装配式混凝土结构的关键连接及相关检测技术

詹婧洁

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州510500）

0 引言

装配式建筑是适合未来的。各种类型的装配式建筑看似是新型的结构体系，实际上确是以“创新工法”为手段，兼取现浇与预制的各自优点，实现的是建造方式上的转变。随着未来中国适龄劳动人口的不断减少，人口红利逐渐消失，国家必须在节约人力成本上做长远考虑，装配式建筑高技术、低劳动力的特点将更加适应这一趋势。我国三大城市群在经历扩张阶段后，目前均在不同程度上迎来了建成区的更新，城市核心地段的容积率不断上升，传统粗放型的建造技术与模式已很难适应，而部品构件工厂预制和快速现场安装的建造方式，将有助于把对环境的影响降到最低。

1 装配式建筑的发展情况

1.1 日本的情况

日本作为建筑工业化最为成熟的国家之一，其工业化起点最初是为了解决战后住房紧缺。20 世纪30 年代，德国建筑师瓦尔特·格罗皮乌斯（Walter Groupius）将“干式装配结构”的概念介绍到日本，通过不断地研究、尝试和实践，日本于1941 年开发出了木制装配式住宅。鉴于二战中木结构建筑在轰炸中被彻底摧毁的教训，装配式混凝土结构的研究也在加速推进。20 世纪50 年代，受朝鲜战争军工繁荣的刺激，日本钢铁工业迅速发展，适应新需求的大规模住宅工业化开始出现，战争产能过剩的材料被用于轻型钢骨装配式建筑。70 年代，住房短缺问题虽已基本解决，但当时建筑业及相关产业已经变成经济发展的主要驱动力；然而，房子毕竟不是可以出口的商品，于是建筑业聚焦完善住宅功能，致力于提高抗震、耐火性能等来激发新的社会需求。除主体结构工业化之外，日本在内装工业化、集成化上也有异常成熟的工艺技术和完备的产品体系，综合水平很高。近10 年，预制住宅约占到日本总竣工住宅数量的15%（见图1）。其中高层或超高层装配式住宅的比例逐步提升，以受力明确、现场安装简便快速的框架结构体系（RPC）为主要形式［1］，结合高强材料、减震隔震技术、集成SI 内装体系的应用，市场推广效果很好。

图1 日本预制装配式住宅占比（2009-2018）Fig.1 The Proportion of Prefab Housing in Japan（2009-2018）

1.2 美国的情况

装配式住宅和建筑在美国历经百年发展，形成了包含研发、生产、运输、零售、安装在内的完整装配建筑产业链，其相关政策机制、技术体系、标准规范、信息化应用等均代表了世界最先进的水平。美国的实际工程中，和预应力技术相结合的预制混凝土结构应用很广泛。于1954 年成立的预制预应力混凝土协会（Precast/Prestressed Concrete Institute）通过研究并推广预制混凝土结构及其系统的设计、制造、安装等，形成了包括建筑规范、设计指南、教育计划、培训认证等一系列完善的体系，并不断实践、更新。目前，美国的PC 技术几乎应用在居住、办公、医院、学校、车库、博物馆建筑等各个领域。近年来，预制混合力矩框架结构（PHMF）技术（见图2）也得到陆续应用，这种系统不但提供了类似钢结构施工的速度和简易性，并且得益于其独特的物理韧性（Resiliency）和构件自我复位（Self-righting）能力，有助于结构在大震后立即恢复。美国目前正在研发并推行可持续环保与低碳节能的绿色装配技术体系［2］，如：不受“等同现浇”抗震结构设计理念束缚的“干连接装配混凝土结构技术（ACSTC）”、以SI 理念为基础的多层轻钢结构住宅体系（DBS）、Conxtech 体系及Modularize 体系等，以上体系均具有成熟的理论设计系统，实际工程中也得到不断应用。

图2 加州州立大学5 号停车库（预制混合力矩框架设计）Fig.2 Parking Structure 5（Precast Hybrid Moment Frame）

1.3 我国的情况

预制装配式建筑在我国曾于20 世纪七八十年代达到顶峰，但因当时设计理念落后、建造工艺原始，经过很长一段时间的审慎冷静期后，于近年迎来了爆发。2016 年，国务院连续发布关于大力发展装配式建筑指导意见的重磅文件，指出“以京津冀、长三角、珠三角城市群和常住人口超过300 万的其他城市为重点，其余城市为鼓励推进地区”、“力争用10 年左右时间，使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%”。装配式建造的最大优势在于行业规范化与技术标准化。《装配式混凝土结构技术规程：JGJ 1-2015》是我国装配式混凝土建筑领域的第一本重要标准，该规程在查阅大量的国外相关资料的基础上，结合我国自身的工程实践积累，历经11 年才编制完成。之后，我国相关国家标准、行业标准、地方标准及协会标准迅速跟进，目前已初步形成了适用范围明确、重点突出、层次分明的装配式混凝土结构标准体系［3］，但是对于新技术的覆盖面仍旧不够，相关质量控制与检测技术标准相对滞后。

