；最后對接縫合模灌漿，使得接縫和螺栓連接器凹口全部灌滿填實，整個流程如圖12所示。
圖12 螺栓連接預制梁安裝流程
3.3 質(zhì)量控制要點
螺栓連接安裝的便捷一定程度上依靠螺栓連接器與錨固螺栓的安裝精度，螺栓連接產(chǎn)品定位是質(zhì)量控制的要點，單個螺栓和螺栓連接器的定位誤差要控制在±3mm，因此選用精確的螺栓及連接器定位板，即可有效的解決安裝精度，提高施工安裝效率。
設計螺栓連接節(jié)點時，螺栓連接器都有相應配套的額外附加鋼筋要求，這類鋼筋可以保證連接器在混凝土構(gòu)件中的錨固及荷載傳遞，因此在澆筑之前須有附加鋼筋檢查流程，避免少放、漏放的問題出現(xiàn)，如圖13所示。預埋錨固螺栓如上文所述，也有針對避免混凝土破壞的附加鋼筋，也應該在澆筑之前反復核查。
圖2 柱與基礎螺栓連接節(jié)點
螺栓連接器配套的凹槽成型定位盒在安裝之前，建議將側(cè)面涂上脫模油，避免在構(gòu)件成型后拆下凹槽盒時拉裂附近混凝土面。在預制柱校正完成后，采擁扭矩扳手擰緊螺栓，螺栓產(chǎn)品手冊中會有不同型號的螺栓對應各自最小的扭矩值，需要嚴格按照手冊執(zhí)行。
4.1 韓國GS CHP工廠項目冷卻塔
該項目是佩克集團在韓國市場第一個應用螺栓連接技術(shù)的項目，位于韓國抱川市，項目全景效果圖見圖14，其中冷卻塔為全預制的混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用佩克預制框架結(jié)構(gòu)螺栓連接技術(shù)，主要應用于柱與基礎的連接，梁與柱的連接，建筑高度23.6米，長92.7米，寬16.1米，三維模型見圖15。佩克從2017年2月開始陸續(xù)供貨直至夏季，該塔樓施工工期相對于傳統(tǒng)現(xiàn)澆做法加快了近兩個月，據(jù)施工方的反饋，采用佩克螺栓連接技術(shù)最大的好處是大大減少了安裝階段的工期。
圖14 GS CHP 工廠全景效果圖
圖15 冷卻塔模型
預制柱根據(jù)吊重分成16米和7米，由于是冷卻塔的使用功能，現(xiàn)澆基礎為凸出的短柱結(jié)構(gòu)，因此所有預埋的螺栓為長直型，預制柱吊裝采用佩克的穿心桿吊裝技術(shù)，梁柱連接采用全預制梁柱螺栓節(jié)點的做法，部分預制墻體水平接縫采用佩克螺栓連接盒技術(shù)，豎向接縫采用佩克鋼絲繩連接環(huán)技術(shù)，項目的部分節(jié)點圖及現(xiàn)場施工照片見圖16。同時該項目處理韓國的地震區(qū)域，螺栓連接節(jié)點設計方法采用強連接設計方法。
圖16 冷卻塔施工現(xiàn)場照片
本文展開介紹了由芬蘭佩克公司研發(fā)的新型的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)螺栓連接技術(shù)，首先詳細的介紹了解決各個節(jié)點連接的螺栓式連接技術(shù)，包絡連接節(jié)點大樣，螺栓連接器及錨固螺栓。其次介紹了佩克螺栓連接節(jié)點設計的方法及思路，針對不同抗震區(qū)域的設計理念，同時佩克公司對這些連接節(jié)點，均做過系統(tǒng)的足尺節(jié)點的低周反復荷載試驗，證明其抗震性能良好。緊接著以施工著手，介紹了采用螺栓連接技術(shù)的框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)，質(zhì)量控制，可以明顯的發(fā)現(xiàn)其快速、有效、節(jié)省勞動力的特點。最后分享了韓國抗震地區(qū)某一裝配式項目案例，介紹了佩克的螺栓連接技術(shù)在該項目上的應用情況，以及帶來了整個建造工期的縮減，提高了綜合效益。
目前我國在裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)上等同現(xiàn)澆的設計施工已經(jīng)遇到許多問題，設計師設計的許多節(jié)點做法在施工現(xiàn)場由于安裝困難的問題只能大打折扣，相應地會造成現(xiàn)場施工速度較慢，勞動力集中，效率較低，并沒有發(fā)揮裝配式建筑應有的特點。而新型的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)螺栓式連接技術(shù)具有安裝快速，質(zhì)量可控，性能安全可靠的特點，逐步會在國內(nèi)市場推廣應用。
本文已發(fā)表于《建筑工業(yè)化雜志》2018年12月期
本文作者
作者：朱斌
