【关键词】：预制混凝土框架；螺栓连接；全装配化；预制多层柱；免支撑
0 引言
我国在公路桥梁建造领域已经大量采用预制装配技术，并且发展的相当成熟，其中上海城投公路集团勇于创新，自主研发了一系列先进的高速公路桥梁预制装配技术，例如高立柱拼装技术、超大盖梁的节段拼装技术、地面中小桥全预制拼装技术等。而在高速公路收费站旁的附属用房，如果采用传统的框架结构预制设计方法，安装速度以及施工效率还是较慢，在这样的背景下，上海城投集团联合芬兰佩克集团，共同研究出全装配化的附属用房设计建造方法，主要结构节点采用刚捷?抗震框架体系，并在S7管理用房上得到实际应用，取得良好的效果，为行业内提供新的设计建造思路。
1 项目概况
本项目为S7高速公路收费站配套的管理用房，建筑面积约500m2, 地上两层框架结构，平面尺寸为13m×18.4m，结构高度7.3m。业主的要求是全装配式，快速安装，尽可能减少现场的支撑，缩短工期。按照这个思路，主体结构设计为全预制结构，其中预制柱设计成一柱至顶，柱底与基础采用螺栓连接技术，免去临时柱支撑。梁柱节点采用螺栓连接技术，相对于传统的装配整体式做法，减少了大量的现场湿作业，楼板采用全预制复合楼板，围护结构采用预制夹心保温外挂板。基础采用预制条形基础，预留部分后浇区域。项目主体三维效果图如图1所示。
图1 管理用房主体结构效果图
2主体结构螺栓连接系统设计
2.1 预制竖向构件螺栓连接
为了减少节点数量及吊装次数，预制柱采用一柱通长的设计，柱与基础选用佩克螺栓连接技术，预制柱底预埋螺栓连接器，基础预埋锚固螺栓，最后节点接缝采用高强度、无收缩灌浆料封堵。螺栓连接设计依据即将发布的CECS标准《装配式多层混凝土结构设计规程》中的设计方法，节点接缝承载力高于构件本身，并有1.1倍的承载力放大系数。柱身尺寸为500mm×500mm，单根预制柱重量约为5吨，所有节点均选用同一型号的螺栓连接件器及锚固螺栓，方便预制构件厂施工，见图2典型预制柱脚连接节点图。
图2 典型预制柱脚节点图
同时，采用螺栓连接的预制柱在安装阶段无需临时支撑，螺栓拧紧即可抵抗安装阶段荷载。因此设计时需根据安装阶段预制柱自重及风荷载工况，复核预制柱底接缝螺栓的承载力，检查每个螺栓的压剪和拉剪复合受力情况。
2.2 预制水平构件螺栓连接
预制梁柱节点采用佩克螺栓连接技术，参照GB 50010-2010上的要求，柱身节点位置预埋弯折型锚固螺栓，与预制梁端预埋的螺栓连接器连接，抵抗接缝处的弯矩，预制柱上设计混凝土牛腿，抵抗节点处竖向剪力，由于项目为管理用房用处，不宜露出明牛腿，因此主要节点采用混凝土暗牛腿和缺口梁的连接形式。同时为了减少现场湿作业，预制梁设计为全预制梁，与楼板连接处伸出挑耳，与全预制楼板连接，预制框架梁截面尺寸有350mm×700mm、400mm×600mm、500mm×350mm三种截面尺寸，预制梁的最大自重为6.2吨。见图3典型预制梁柱螺栓连接节点图。
图3 典型预制梁柱螺栓连接节点图
不同于预制柱与基础的螺栓连接设计，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，因此在深化过程中会出现预埋螺栓之间相互打架碰撞的问题，本项目框架梁截面尺寸不一样，其中二层某中柱身节点位置，共有3种不同截面的框架梁相连，因此所有节点都用BIM技术调整螺栓的定位，有效避免在节点区打架碰撞的问题，见下图4。
图4 梁柱节点螺栓碰撞检查和现场实际效果
3 主体预制构件生产
3.1 螺栓连接器安装施工
