基于新型装配式耗能构件的预埋耗能装置关键施工技术研究及应用

何昌露，马海彬，陈 亮，李祚华，肖 俊

(1. 安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232000；2. 中国建筑第四工程局 土木工程有限公司，广东 深圳 510000；3.哈尔滨工业大学(深圳) 土木与环境工程学院，广东 深圳 518055)

0 引言

装配式结构体系具有节能环保、生产效率高、可韧性潜力大等优点，已成为当今建筑行业的发展趋势[1]。装配式构件作为装配式结构体系的重要组成部分，能够实现标准化生产和信息化管理，成品构件的质量及精度也要求较高。目前，装配式构件主要分为常规预制构件和新型装配式构件两大类。阳台、叠合板、凸窗等常规预制构件是目前装配式结构体系中常用的构件类型[2-4]。然而，常规的预制构件在设计上采用与现浇结构强度等同的原则，从结构的抗震角度出发，此类构件并不能充分发挥装配式结构体系的抗震性能。因此，具有耗能功能属性的新型装配式构件发展起来，如利用新型装配式防屈曲钢板复合连梁[5]、钢框架-防屈曲钢板墙[6]等。这种新型装配式耗能构件一般通过一个刚性很大并且能够连接相邻楼层的预埋耗能装置将新型装配式耗能构件的耗能元件与主体结构连接在一起，当结构在地震作用下发生层间变形时，预埋耗能装置可以有效地将结构层间变形传递给耗能元件，从而实现耗能元件在地震作用下的耗能能力。因此，在现场装配过程中，一般通过将预埋耗能装置预埋进上下相邻楼层的主体结构中，来保证与主体结构上下楼层的有效连接。

由于预埋耗能装置的预埋需要跨越上下相邻楼层，所以在预埋时需要考虑如何避让主体结构的框架梁钢筋，如何合理穿插预埋工序与主体结构的铝模封模工序以及如何释放上下楼层结构构件的竖向变形给预埋耗能装置造成的初始安装应力等重要问题。然而，目前针对这类新型装配式构件的施工安装可以参考的施工方法或相应的示范工程较少，所以有必要针对其构造特点给出预埋耗能装置的专有预埋方法，从而进一步丰富和推广装配式结构构件的安装技术和施工方法。

1 新型装配式耗能隔墙构件

1.1 隔墙构件构造简介

这种新型装配式耗能隔墙构件[7]一般由外包混凝土盖板的耗能钢板和预埋耗能装置构成，这两部分通过附属连接组件由螺栓进行连接，其构造如图1所示。

预埋耗能装置一般采用矩形整体钢框架的构造形式，由上下连接梁和左右工字型连接柱焊接而成，上下连接梁与主体结构连接一侧设计成锯齿状，分别预埋到上下楼层框架梁中，隔墙构件的安装示意如图2所示。这种预埋方式可以将预埋耗能装置嵌固在主体结构的上下楼层间，加强与主体结构连接的整体性，确保地震作用下主体结构的层间变形能够有效地传递到耗能钢板中，从而减少地震对主体结构的破坏，使隔墙构件的抗震性能得以充分发挥。

图2 安装示意图

1.2 预埋耗能装置关键施工流程

预埋耗能装置的施工安装需要与施工现场主体结构的钢筋绑扎、铝模搭设以及混凝土浇筑等施工工序穿插进行，其关键施工流程如下：

(1)绑扎预埋楼层框架梁钢筋：根据预埋耗能装置上下两侧锯齿状构造来确定预埋处的框架梁钢筋的间距，避免预埋耗能装置在预埋定位中与框架梁钢筋产生碰撞。

(2)定位预埋耗能装置：定位完成后，可通过短钢筋将预埋耗能装置与楼板进行焊接固定，以避免在进行混凝土浇筑时发生错位。

(3)浇筑预埋楼层混凝土：预埋耗能装置固定完成后，开始浇筑预埋楼层混凝土。

(4)绑扎上层框架梁钢筋：待预埋楼层混凝土强度达到70%以上时，开始绑扎上部相邻楼层主体结构框架梁的钢筋，钢筋绑扎过程中应避开预埋耗能装置的上部构造。

(5)浇筑上层混凝土：框架梁钢筋绑扎完毕后，进行铝模的搭设和封模工序，封模完成后即可开始浇筑上层混凝土。

2 关键施工装配技术

2.1 基于BIM三维可视化的高精度预埋技术

在构造上，构成预埋耗能装置的上下连接梁的端部焊有形式非常复杂的抗剪肋板和抗剪销钉，如图3所示，用来加强与主体结构的整体性，但是这种构造会导致在实际预埋过程中，抗剪肋板和销钉会与主体结构框架梁的钢筋发生碰撞。因此，为保证预埋耗能装置能够顺利高效地预埋到主体结构的框架梁中，可以在施工现场实际绑扎框架梁钢筋之前，利用BIM三维可视化的高精度预埋技术对框架梁的钢筋进行碰撞深化设计。

