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预制混凝土框架结构螺栓式连接技术研究及应用【摘要】：预制混凝土框架结构螺栓式干法连接技术在上世纪80年代由芬兰佩克集团发明，在持续不断的研发、项目应用后形成完整的螺栓连接体系，由于其快速、有效的技术特点，目前在欧洲广泛应用。本文重点介绍佩克公司预制混凝土框架结构螺栓连接产品，设计方法，施工技术，同时对比国内传统的装配整体式框架结构，可以有效的节省劳动力，提高安装效率，节省工期。0引言装配式混凝土框架结构由于其开间大，空间布置灵活的特点广泛用于公共建筑及工业建筑中，在我国装配式领域内，通常采用装配整体式的混凝土框架结构，其做法等同现浇，柱与基础、柱与柱采用套筒灌浆或者插入杯口式的连接方式，梁柱连接采用节点核心区后浇的做法，我们称为湿式连接。这种做法在近几年的应用后也暴露许多问题：灌浆质量不易控制，安装速度较慢，梁柱核心区钢筋现场安装困难等缺点。芬兰佩克的螺栓式连接技术作为一种新型的预制混凝土框架结构连接技术，经过大量的实验和实际工程的论证，是一种快速，有效，安全可靠的连接方式，是一种干式连接。同时该技术在欧洲通过ETA的论证。近年来佩克集团联合国内外知名大学科研机构，对螺栓连接节点进行抗震性能研究实验，取得良好的效果，研发出预制混凝土结构抗震螺栓连接系统，目前在国内正在参与CECS标准《装配式多层混凝土结构技术规程》的编制。1预制混凝土框架结构螺栓式连接系统介绍预制混凝土框架结构螺栓式连接系统是指预制构件通过螺栓连接后，通过对连接节点处进行灌浆，最后形成刚性的连接节点。主要包括预制柱与基础，预制柱之间，预制梁柱的螺栓连接，如图1所示。图1预制混凝土框架结构螺栓式连接体系1.1预制柱螺栓式连接简介预制柱的连接通过在柱底预埋螺栓连接器，在基础或下柱中预埋锚固螺栓，现场将预制柱底的螺栓连接器与基础内预埋螺栓连接，最后对接缝进行灌浆填实，节点如图2所示。图2柱与基础螺栓连接节点此连接在螺栓拧紧后即可形成抗弯承载力，可用于抵抗安装阶段的风荷载及自重荷载，无需对预制柱安装临时支撑，极大的提高安装效率，改善现场施工环境拥挤的现象。1.2预制梁与柱螺栓式连接简介预制梁柱的螺栓连接，是指在预制梁端预埋螺栓连接器，在预制柱身预埋锚固螺栓，现场将螺栓连接器与螺栓连接，最后对接缝进行灌浆填实的连接方式。对于叠合梁构件，只在预制部分的梁下层预埋螺栓连接器，梁上层后浇部分的纵筋可采用钢筋机械接头连接预埋在柱身的螺栓，节点如图3所示。图3梁与柱螺栓连接节点螺栓连接方式对比传统核心区后浇的方式，即把现场节点区钢筋安装调整的工作提前移至预制厂，在柱身预埋带内螺纹套筒的螺栓，待预制梁安装就位后，用全螺纹螺杆反拧进螺纹套筒内，将螺栓连接器和螺栓连接，如图4所示。因此预制柱无需每层分节，可以根据吊装能力设计成多层一节，同时预制梁的纵筋也不需要伸出，只需和梁端螺栓连接器在梁内搭接连接即可，可有效的提高构件生产、运输、安装的效率。图4梁与柱螺栓连接安装示意2预制混凝土框架结构螺栓式连接系统设计方法2.1螺栓连接节点设计思路预制构件螺栓连接通过把预制构件的荷载通过锚固螺栓传递至相连的构件中，不同型号的螺栓连接器和螺栓对应不同的承载力。目前佩克公司的螺栓连接设计思路是根据建筑结构所在的地区不同分为非抗震区域螺栓连接设计方法和抗震地区螺栓连接设计方法。非抗震区域的螺栓连接节点设计方法是根据节点受到的所有荷载工况，设计合理数量及型号的螺栓连接布局，使接缝的承载力均大于节点计算内力，并有相应安全系数。此设计方法在欧洲非抗震地区已经广泛应用，螺栓连接器及锚固的承载力均通过ETA的认证。抗震区域的螺栓连接节点设计方法有两种，一种为强连接设计，另一种是耗能连接设计。强连接设计方法是根据构件自身的实配钢筋计算相应的承载力，在此承载力的基础上进行一定强节点系数的放大，而螺栓连接节点的设计承载力需大于上述放大后的承载力，最后节点采用高强度、无收缩灌浆料填实。