本项目预制构件模板均采用木模，预制柱底螺栓连接器安装流程为：第一步根据图纸定位，提前在柱端模板上开孔，通过临时螺栓固定螺栓连接器；第二步将螺栓连接器整体插入到提前绑扎的柱身钢筋骨架，微调箍筋位置；第三步利用木模加工简易的连接器手孔成型器并且安装固定；最后合模浇筑预制柱，如图5所示。
图5 预制柱螺栓连接器浇筑前后
预制梁端的螺栓连接器安装流程类似预制柱，本项目的预制梁端均为缺口梁形式，上下层螺栓连接器不在同一立面，而且绝大部分框架梁设计了抗扭腰筋，因此螺栓连接器一共为三层。佩克提供了部分标准的手孔成型盒，减少了构件浇筑前的准备工作，提升了预制效率，如图6所示。
图6 预制梁螺栓连接器浇筑前后
3.2 预埋螺栓安装施工
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，定位板通过木方固定在预制基础的侧模板上；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，此外预制条形基础上的各个螺栓群之间的相对距离也要控制在误差范围内。本项目基础预埋螺栓外露基础面高度为150mm，高度方向误差±20mm，水平方向误差±3mm。
图7 基础预埋螺栓安装
预制梁柱节点的螺栓在预制柱浇筑之前预埋定位，首先根据节点深化图中的定位大致放置，然后通过临时螺杆穿过预埋螺栓的内螺纹套筒固定在模板上，既可以有效的防止混凝土流入至套筒内部，也可精确的定位。螺栓安装完成后，参照节点设计时的BIM三维模型检查所有螺栓的位置及方向，准确后合上预制柱侧膜，浇筑构件，如图8所示。
图8 预制柱身螺栓安装
4 装配式现场施工
4.1 预制构件安装流程
本项目预制构件施工按照以下流程：1，吊装预制条形基础，将后浇区域的钢筋焊接连接后，浇筑后浇区域，形成整体；2，从一侧开始吊装预制柱，提前将基础螺栓的下层螺母和垫片调整至正确水平位置，螺栓拧紧后即可脱钩吊装下一根预制柱，同时后续柱脚灌浆工序插入施工；3，吊装首层预制梁，提前在混凝土牛腿上放置垫板调整梁标高，预制梁吊装就位后，将连接螺杆从连接器反向拧入柱身预埋套筒内，完成连接后脱钩进行后续梁吊装，同时梁柱接缝灌浆工序插入施工；4，完成预制梁的吊装及节点灌浆后开始吊装预制楼板，楼板搭在预制梁伸出的挑耳上，并与锚固板焊接后，最后进行非结构面层的浇筑；5，吊装预制夹心外挂板，挂点设置在预制柱上，通过螺栓连接。6，主体结构完成施工，后续装修工程进场施工。
a 预制基础施工
b 预制柱安装
c 预制梁安装
c 预制梁安装
e 预制外挂板安装
f 主体结构安装完成
图9 管理用房施工现场照片
4.2 螺栓连接节点施工
预制柱与基础的螺栓连接节点接缝是50mm厚，共有8个螺栓连接器及配套的预埋螺栓，正式吊装之前基础外露的螺栓套上螺母垫片，将四个角上的螺母垫片调整至正确的水平高度，每侧中间的螺母垫片调节略低于角部，待预制柱吊装校正就位后拧紧螺母，采用木模板围护倾倒式灌浆封堵，灌浆料为无收缩、高强度，灌浆高度盖过螺栓连接器手孔后即可，操作简单，灌浆质量可控。
预制梁柱节点接缝为20mm厚度，预制梁通过牛腿上的垫板调平完毕后，可在全螺杆上套上两个螺母，穿过螺栓连接器的底板孔，拧入预埋螺纹套筒内部形成连接，最后对整个梁柱节点合模灌浆，整个接缝以及连接器手孔灌满填实。如图10所示。
图10 螺栓连接节点灌浆施工
4.3 连接技术改变建造方式
本项目节点采用刚捷?抗震框架体系后，改变了整个施工建造方式，体现了装配式建筑本应有的效益，具体体现如下：
1. 预制构件安装仅用时12天，共有8名施工工人，大幅度的缩短施工工期，节省了劳动力。
