預(yù)制裝配式混凝土住宅施工關(guān)鍵技術(shù)研究

張晉生，魏榮生，王宇輝，薛晨旭

（1．中建二局第一建筑工程有限公司華南分公司，廣東 深圳 518000；2．中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100000）

0 引言

裝配式建筑產(chǎn)業(yè)是國家建筑業(yè)工業(yè)化與智能化發(fā)展戰(zhàn)略的重要方向，是建筑業(yè)高質(zhì)量與高效能發(fā)展、建筑節(jié)能減排、低碳綠色建造的先進新技術(shù)升級以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新方向[1]。裝配式建筑產(chǎn)業(yè)是傳統(tǒng)建筑業(yè)的迭代新技術(shù)產(chǎn)物，是國家“十四五”期間建筑業(yè)重點發(fā)展規(guī)劃[2]。在“十四”五期間，我國裝配式建筑占新建筑項目的比例要求達到30%以上，這也是廣東省的裝配式建筑定立的推進目標[3]。裝配式建筑的質(zhì)量、成本、低碳綠色生產(chǎn)與建造、產(chǎn)業(yè)可循環(huán)經(jīng)濟、建筑系統(tǒng)化集成、建設(shè)效率與項目建設(shè)的可控性等優(yōu)勢，必定全面打敗并取代傳統(tǒng)的建造業(yè)，建筑業(yè)迭代新技術(shù)將給新型裝配式建筑產(chǎn)業(yè)締造數(shù)萬億級的新興建筑市場產(chǎn)業(yè)。

1 工程概況

廣東省深圳市某房地產(chǎn)建設(shè)工程二期位于城市主干道交叉路口東南側(cè)，規(guī)劃總用地面積42943m2，總建筑面積117674m2，其中，地上建筑面積94500m2，地下建筑面積23174m2。主要建設(shè)8 棟30～32 層單元高層住宅建筑、1 棟3 層幼兒園和1 棟18 層的單體商用辦公樓。本項目任務(wù)包括施工圖設(shè)計及概算、設(shè)備采購、施工（小區(qū)住宅以及配建幼兒園、社區(qū)用房、物業(yè)用房、景觀綠化、配套工程、人防、供水、供電、燃氣、通風空調(diào)、供電照明、光伏發(fā)電等全部工程）及與其有關(guān)的其他技術(shù)服務(wù)（含BIM）等全部內(nèi)容。本項目投資概算45512．82 萬元。中標價為工程設(shè)計費32．00 元/m2，施工工程費下浮率13%。建設(shè)總工期900 天，其中設(shè)計60 天，施工840天。

本研究以30 層5#住宅樓為研究對象，總建筑面積約為8915．77m2，含有一層地下室（主要建筑功能為設(shè)備用房），地下室面積約占585m2，地下室高度為4．0m，地表±0．00 以上建筑總高度為92．00m，其中地上第一層的高度約5．0m，第二層至第二十九層標準層的高度約3．0m，第三十層的高度為3．0m，地上部分除了第一層的建筑功能為零售商業(yè)外，其余樓層的建筑功能均為民用住宅。地表±0．00 對應(yīng)的1985 高程為4．372m，建筑結(jié)構(gòu)類型為裝配整體框架-現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，預(yù)制率達到53%，最大預(yù)制單體構(gòu)件重度達到6．0t，每層標準層的預(yù)制構(gòu)件明細如表1 所示。

表1 預(yù)制裝配式混凝土住宅每層標準層的構(gòu)件明細

第一層～第七層的梁體結(jié)構(gòu)使用C30等級混凝土預(yù)制、第八層～第三十層的梁體結(jié)構(gòu)使用C25等級混凝土預(yù)制；第一層～第四層的柱體、剪力墻墻體結(jié)構(gòu)混凝土等級為C45，第五層～第八層的柱體、剪力墻墻體結(jié)構(gòu)混凝土等級為C40，第八層～第十二層的柱體、剪力墻墻體結(jié)構(gòu)混凝土等級為C35，第十二層～第三十層的柱體、剪力墻墻體結(jié)構(gòu)混凝土等級為C30，柱體采用預(yù)制、剪力墻采用現(xiàn)澆。

2 預(yù)制裝配式混凝土構(gòu)件施工過程關(guān)鍵技術(shù)分析

預(yù)制裝配式混凝土住宅施工是通過在工廠將建筑結(jié)構(gòu)分成柱體、梁體、墻體、樓梯、陽臺等構(gòu)件進行預(yù)制，隨后運輸至現(xiàn)場，按照設(shè)計圖紙進行吊裝拼接，連接方式有套筒灌漿連接、現(xiàn)澆連接等方式，以形成整體的建筑結(jié)構(gòu)[4]。具體的預(yù)制裝配式混凝土住宅施工工藝流程如圖1所示。

