基于UHPC的预制装配式节点新型连接与结构体系创新研究

研究背景

随着建筑产业化的不断升级和政策推进，大批量的预制装配式混凝土结构应用于建筑工程中。预制装配式混凝土结构是指以预制构件为主要受力构件，其主要受力的预制构件经装配、连接，结合部分现浇而形成的混凝土结构。其中预制构件的连接节点是装配式混凝土结构理论上的薄弱环节，而纵向钢筋的连接又是预制构件连接的关键。

目前装配式混凝土结构竖向构件常用的纵向钢筋连接方式有灌浆套筒连接和浆锚搭接等。灌浆套筒连接是通过灌注专用无收缩灌浆料，依靠材料之间的黏结咬合作用将专门加工的套筒与螺纹钢筋连接。套筒灌浆接头具有性能可靠、适用性广、安装简便等优点。但套筒灌浆在施工时对工人的专业技术能力要求较高，钢筋逐根灌浆连接工作量大，目前还没有一种有效的检测方法对灌浆套筒连接的质量进行检测，结构的安全风险隐患无法有效监督，让政府监管部门有所担忧。浆锚搭接为预制构件一端设有预留连接孔，通过灌注专用水泥基高强无收缩灌浆料与螺纹钢筋连接，适用于大小不同直径钢筋的连接。但《装配式混凝土结构技术规程》明确限制：直径大于20mm的钢筋和直接承受动力荷载的纵向钢筋不宜（或应）采用浆锚搭接。因而浆锚搭接在工程应用中受到了一定限制。








针对水平构件（如预制梁板、楼梯、阳台、空调板等）的节点连接多采用预留一定锚固长度的钢筋，再现浇混凝土实现湿连接。预制楼梯、阳台、空调板等预留钢筋锚固长度一般在钢筋直径的35倍（依据钢筋型号和混凝土强度定）；预制梁板的预留钢筋可以弯起连接，但预制构件间距一般在300mm以上，连接构造方式复杂，现场湿作业支模多，施工难度大，装配式建筑优势体现不明显。同时由于多种原因，节点区域可能成为薄弱环节，这与“强节点、弱构件”的设计理念不符。综上所述，预制构件节点连接技术成为制约装配式建筑发展的最大障碍，亟待需求新型的预制构件节点连接技术。


超高性能水泥基材料（UHPC）是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高强水泥基材料，具有自流平的浇注性能，同时又具有优异的力学性能和耐久性，其抗压强度大于150MPa，抗拉强度大于7MPa，极限拉伸变形大于0.2%，是一种类金属新型材料。






目前UHPC材料多在公路桥梁、结构维修加固、轻巧造型结构和海洋工程等进行工程应用，国外文献中也进行了预制构件节点湿接缝连接的实验研究，结果表明搭接长度短，避免横向和纵向钢筋的交错，能提高现场施工效率与安全性。因此将UHPC材料用于连接节点构件的后浇部位，增强连接段强度，成为装配式预制构件节点连接的新型技术。但目前国内关于UHPC材料接缝湿连接的论证实验较少，还未提出针对UHPC材料的建筑工程预制构件节点的做法。为此上海建工二建集团有限公司联合上海理工大学，已完成系列的预制装配式节点连接实验，为新型连接技术的推广做好基础研究。










实验研究


为了推进UHPC在国内工程上的应用，研究团队进行拉拔试验（15个）、预制梁受弯试验（6根）、预制柱抗震试验（6根）和梁柱节点抗震试验（6根）等系列试验研究，见图5所示。实验中使用的UHPC为上海罗洋新材料科技有限公司的Tenacal T180型号材料。主要试验结论如下：

（1）建议UHPC与高强钢筋粘结强度的中心拉拔试件的合理锚固长度取4d（d为梁纵筋直径）；

（2）UHPC装配梁在承载能力、变形能力上与混凝土现浇梁在同一水平范围内，性能基本相当。极限承载力试验值是其设计值的1.4倍以上。正常工作状态下裂缝发展缓慢且宽度较小，满足规范要求。当搭接长度为10d时，已能够满足工程要求；

（3）UHPC装配柱的破坏形态为底部榫头翘起。相比现浇柱，承载能力提高3.1%~31.9%，同时耗能能力更优。当搭接长度为10d时，已能够满足工程要求；

（4）当搭接长度10d时，UHPC装配梁柱节点可具有同现浇节点相当的承载能力和抗震性能。

综上结论可知，当钢筋搭接长度10d时，预制梁节点、柱节点、梁柱节点均可等同现浇，且部分性能优于现浇。由于未做搭接长度5d的相关试验，还无法确定5d时是否也能满足工程要求，有待进一步试验验证。UHPC装配节点材料用量少，构造简单，仅采用直钢筋和有限的横向钢筋，减少钢筋用量，缩短工期。同时保证湿接缝连接不是结构的薄弱环节，解决了预制装配结构传力的根本问题。



新型结构体系构想


基于以上试验结果，提出一种新型预制装配式框架体系的设想。该体系由预制梁和预制柱组成。与传统的体系不同的是，新型体系的梁柱节点和柱节点使用基于UHPC材料的后浇节点。预制梁和预制柱通过节点拼接成整体框架，具有形式灵活、施工高效、结构可靠的特点。



3.1梁柱节点

梁柱节点钢筋使用搭接连接的方式，连接的搭接长度大于10d，浇筑材料使用UHPC，以保证装配式节点与现浇节点具有相当的抗震能力。当UHPC浇筑的后浇带距离梁柱节点较近时，将导致装配式节点核心区混凝土开裂显著，剪切变形显著大于整浇节点。因此，预制钢筋混凝土柱在节点区域预留一定长度的悬臂梁，再与钢筋混凝土预制梁进行现浇UHPC连接。这样可以使节点在受力破坏时首先在梁端形成塑性铰，符合“强节点、弱构件”的设计思路。



3.2柱柱节点

柱柱节点采用UHPC作为后浇段浇筑材料。钢筋使用搭接连接的方式，搭接长度大于10d。满足其受力需要。柱与柱之间节点一般留设在楼层中间，受力较小的反弯点位置，以减小节点的受力。连接底层预制柱与现浇地下结构柱后浇段位于底层楼板处，现浇形成整体。顶层预制柱高度与顶面齐平。



3.3施工方式

完成地下室施工后开始建造上部装配式结构。首先吊装底层预制柱，与预留钢筋连接。然后吊装预制梁，在梁柱连接处架设模板并浇筑节点。随后按顺序逐层吊装梁柱结构，并浇筑连接后浇段，最后进行封顶及其它部分施工。

柱与柱的后浇段可根据实际施工需要灵活选取。预制柱在水平方向上可设置多个梁柱节点，在竖向方向上可做成“一柱一梁”或“一柱两梁”，提高施工灵活性。与传统的一层一柱的施工方式相比，可大幅提高施工效率。

节点处的浇筑方式可使用传统的搭设支架和模板的方式进行。也可利用预制梁柱节点处的结构，使用相应的快装式无支撑模板系统进行施工，减少施工步骤，进一步提升施工速度。

结论

本文介绍目前预制装配式建筑节点接缝连接存在的问题，提出将UHPC材料装配预制构件连接节点的新设想。

（1）通过系列的试验研究，论证了当钢筋搭接长度10d时，预制梁节点、柱节点、梁柱节点均可等同现浇，且部分性能优于现浇，有效缩短钢筋搭接长度，降低施工难度。

（2）基于试验结论，提出一种新型预制装配式框架体系的设想，此体系安全可靠，高效便捷，具有进一步研究和推广的价值。