2 关键连接技术

2.1 连接设计的两大类别

连接是预制结构中最重要的部分，连接的性能决定了结构的极限状态，和结构本身的制造、安装、维护亦息息相关。预制构件的连接不仅仅是彼此简单固定，而是确保整个结构的协同性、完整性。合理的连接可以满足环境及极限负载条件，实现预期的结构相互作用。装配式建筑的节点连接主要分为两类：强连接节点（Srong Connection） 和延性连接节点（Ductile Connection）。前者的设计方法与常规设计近似，我国装配式混凝土建筑“等同现浇”原则下的节点设计就是强节点。而延性连接的代表如美、日合作PRESSS研究计划（Precast Seismic Structural Systems）中针对地震区预制建筑物提出的典型节点构造，强调“弱节点、强构件”，连接节点具有良好的变形能力，通常与其他内部耗能装置共同工作，在抵御地震等循环荷载下形成稳定的能量滞后环（Hysteresis Loops）。

2.2 钢筋灌浆套筒连接

钢筋套筒灌浆连接技术，根本上讲利用的是直锚原理的力学规律，通过高强灌浆料与钢筋、套筒之间的粘结作用传递应力。作为一种钢筋连接方式，主要应用于装配式混凝土结构中预制构件钢筋连接、现浇混凝土结构中钢筋笼整体对接，以及既有建筑改造中新旧建筑钢筋连接，其受力机理、施工操作、质量检验等方面均不同于传统的钢筋连接方式［4］。

2.3 钢筋灌浆套筒发展

20 世纪60 年代后期，由美国华裔结构工程师余占疏博士（Dr.Alfred A.Yee）根据中国传统手指套游戏发明的钢筋接头套筒（见图3），首次应用在檀香山AlaMoana 酒店预制混凝土柱的连结上。1973 年，该套筒连接技术被介绍到日本，通过不断研发、推广及反馈，连接套筒应用愈发广泛，1994 年的关岛地震（里氏8.2 级），1995 年的阪神地震（里氏7.9 级），在震后调查发现，所有使用钢筋灌浆套筒的建设工程都没有遭受破坏。应用该技术的代表建筑有旧金山的39 层派拉蒙大厦、东京汐留的56 层超高层住宅（见图4）。

2.4 套筒灌浆缺陷

钢筋套筒灌浆连接质量是保证装配式混凝土结构整体性能“等同现浇”的重要保证，灌浆质量是影响钢筋套筒接头性能的主要因素，对装配式结构的承载能力和抗震性能有着决定性影响［5］。但由于这种连接构造复杂，属于隐蔽工程，灌浆质量检测技术一直没有实质突破。发达国家主要依靠技术工人的系统培训、合理工法及有效管理来保证灌浆质量［6］。我国因应用时间短、各项优良认定制度尚未建立、工人操作水平低、监管体系尚不健全等原因，套筒灌浆缺陷影响因素很多，其产生原因［7］归纳如表1 所示。

图3 中国手指套游戏和NMB 套筒Fig.3 Chinese Finger Trick and NMB Splices Leeve

图4 旧金山派拉蒙大厦及东京汐留塔Fig.4 Paramount Tower San Francisco & Shiodome Tower

表1 套筒灌浆缺陷及产生原因Tab.1 Existing Problems and Reasons for Sleeve Grouting Defects

3 套筒灌浆质量的检测方法

灌浆质量体现在浆料的饱满性和密实性［8］。饱满性主要是指套筒出浆口是否完全灌满，即灌浆结束并稳定后，套筒内灌浆料液面是否达到出浆口。密实性主要是指套筒内部是否存在空洞或夹杂。鉴于钢筋套筒灌浆连接的重要性，应对灌浆质量进行检测以保证满足验收标准。

3.1 X 射线工业CT 法

现行行业标准《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程：JGJ 355-2015》第7.0.6 条强制性条文要求钢筋套筒灌浆前，应模拟施工条件和方案在现场同步制作“平行试件”，以进行灌浆套筒连接接头抗拉强度检验。高润东等人［9］采用高能X 射线工业CT 在接头试件拉伸前，对套筒内部灌浆的饱满性和密实性进行了检测试验。通过模拟套筒加外浇混凝土、套筒外同时存在混凝土和复杂钢筋布置的实际情况，试验结果表明：该方法对存在纵筋和箍筋遮挡、套筒布置位置变化、双排套筒布置等复杂情形，均能有效显示套筒内部灌浆密实情况，套筒内浆体空洞位置、大小清晰可见。但该方法目前只限于实验室内检测，现场适用性需进一步研发。

