装配式混凝土构筑物的应用研究

姜 涛

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司 上海 200092)

装配式混凝土结构是在现场拼装预制混凝土构件形成的结构体系。相比现浇混凝土结构,它具有构件质量好、现场施工快、环境污染小等优点,是近年来国家大力推行的结构形式。

我国最早的装配式混凝土结构出现于上世纪五十年代,用于单层工业厂房,随后在民建领域也取得了较快发展。唐山大地震后,震毁严重的装配式混凝土结构引起了人们的担忧,应用大为减少。随着技术的发展,尤其是借鉴美、日地震区的成功经验,装配式混凝土结构重新成为我国建筑行业发展的热点。目前我国的装配式结构主要用于住宅等建筑物,装配式构筑物仍未得到广泛使用。本文对其进行研究,希望为装配式构筑物的推广提供些许帮助。

1 装配式混凝土结构的优势

装配式混凝土结构的建造过程为标准化设计、工业化生产、构件运输、现场拼装。相比现浇结构,装配式混凝土结构的优势体现在以下方面:

(1)构件采用标准化设计,可以进行工业化流水制作,生产效率大幅提高,构件尺寸精准,浇筑质量优异。

(2)装配式结构的模块化,有助于生产设备和模具的重复使用,实现规模效益,降低建造成本。

(3)装配式结构现场安装速度快、操作面小,大幅减少现浇混凝土,节约模板和人力,降低环境污染。

2 装配式混凝土结构的设计理念和关键技术

标准化设计是建造装配式混凝土结构最为关键的环节。相比现浇结构,它对结构规则性的要求更高。一般要求单体平、立面布置更加方正,平面长宽比和局部突出不宜过大,竖向构件上下对齐且不宜突变等。装配式混凝土设计需要考虑的主要内容包括:标准化构件和连接节点的设计、结构整体稳定性分析、生产模具的重复利用和施工临时措施等。

在进行装配式结构标准化拆分时,应遵循规格少、组合多的原则,即通过少量标准模块的多种组合来实现不同功能。标准模块设计需要考虑构件、节点及整体受力的合理性,标准化生产的适用性,运输及施工的便利性等。

现阶段的主流设计理念是将装配式结构等同现浇结构进行分析,以防止计算方法过于复杂,难以推广应用。这需要在预制构件之间、预制与现浇构件之间的连接处采取可靠措施保证节点的承载力、刚度和延性等,使其不低于现浇结构的相应性能,并注意验算施工工况。为满足“强节点弱构件”的结构设计理念,连接节点的受力性能也不得低于标准构件。考虑到连接节点施工难度大,容易成为薄弱环节。所以在保证结构性能的前提下,节点数量应尽量减少,节点构造应力求简单易行和传力明确。同时为了使连接节点的耐久性满足设计年限要求,需要采取可靠的防腐、防水和防火措施[1]。

装配式混凝土结构的常见连接方式有后浇混凝土连接、灌浆连接、螺栓连接、连接件焊接、榫槽连接等等。后浇混凝土连接是在构件结合处钢筋连接后,浇筑混凝土形成的连接。它具有设计简单,施工可靠等优点,但现场工作量大,施工速度慢。国内外学者对其钢筋连接方式、后浇混凝土性能等进行了研究,提出了埋设型钢、采用高性能纤维增强混凝土等改进措施,可以极大的提高节点的力学性能。灌浆连接是指在构件端部套筒内灌注浆液,粘结钢筋实现的连接。它具有性能可靠、适用性广等优点,但对灌浆质量要求很高。灌浆套筒与钢筋通过灌浆料的粘结作用进行传力[2]。灌浆料是以水泥为基础材料,添加细骨料和外加剂而成,要求具有非常好的自流性、高强性和微膨胀性。螺栓连接是通过构件端部螺栓紧固实现的连接。它具有操作简单,安装快等优点,但对生产和施工精度要求很高。连接件焊接是通过构件端部预埋钢板焊接实现的连接。它具有设计简单、质量可靠等优点,但现场焊接工作量大,质量难以保证,且焊接高温容易对构件造成损伤。后张预应力连接是通过构件内埋设预应力筋导管,现场进行预应力筋张拉挤压形成的连接[3]。它具有承载力高,恢复力强等优点,但耗能能力不足。榫槽连接是将构件边缘分别做成榫头和杯口,采用水泥浆填充形成的连接。它具有施工方便,安装速度快等优点,但抗拉、抗弯性能较差。以上连接方式都有各自特点,适用于不同的场景,也与现阶段相关领域的技术研发息息相关。随着技术、材料的进步,试验数据的完善,这些连接节点的应用范围会逐步扩大,新型连接节点也将不断出现。