圖1 預(yù)制裝配式混凝土住宅施工工藝流程

現(xiàn)場拼接的施工工藝主要關(guān)鍵節(jié)點為柱與基礎(chǔ)的裝配連接、柱與柱的裝配連接、柱與梁的裝配連接[5]。在柱與基礎(chǔ)的裝配連接中，目前比較成熟的連接方式多樣，最為常用的形式有3種。其一，采用杯形基礎(chǔ)作為承接口，將預(yù)制框架柱插入承接口中，然后澆筑水泥砂漿進行固結(jié)，這種連接方式較為成熟和可靠，已被我國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范收錄；其二為密封鋼管插筋法，其具體的施工方式是通過柱子預(yù)留搭接長度的受力主筋，插入基礎(chǔ)預(yù)埋的密封鋼管中，密封鋼管的直徑大于主筋約10mm 左右，以便于其插入，隨后便采用高強砂漿進行灌注。

在柱與柱的裝配連接中，按連接節(jié)點的剛度大致可以分為2 種連接方式，即剛性連接和鉸接連接（包括鋼筋套筒灌漿連接）[6-7]。一般而言，對于低層的預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)可以采取砂漿現(xiàn)澆的方式將預(yù)制柱連接起來，這種接頭的構(gòu)造適用于柱的受力為小偏心情況，不會因出現(xiàn)拉應(yīng)力導致節(jié)點受拉破壞；而對于多層預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)則需要對柱連接節(jié)點進行加強，可采取卯榫式連接、杯口填充高強砂漿式連接和砂漿配合錨固件連接。

在梁與柱的裝配連接中，其鋼筋套筒灌漿連接的施工流程[8]：將預(yù)制的混凝土框架梁采用起重機調(diào)放到設(shè)計位置，并在柱子上設(shè)置臨時支撐點；設(shè)置普通消能鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋，為了保證普通消能鋼筋梁柱安裝完成前具有一定的自由段長度，需要采取一定的施工措施確保其能夠在受荷作用下自由伸縮；采用高強灌漿料將梁柱的接縫進行填充澆筑，也可以采用纖維砂漿進行接縫澆筑，無論何種填充材料，梁柱之間均需預(yù)留約2cm的空隙，以便砂漿的流入，也方便安裝出現(xiàn)偏差時進行調(diào)整；待高強灌漿料強度達到設(shè)計強度的80%后，對預(yù)應(yīng)力鋼筋進行張拉，張拉工藝與一般預(yù)應(yīng)力混凝土框結(jié)構(gòu)張拉施工一致。

本文中預(yù)制梁、預(yù)制柱、預(yù)制板之間的連接采用鋼筋套筒灌漿連接，施工材料采用單組分水泥基灌漿料，灌漿料的物理、力學性能如表1所示。

表2 與灌漿套筒匹配的灌漿料性能要求

具體的鋼筋套筒灌漿施工流程為塞縫（坐漿）→封堵下排灌漿孔→拌制灌漿料→漿料檢測→壓力注漿→封堵上排灌漿孔→補漿→試塊留置。

3 預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點連接質(zhì)量施工檢測

3.1 沖擊回波法灌漿缺陷檢測的基本原理

如圖2所示，沖擊回波法檢測灌漿質(zhì)量的基本原理是通過鐵錘對鋼筋傳力棒施加沖擊力（脈沖信號），傳力棒傳遞沖擊力使鋼筋套筒振動，振動機械波從鋼筋套筒向周圍混凝土傳播，當遇到不同介質(zhì)界面時（如鋼筋套筒灌漿存在空洞，鋼筋固體介質(zhì)與空氣介質(zhì)存在界面），發(fā)生折射和反射現(xiàn)象，借助信號放大器和信號采集儀器采集反射波信號，分析反射波的波形、振幅、頻率等波動特征，建立反射波信號的波動特征與灌漿質(zhì)量的相關(guān)關(guān)系，進而判斷鋼筋套筒灌漿是否飽滿、密實[9]。

圖2 沖擊回波灌漿缺陷檢測基本原理圖

灌漿質(zhì)量直接影響著鋼筋套筒的水平剛度，兩者之間呈正相關(guān)。當鋼筋套筒內(nèi)的灌漿液飽滿且密實時，漿液凝固達到設(shè)計強度后，可認為鋼筋套筒與周圍混凝土達到了“等同現(xiàn)澆”的效果，鋼筋套筒處于固結(jié)約束狀態(tài)，可認為其材質(zhì)均勻、水平剛度為無窮大，當采用沖擊回波檢測時，其反射波形表現(xiàn)處振幅小、頻率低且波形迅速衰減；相反，當鋼筋套筒周圍無灌漿時，可認為鋼筋套筒水平方向無約束，水平剛度為零，當采用沖擊回波檢測時，其反射波形表現(xiàn)為振幅大、頻率高且波形反復震蕩的特征；當鋼筋套筒有灌漿但存在灌漿不飽滿、不密實的情況時，采集的反射波信號特征介于上述兩種情況之間。