3.2 预埋传感器法

基于阻尼衰减振动原理，当系统受到摩擦和介质阻力时，振幅随时间逐渐衰减，阻尼越大，振动能量耗散越快，振幅衰减越快（见图5）。崔士起等人［10］采用灌浆传感器对套筒灌浆饱满度进行了检测试验。灌浆前，在套筒出浆孔预先放置振动传感器，传感器周围介质的阻尼系数由小到大依次为空气、流动砂浆、凝固砂浆，通过传感器反馈的振动幅值衰减情况即能够判断传感器有无被灌浆料包裹，从而判断套筒内部灌浆的饱满程度。该方法非常有效，但成本高昂，实际应用中所有套筒均预先埋置传感器几乎不可行。

图5 不同阻尼系数衰减振动示意图Fig.5 Schematic Diagram of Low and High Damped Vibration

3.3 超声波法

超声测试技术的原理主要是基于超声波在不同介质中的传播速度有明显差异，当声波从固态传播到气态时，波速显著减小，声波能量迅速衰减，致使传播时间增加、波幅增大，声波相位也随之发生改变。当灌浆料密实性良好时，接收的首波信号（ultrasonic first wave）是沿钢筋套筒径向到达的纵波，另一路径是沿套筒半周到达的信号（见图6）；相反，当灌浆料密实性较差甚至未灌浆时，测试到的首波速度会显著降低。Hua Yan 等人［11］基于该原理，主要以超声波声速作为检测指标，对不同缺陷条件下的套筒灌浆密实度进行了测试。研究结果表明：超声波检测可以有效检测套筒中灌浆缺陷的位置，缺陷与无缺陷之间存在明显的界线。

图6 超声波传导路径示意图（未灌浆vs 已灌浆）Fig.6 Schematic Diagram of UltrasonicPropagation Path（Empty Sleeve vs after Grouting）

3.4 冲击回波法

冲击回波法是20 世纪80 年代由美国提出的一项技术，在无损检测领域应用广泛。其基本原理是利用一个瞬时机械冲击产生的应力波，应力波传到结构内部并被缺陷反射回来，通过信号采集对反射波进行频谱分析，从而确定结构内部缺陷的情况（见图7）。该技术在混凝土结构厚度、内部缺陷、预应力孔道灌浆密实度的定性定位检测中已日趋成熟。刘辉等人［12］基于该方法，率先开展了在钢筋套筒灌浆密实度检测方面的可行性，研究结果表明：对于模拟实际施工状态的钢筋套筒双排布置试件，由于受到不对称性与套筒外钢筋的遮挡，冲击回波法测试结果并不理想。

图7 冲击回波法检测原理示意图Fig.7 Schematic Diagram of Impact-echo Detection

3.5 超声相控阵法

超声相控阵技术早期主要应用于医学超声成像领域，后逐步应用于工业无损检测，如焊缝探伤。该技术的检测原理如图8 所示。探头中的压晶片按一定规定分布排列（线阵、面阵和环阵），工作时系统依照程序时间设定，逐次激发各个晶片，在构件中形成一个整体超声波阵面，通过控制波阵面的形状和方向，实现波束扫描、偏转和聚焦，在实现探测不连续缺陷形状、大小和方位上展现出比单个探头更好的性能。何胜华等人［13］针对叠合构件预制部分与现浇部分交界面往往结合不良，后浇混凝土可能存在孔洞等非密实区，认为采用超声相控阵法可准确识别上述缺陷。朱自强等人［14］在检测预应力管道压浆质量时，将超声波能量集中在预应力管道附近，提高有效信号的信噪比，灌浆缺陷孔洞检测效率及准确性均大大提高。但由于目前应用于土木工程无损检测中的探头分辨率较低，对于钢筋套筒灌浆缺陷的超声相控阵法相关研究尚需进一步研究。

图8 超声相控阵检测原理示意图Fig.8 Schematic Diagram of Ultrasonic Phased Array

4 结论与展望

套筒灌浆饱满度和密实度的检测仍需进一步加强研究，特别是要重点研发灌浆施工过程中及施工后的能够适应现场实际工程条件的灌浆缺陷检测技术。现行的无损检测原理诸如超声波法、冲击回波法、超声相控阵法从理论上来说对于灌浆缺陷检测均是可行的，但受限于客观条件如套筒内部空间狭小、套筒布置复杂、外围钢筋遮挡、探头分辨率较低、信号采集系统对反射波的识别度不够等因素，目前对于灌浆缺陷检测仍没有专用的检测技术标准出台。另外，在源头上从科学设计、优良预制构件工厂认定、完善产业工人培训及加强监管入手，彻底依靠制度体系来保证灌浆质量任重道远。