图3 上连接梁细部构造图

首先，依据设计图纸并结合相应图集规范建立框架梁的原始钢筋排布模型和预埋耗能装置的三维可视化模型；其次，根据具体预埋位置，将预埋耗能装置的三维可视化模型载入到框架梁的原始钢筋排布模型中，实现预埋耗能装置的模拟预埋，该过程可以清晰直观地看到在未考虑上下连接梁细部构造的情况下，框架梁钢筋与预埋耗能装置的具体碰撞情况，也可以检查预埋耗能装置是否与主体结构中的水电预埋管道产生挤压；最后，在碰撞检查完毕后，可以根据碰撞深化结果来对框架梁钢筋的原始排布进行优化，并将深化设计后的钢筋排布结果反馈给施工现场。相比于通过传统的人工测量法来估计框架梁钢筋的间距，基于BIM三维可视化的高精度预埋技术不仅可以直观地查看不同钢筋的不同碰撞情况，其优化的精度和效率也显著提高。

2.2 预埋耗能装置的安装应力释放技术

根据预埋耗能装置的施工安装过程可知，该装置需要跨越上下相邻楼层进行预埋，而上下楼层框架梁的竖向变形会给预埋耗能装置造成初始安装应力，影响隔墙构件其他组件的安装。为此，基于预埋耗能装置的构造特点，提出预埋耗能装置的分段式预埋技术，将外钢框分成两段分别预埋到主体结构上下楼层的框架梁中，此时预埋耗能装置可拆分为上连接预埋钢框架、下连接预埋钢框架、连接板以及连接螺栓，其分段示意如图4所示。

图4 连接预埋钢框架分段示意图

连接板下侧的螺栓孔采用长螺栓孔，这种螺栓孔可以随时调整预埋耗能装置的拼接精度，同时能够在预埋完成后，通过松弛拼接处的螺栓来释放预埋耗能装置的初始安装应力。长螺栓孔的调整范围可以通过对主体结构构件的挠度模拟计算来确定，具体可以结合项目的抗震等级、设防烈度、结构类型以及楼面的面荷载及线荷载来综合确定长螺栓孔的调整范围。

2.3 钢铝结合模板自适应封堵技术

为解决预埋耗能装置的预埋工序与铝模搭设工序的冲突问题，在实际施工过程中将主体结构上层梁底铝模板用上连接预埋钢框架的上连接梁替代，同时将上连接预埋钢框架的整体作为铝模的一部分来参与铝模的搭设，共同形成框架梁的支撑模板。然而，考虑到隔墙构件的封闭装饰效果以及施工现场的安装误差，外连接钢框架的宽度一般小于梁宽，但这种设计会导致上连接预埋钢框架与梁侧铝模之间产生缝隙，在后期浇筑混凝土时会漏浆。另外，预埋耗能装置从加工厂加工到施工现场实际安装的过程中，也存在平整度及垂直度偏差等，这些误差的叠加会导致上连接预埋钢框架与梁侧铝模之间的缝隙宽度不等。

针对上述情况，设计了L型钢制专用封堵件，如图5所示。这种封堵件的可封堵面宽度按最大的缝隙宽度来进行设计，可以自适应缝隙宽度不等的情况来进行无级调整。封堵件与梁侧铝模利用螺栓来连接固定，封堵件的螺栓孔采用键槽型的孔代替固定位置的螺栓孔，避免实际安装过程中与梁侧铝模螺栓孔位不对齐，螺栓孔中间加设两道加固钢板，防止封堵件变形。由于所采用的配件皆与铝模通用，这种专用的自适应不同宽度缝隙的可周转的钢制封堵件与可以很好得与梁侧铝模搭设工序结合，从而解决了上连接钢框架预埋与铝模封模工序的冲突，有效保证了各施工工序的顺利实施。