耗能连接设计是根据需要的延性等级，节点采用抗震锚固螺栓及特殊的构造措施，使得节点延性及耗能能力满足要求，同时节点的承载力能力略大于构件自身的承载力，最后节点采用UPHC钢纤维灌浆料填实。以预制柱抗弯承载力为例，上述两种设计方法的节点承载力示意如图5所示。图5抗震区域螺栓连接节点承载力强接连设计方法可确保构件的破坏优先于接缝破坏，满足强连接弱构件的设计原则，在中等及高烈度区域均可应用。此设计方法实用，可操作性强，安全可靠，是应用广泛于抗震地区螺栓连接设计方法，在欧洲标准EC及美标ACI上均有相应的要求，在我国螺栓连接节点也采用此设计方法，强节点系数根据不同抗震等级取1.1~1.3。需要注意的是强连接设计方法可能会使得螺栓连接器和锚固螺栓的型号较大，从而有可能使预制构件的尺寸增大，相应的造价也会增加。耗能连接设计应用于中等延性等级的项目，佩克集团在欧洲和意大利米兰大学等科研机构合作，在中国和同济大学合作，做了一系列的抗震性能的实验及研究，证明了该连接节点的延性及耗能能力等抗震性能指标至少等同于现浇结构，是欧洲唯一认证的抗震螺栓连接系统。此设计方法可以有效减小构件和基础的尺寸，降低基础开挖深度，节省造价。2.2安装阶段节点受力工况复核预制柱螺栓连接最大的优势是安装阶段不需要临支撑，螺栓拧紧即可承受自重荷载即风荷载。因此在设计时需考虑安装阶段工况，此时接缝并未灌浆，所有的节点荷载均由螺栓承担。因此根据构件尺寸，风荷载等计算相应的荷载，复核每个螺栓的承载力。2.3设计复核螺栓承载力与定位在预制柱与基础的螺栓连接设计中，会根据基础的形式和尺寸选择合适的螺栓，有长直的锚固螺栓，也有带锻头的短螺栓，如图6所示。上述两种螺栓在承受不同荷载情况下，会对混凝土结构有不同的传力形式，因此需要根据螺栓受到不同方向的荷载，分别复核螺栓对混凝土锥形破坏、拔出、劈裂、剪翘破坏等情况，设计针对性的加强附加钢筋。图6预制柱连接的锚固螺栓示意在预制梁柱螺栓连接设计中，预制柱中预埋的螺栓是连接横纵向的梁，在深化过程中可以采用BIM技术调整螺栓的定位进行检查调整（见图7），有效避免横纵向螺栓在节点区打架碰撞的问题。图7梁柱节点螺栓碰撞检查3预制混凝土框架结构螺栓式连接系统施工及质量控制3.1螺栓连接产品安装流程预制柱或梁端的螺栓连接器安装最常用的流程是，第一步根据图纸上螺栓连接器位置制作定位端板，通过螺栓连接器配套的凹槽成型盒固定在定位端板上；第二步以螺栓连接器为骨架，绑扎柱身钢筋笼及连接器所需的附加钢筋；第三步将钢筋笼移入构件模板固定调整，安装其他预埋件，浇筑混凝土之前最后检查螺栓连接器的定位，准确无误后浇筑混凝土；第四步待混凝土强度达到要求脱模后，取出凹槽成型盒，可涂油重复使用，如图8所示。图8螺栓连接器浇筑前后基础预埋螺栓的安装定位可采用专门的螺栓定位板，所有锚固螺栓穿入定位板中限位，定位板通过木方或者槽钢固定在基础侧膜上；浇筑混凝土之前检查螺栓外露高度、螺栓附加钢筋的安装是否符合设计要求，同时对外露的螺纹部分做好保护措施。梁柱连接的锚固螺栓大部分为弯折螺栓，因此建议在绑扎柱身钢筋笼时提前把螺栓放入，待钢筋骨架入模后，可通过柱身模板上的螺栓定位孔再精确调整螺栓位置，在模板孔上穿入临时的螺丝，不仅可以固定预埋螺栓，又可防止混凝土流入螺栓的螺纹套筒内。图9基础预埋螺栓定位3.2施工现场安装流程及灌浆预制柱吊装之前准备工作，拆下基础螺栓上的保护纸等，检查螺栓和预制柱螺栓连接器的底板孔的相对距离，通常螺栓连接器的底板孔径会比对应螺栓的直径大超过10mm，有比较大的容许误差。提前把螺栓的螺杆涂油，并装上下层螺母和垫片，根据设计要求调整好螺母垫片的标高，当设计的节点螺栓数量较多，或者预制柱的重量较大时，建议提前制作一块接缝厚度的垫板，放入基础顶面中心，可以有效的提高吊装预制柱的安装速度，提高各个螺母垫片调整、拧紧效率，如图10所示。图10螺母垫片和垫板调平通常吊装预制需要2-3名工人，吊机把预制柱吊装就位后，在工人拧紧螺栓后即可脱钩，无需安装临时支撑，吊装一根预制柱大概需要10分钟，对比传统预制柱连接方法的施工速度非常快。