3.2 不同灌漿飽滿度的波形特征

為更好地判別鋼筋套筒灌漿的密實程度，有必要建立反射波形與灌漿不同密實程度的相關(guān)關(guān)系，識別機械波遇到不同密實程度灌漿的響應(yīng)特征。因此，在室內(nèi)建立了不同灌漿飽滿的物理模型，灌漿飽滿度分別設(shè)置為0、1/3、2/3和1，如圖3所示。

圖3 不同灌漿飽滿度的鋼筋套筒模型

圖4為不同灌漿飽滿度情況下的反射波波形特征。從圖中可以看出，隨著灌漿飽滿度的增加，反射波的波形出現(xiàn)明顯的變化，首波的振幅逐漸增大，反射波的頻率逐漸降低，波形衰減速度則逐漸增加。采用首波振幅幅值與首波峰值的一半對應(yīng)的時間寬度之比值RPt作為信號特征指標，RPt計算公式如式（1）所示。

圖4 不同灌漿飽滿度的特征波形

式中：Pmax為反射波波形首波振幅最大值，mV；t0．5為首波峰值的一半對應(yīng)的時間寬度，ms。

從圖中可以看出，隨著灌漿飽滿度的增加，RPt也不斷增加，無灌漿條件下（灌漿飽滿度為0），RPt=22．3V/s，而在1/3 灌漿時，RPt=22．3V/s，在2/3 灌漿時，RPt=115V/s，在滿灌漿時，RPt=211V/s。

對波形幅值（電壓值）△U 與時間t進行擬合，波形振幅在振幅兩個方向均呈指數(shù)衰減的趨勢，得到正負兩個方向的擬合曲線如式（2）～式（9）所示。

3.3 預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點連接質(zhì)量施工檢測效果驗證

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工完成后，采用沖擊回波法對灌漿套筒的施工質(zhì)量進行監(jiān)測，如圖5 所示，對本項目設(shè)置套筒灌漿的構(gòu)件31 個，布置319 個測點，獲得灌漿飽滿與不飽滿的特征波形，與3．2小節(jié)中的特征波形對比，判別鋼筋套筒的灌漿飽滿程度，測試結(jié)果表明，測點飽滿數(shù)量304 個，飽滿率達到96%。對存在缺陷的鋼筋套筒進行破壞驗證，如圖6 所示，結(jié)果表明，采用沖擊回波法能夠準確地判別鋼筋套筒的灌漿質(zhì)量，有利于裝配式建筑存在缺陷節(jié)點的整治，保障裝配式建筑的整體安全性能。

圖5 沖擊回波法對灌漿套筒缺陷現(xiàn)場檢測

圖6 存在缺陷套筒的破壞驗證

4 結(jié)論

以廣東省深圳市某房地產(chǎn)建設(shè)工程二期預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工為研究對象，基于裝配式建筑施工的總體施工工藝流程，分析了其關(guān)鍵的施工工藝，并采用沖擊回波法對裝配式構(gòu)件的連接節(jié)點施工質(zhì)量進行監(jiān)測，得到以下幾個結(jié)論：

①現(xiàn)場拼接的施工工藝主要關(guān)鍵節(jié)點為柱與基礎(chǔ)的裝配連接、柱與柱的裝配連接、柱與梁的裝配連接，目前預(yù)制構(gòu)件的連接節(jié)點施工工藝眾多，本文預(yù)制梁、預(yù)制柱、預(yù)制板之間的連接采用鋼筋套筒灌漿連接，并確定了灌漿料的性能要求；

②建立反射波形與灌漿不同密實程度的相關(guān)關(guān)系，識別機械波遇到不同密實程度灌漿的響應(yīng)特征。結(jié)果表明，隨著灌漿飽滿度的增加，反射波的波形出現(xiàn)明顯的變化，首波的振幅逐漸增大，反射波的頻率逐漸降低，波形衰減速度則逐漸增加；

③采用沖擊回波法進行鋼筋套筒灌漿連接點的現(xiàn)場測試，測試表明測點飽滿數(shù)量304 個，飽滿率達到96%，沖擊回波法能夠準確地判別鋼筋套筒的灌漿質(zhì)量，有利于裝配式建筑存在缺陷節(jié)點的整治，保障裝配式建筑的整體安全性能。