图5 L型钢制专用封堵件

3 工程应用

3.1 隔墙构件安装情况

依托项目位于深圳市光明区，由11栋超高层住宅建筑，1栋多层幼儿园，2-3层裙房商业，及3层(局部2层)地下室车库组成。其中，2栋A座位于项目用地东北侧0002地块，塔楼主屋顶结构高度为149.50 m，地上49层，地下3层。项目在2栋A座7-14层布置新型装配式耗能隔墙构件，替代原结构靠近外墙处的隔墙(位于2A-A～F交2A-13区域及2A-22～25交2A-S区域)，每层2个，共布置24个。

3.2 预埋耗能装置关键施工技术应用

3.2.1 BIM三维可视化的高精度预埋技术

在施工现场对预埋处的框架梁钢筋进行绑扎之前，首先对预埋耗能装置与框架梁钢筋进行了碰撞深化设计。在碰撞检查中发现，两者的碰撞主要是抗剪肋板与框架梁箍筋的碰撞，且碰撞点主要集中在距离墙边550 mm至1 850 mm的箍筋区域内。根据碰撞检查结果及相应的结构技术规范，对此范围内箍筋的间距进行了调整，并将钢筋排布结果反馈给了施工现场，图6为施工现场安装上连接预埋钢框架。

图6 上连接预埋钢框架安装

3.2.2 预埋耗能装置的安装应力释放技术

梁跨中刚度的计算参数为：L=8 950 mm；As=3 320 mm2；ρ=2.86%；ES=200 000 N/mm2；EC=300 000 N/mm2；Mq=320.2 kN·m；h0=579.8 mm；φ=0.97；θ=1.81，由此求得B=155.5/1.81=86.1·1000·kN·m2，经过取点计算，梁跨中的最大挠度d= 20.78 mm，L0/d=431>300，因此满足限值要求。依据计算结果并考虑施工安装误差，最终在预埋耗能装置的上下连接钢框架间预留了30 mm的缝隙用以释放主体结构混凝土梁对钢框架的压力。为了明确在应力释放后，相比较原结构，新型装配式耗能隔墙构件的整体耗能能力是否得到有效提升，采用有限元软件ABAQUS在罕遇地震工况下，分别比较了隔墙构件安装前后对预埋处结构梁(7-11层)的影响，如图7、8所示。通过对比可以看出，罕遇地震作用下隔墙构件充分耗能，预埋处结构梁端的塑性铰减小，预埋处结构梁的抗震性能得到提高。

图7 原结构与7-11层梁结构受力验算云图

图8 优化结构7-11层梁结构受力验算云图

通过对比原结构与优化结构的损伤能量(图9)可知，原结构的损伤能量为5 296 920，优化结构的损伤能量为5 067 160，降低了4.34%，隔墙构件有效降低了塔楼结构在罕遇地震下的整体塑性损伤；通过对比原结构与优化结构的层间位移角(图10)可知，原结构最大层间位移角为1/209，优化结构最大层间位移角为1/231，减小了2.56%，隔墙构件有效降低了结构在罕遇地震作用下的侧向变形。

图9 损伤能量对比图

图10 层间位移角对比图

综上所述，在应力释放完成且新型装配式耗能隔墙构件所有组件全部安装完成后，隔墙构件能够在罕遇地震下率先承担上部结构的层间变形并耗能屈服，从而降低地震对结构整体的破坏性，有效提高了主体结构的抗震性能。

3.2.3 钢铝结合模板自适应封堵技术

在本项目中，预埋耗能装置的宽度设计值为180 mm，框架梁宽度设计值为200 mm，考虑钢结构安装允许误差，理论上可能出现3 mm～17 mm的缝隙，如图11所示，方框图示即为两者之间产生的宽度不等的缝隙。为此，本项目封堵件的设计尺寸为长2 613 mm、宽95 mm、高40 mm、厚5 mm，封堵件的封堵范围为0 mm～35 mm，大于梁底模的最大缝隙17 mm。在实际封堵的过程中，封堵件能够封堵不同宽度的缝隙，方框图示即为封堵件安装位置，如图12所示，且在后期浇筑混凝土的过程中没有产生漏浆。

图11 预埋耗能装置预埋处的铝模搭设

图12 钢铝结合自适应封模

4 结语

本文基于新型装配式耗能隔墙构件的预埋耗能装置的构造特点并结合施工现场的具体安装情况，提出了三个关键施工装配技术。基于BIM三维可视化的高精度预埋技术能够对预埋耗能装置与框架梁钢筋进行碰撞深化设计，安装应力释放技术能够有效处理预埋耗能装置的初始安装应力，钢铝结合模板自适应封堵技术能够很好地封堵梁侧铝模与预埋耗能装置之间的缝隙。以上技术在实际项目中应用情况良好，进一步丰富了装配式结构构件的安装施工方法。