在预制柱校正完毕后，用模板将接缝一圈支模，进行灌浆作业，整个灌浆工艺不需要压力灌浆工艺，为简单的倾倒灌浆即可，灌浆质量可控。为方便观察柱底接缝是否灌实，建议支模时每侧模板超出20mm，如图11所示。图11预制柱螺栓连接节点灌浆预制梁在吊装时，第一步提前在牛腿上放置调平垫板，调平使得梁端螺栓连接器的孔和柱身预埋的螺栓套筒位置对应；第二步吊机把预制梁吊至安装位置，落在已经调平后的垫板上；第三步把螺栓配套的全螺纹杆反拧进套筒中，并用螺母垫片拧紧；最后对接缝合模灌浆，使得接缝和螺栓连接器凹口全部灌满填实，整个流程如图12所示。图12螺栓连接预制梁安装流程3.3质量控制要点螺栓连接安装的便捷一定程度上依靠螺栓连接器与锚固螺栓的安装精度，螺栓连接产品定位是质量控制的要点，单个螺栓和螺栓连接器的定位误差要控制在±3mm，因此选用精确的螺栓及连接器定位板，即可有效的解决安装精度，提高施工安装效率。设计螺栓连接节点时，螺栓连接器都有相应配套的额外附加钢筋要求，这类钢筋可以保证连接器在混凝土构件中的锚固及荷载传递，因此在浇筑之前须有附加钢筋检查流程，避免少放、漏放的问题出现，如图13所示。预埋锚固螺栓如上文所述，也有针对避免混凝土破坏的附加钢筋，也应该在浇筑之前反复核查。图13螺栓连接器附加钢筋示意螺栓连接器配套的凹槽成型定位盒在安装之前，建议将侧面涂上脱模油，避免在构件成型后拆下凹槽盒时拉裂附近混凝土面。在预制柱校正完成后，采拥扭矩扳手拧紧螺栓，螺栓产品手册中会有不同型号的螺栓对应各自最小的扭矩值，需要严格按照手册执行。4预制混凝土框架结构螺栓式连接系统应用案例分享4.1韩国GSCHP工厂项目冷却塔该项目是佩克集团在韩国市场第一个应用螺栓连接技术的项目，位于韩国抱川市，项目全景效果图见图14，其中冷却塔为全预制的混凝土框架结构，采用佩克预制框架结构螺栓连接技术，主要应用于柱与基础的连接，梁与柱的连接，建筑高度23.6米，长92.7米，宽16.1米，三维模型见图15。佩克从2017年2月开始陆续供货直至夏季，该塔楼施工工期相对于传统现浇做法加快了近两个月，据施工方的反馈，采用佩克螺栓连接技术最大的好处是大大减少了安装阶段的工期。图14GSCHP工厂全景效果图图15冷却塔模型预制柱根据吊重分成16米和7米，由于是冷却塔的使用功能，现浇基础为凸出的短柱结构，因此所有预埋的螺栓为长直型，预制柱吊装采用佩克的穿心杆吊装技术，梁柱连接采用全预制梁柱螺栓节点的做法，部分预制墙体水平接缝采用佩克螺栓连接盒技术，竖向接缝采用佩克钢丝绳连接环技术，项目的部分节点图及现场施工照片见图16。同时该项目处理韩国的地震区域，螺栓连接节点设计方法采用强连接设计方法。a预制柱与基础螺栓连接b预制梁螺栓连接节点安装c梁柱螺栓连接中柱节点d梁柱节点灌浆后近照图16冷却塔施工现场照片5结语本文展开介绍了由芬兰佩克公司研发的新型的装配式混凝土框架结构螺栓连接技术，首先详细的介绍了解决各个节点连接的螺栓干式连接技术，包络连接节点大样，螺栓连接器及锚固螺栓。其次介绍了佩克螺栓连接节点设计的方法及思路，针对不同抗震区域的设计理念，同时佩克公司对这些连接节点，均做过系统的足尺节点的低周反复荷载试验，证明其抗震性能良好。紧接着以施工着手，介绍了采用螺栓连接技术的框架结构施工技术，质量控制，可以明显的发现其快速、有效、节省劳动力的特点。最后分享了韩国抗震地区某一装配式项目案例，介绍了佩克的螺栓连接技术在该项目上的应用情况，以及带来了整个建造工期的缩减，提高了综合效益。目前我国在装配式混凝土框架结构上等同现浇的设计施工已经遇到许多问题，设计师设计的许多节点做法在施工现场由于安装困难的问题只能大打折扣，相应地会造成现场施工速度较慢，劳动力集中，效率较低，并没有发挥装配式建筑应有的特点。而新型的装配式混凝土结构螺栓式连接技术具有安装快速，质量可控，性能安全可靠的特点，逐步会在国内市场推广应用。