2. 预制柱安装就位后无需临时支撑，螺栓拧紧即可脱钩，单根预制柱安装只需要10分钟，工人2-3名，大幅度节省吊车机械台班。
3. 对比传统装配整体式结构施工，采用螺栓连接技术后，现场湿作业大幅度减少，无需大面积支撑支模，减少了施工的安全隐患，施工现场作业空间大，整洁，如图11所示。
4. 对比套筒灌浆连接技术，采用螺栓连接技术的接缝无需压力灌浆，灌浆密实与否均可通过肉眼观察，质量更易控制，更加可靠。
图11 主体结构施工完成效果
5 其他装配式技术工艺应用
本项目除了主体结构采用佩克集团的螺栓连接技术之外，也应用了其他目前国内预制住宅系统常用的连接技术和施工工艺：预制夹心三明治外挂板的保温拉结件选用佩克的桁架式不锈钢连接系统，参照国标图集16G333，从设计到施工均由佩克的工程师提供支持服务，安装快捷，质量可靠；同时主体结构的所有预制构件选用佩克的起吊系统，设计了多节柱、大型预制挂板等起吊技术方案，确保了整个项目的起吊安全，得到了施工和预制单位的一致认可。如图12所示。
a 预制夹心保温外挂板生产
a 预制夹心保温外挂板生产
图12 其他预制连接技术及起吊系统
6 结语
通过本项目的实施应用，可以为我们建筑行业在预制混凝土框架结构的设计提供新的思路借鉴和应用经验。同时也积累了相应的设计优化改进经验：首先建筑和结构设计时需考虑装配设计及节点设计的要求，本项目在局部位置柱间距较小，该处预制梁的长度只有2260mm，梁两端预埋的螺栓连接器需要特别定制，提高了预制厂施工的难度，因此在建筑和结构设计尽可能的避免短梁，体现框架结构应有的特点；其次如前文所提，部分中柱节点处的梁有三种截面尺寸，会造成同一方向相连的梁不能采用对穿的预埋螺栓形式连接，只能分别锚固在预制柱中，会造成节点预埋复杂，提高施工难度，因此在结构设计时尽量减少梁截面尺寸模数，可以极大的优化节点设计；最后绝大部分框梁的配筋存在抗扭腰筋，按照JGJ1-2014的要求需要伸入节点，因此在结构设计时优化，尽量取消抗扭腰筋或改为构造钢筋，会使节点的螺栓连接设计更加简单，进一步提高施工效率。
参考文献
[1] 佩克HPKM与HPM螺栓连接[EB/OL]:
[2] GB 50010-2010 混凝土结构设计规范 [S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010.
[3] ETA-02/0006. Europe Technical Approval of Short HPM L anchor bolts.
[4] ETA-13/0603. Europe Technical Approval of HPKM Column shoes for connecting column to other concrete structures.
[5] JGJ 1-2014 装配式混凝土结构技术规程 [S].北京：中国建筑工业出版社，2014
[6] GB/T 51231-2016装配式混凝土建筑技术标准 [S].北京：中国建筑工业出版社，2016
[7] 中国建筑标准设计研究院16G333 预制混凝土外墙挂板图集（一） [S].北京：中国计划出版社，2016
[8] 中国建筑标准设计研究院16G1010-1 混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图 [S].北京：中国计划出版社，2016
声明：本站部分文章内容及图片转载于互联网、内容不代表本站观点，如有内容涉及侵权，请您立即联系本站删除。