3 装配式混凝土构筑物的应用研究

在前文分析的基础上,以下就装配式构筑物的具体应用进行分析。常见的构筑物有圆形和矩形两种。为保证构筑物结构的整体性,底板宜采用现浇混凝土结构。若遇岩石等优良地基,也可采用装配式混凝土底板,基底设置滑动层,通过后张预应力提高整体性。

圆形装配式构筑物壁板的标准形式一般为圆壳片,通过杯口与现浇底板连接。按《给水排水工程预应力混凝土圆形水池结构技术规程》规定,杯口节点可按铰接进行设计[4]。考虑到圆壳主要承受切向水平力,通过对其施加预应力既可以提高结构整体性,又可以抵抗水平拉力。我国的一些早期项目采用壁板外侧缠丝施加预应力,采用喷射水泥砂浆对预应力钢丝进行防腐保护。这种结构形式近年来较少出现,预应力钢丝的耐久性问题、板壳间接缝漏水问题和施工质量问题是关键原因。根据近年来装配式技术的发展,可以对其进行优化。首先是预应力筋可设置在圆壳片中心区域,个别圆壳片局部突出张拉锚固,使得预应力筋可以更好的定位和获得保护,提高工程质量。其次,圆壳片间的连接可以从后浇混凝土、水泥砂浆连接等改为榫槽连接和螺栓连接,榫槽连接具有一定抗剪和抗弯能力,螺栓连接可以传力或辅助定位,利于后期预应力筋的张拉。榫槽内设置遇水膨胀橡胶垫,迎水面设置凹槽,附加防水卷材,多措施结合确保止水效果。

图1 圆形装配式构筑物简图

矩形装配式构筑物壁板的标准形式一般为一字板、L型板等。《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》中规定现浇矩形构筑物的底板和池壁节点可按刚接进行设计,但对杯口节点未予明确[5]。王泽明等建立有限元模型进行分析,认为装配式矩形水池杯口节点可视作半刚性节点,杯口节点的承载力、转动刚度等与杯口高度正相关。考虑到矩形构筑物壁板的受力情况,竖向单向一字板在顶端无法按不动铰支座设计时,不可采用杯口与底板连接。按《给水排水工程结构设计手册》,当走道板满足下述公式,壁板顶端可按不动铰支座进行设计。

L型板具有受力合理,施工自立的特点,需要重点考虑的是其与现浇底板的连接。简单有效的处理方式是预留钢筋,与底板现浇连接。接缝处迎水面可设置凹槽,增设防水卷材止水[6]。更为保险的处理方式是L型板落底,与底板采用局部叠合板连接,以增强底板的整体性和防水性能。壁板间连接应根据受力情况选用不同的连接方式,竖向单向板可采用榫槽连接和螺栓连接,也可设置后张预应力筋增强结构整体性和抵抗温度应力,双向板及壁板转角处可采用后浇混凝土连接或增加转角标准构件。

4 装配式混凝土构筑物的发展困境

预制化是我国混凝土构筑物建设必然的发展趋势,但现阶段装配式构筑物的应用还存在政策不完善、应用不系统、技术不成熟等问题。

装配式构筑物的发展缺少顶层设计。相关的政策、标准不完善,导致甲方、设计、施工和运营等部门无法协力,共同推动装配式混凝土构筑物的发展。

装配式构筑物的产业链仍处于初步阶段。装配式结构的建造过程包括设计、生产、运输和安装等多个环节,是以装配式结构为核心,风险利益共享、上下游一体的产业系统。缺乏专业的设计人员、无法实现构件的标准化和规模化生产、尚未建立多方的协调机制等等都阻碍了装配式构筑物的发展。

装配式构筑物的关键技术尚未成熟。装配式构筑物相比上部建筑物,对连接处的防水、防腐性能等提出了更高的要求,相应技术的研发和应用尚未成熟,具体性能尚待数据的进一步验证。

5 结语

本文基于装配式混凝土结构的设计理念和关键技术,对装配式构筑物的具体应用进行了研究。虽然装配式构筑物的应用还面临着诸多困难,但相信随着政策的制订、系统的集成与技术的革新,其产业体系必将逐步完善,并在今后得到广泛应用。