CN109505360A - Pc构件节点连接结构及其构造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑施工技术领域，提供一种PC构件节点连接结构及其构造方法，所述连接结构包括：第一预制构件、第二预制构件以及高强混凝土构件，第一预制构件上锚固有第一连接件，第二预制构件上锚固有第二连接件，第一连接件和第二连接件错位互锚，高强混凝土构件包覆错位互锚后的第一连接件和第二连接件，并连接第一预制构件和第二预制构件。本发明提供的PC构件节点连接结构及其构造方法，通过采用高强混凝土构件将PC构件连接，且使得PC构件的竖向钢筋实现无接触、非精准连接，从而提高预制装配式混凝土结构构件在设计、生产和施工环节中对定位的容错率，采用高强混凝土能够节约钢筋使用成本，且能达到抗震设计强节点、弱构件的效果。
Description
技术领域
本发明涉及建筑施工技术领域，更具体地，涉及一种PC构件节点连接结构及构造方法。
背景技术
装配式建筑往往以等同现浇的设计理念进行设计和生产混凝土预制件(PrecastConcrete，简称PC构件)，然后将各预制产品通过连接工艺组合起来，像造汽车一样建造房屋，具有设计标准化、生产工厂化、施工装配化、装修一体化和管理信息化等特点。PC构件是装配式建筑的重要组成部分，涵盖了装配式混凝土结构中的预制外墙、预制内墙、预制柱、预制梁、预制楼板、预制楼梯、预制阳台、预制空调板等，是我国建筑工业化发展的重要产物。与传统现浇结构相比，将PC构件进行工厂化生产、装配化施工的建造方式能够起到节能环保、工期缩短、节约人工等作用，同时还能有效地控制建筑物的施工质量，减少工程事故的发生。
然而，目前装配式建筑的PC构件节点大多采用灌浆套筒连接，该连接工艺要求在现场吊装过程中将PC构件连接处的受力钢筋在钢管套筒内对接，然后往套筒内注入灌浆料，最终使各PC构件形成连续受力的整体。灌浆套筒连接对生产和施工的精度要求苛刻，经常需要返工和现场矫正钢筋定位，极大降低了预制装配式混凝土结构体系的设计、生产和施工环节的效率。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种PC构件节点连接结构及其构件方法，用于解决传统的PC构件节点的钢筋锚固过程中需要钢筋精准对接而增加施工难度的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种PC构件节点连接结构，包括：第一预制构件、第二预制构件以及高强混凝土构件，所述第一预制构件上锚固有第一连接件，所述第二预制构件上锚固有第二连接件，所述第一连接件和第二连接件错位互锚，所述高强混凝土构件包覆所述错位互锚后的第一连接件和第二连接件，并连接所述第一预制构件和第二预制构件。
优选地，所述第一连接件和第二连接件均为多个，多个所述第一连接件和第二连接件呈平行状、梅花状、马镫状或交错状排布。
优选地，所述高强混凝土构件的内部设置有钢纤维。
优选地，所述第一连接件与第二连接件错位互锚的间距大于所述钢纤维的长度。
优选地，所述第一连接件与第二连接件均为锚固钢筋，所述第一预制构件和第二预制构件的连接端均为粗糙面，所述粗糙面向内设置有抗剪键槽。
优选地，所述PC构件节点连接结构还包括横向连接件，所述横向连接件垂直搭接在错位锚固后的所述第一连接件和第二连接件上。
根据本发明的第二方面，提供一种PC构件节点连接结构的构造方法，包括：
制作第一预制构件和第二预制构件，并在所述第一预制构件的预设位置锚固第一连接件以及在所述第二预制构件的预设位置锚固第二连接件；
将所述第一预制构件与第二预制构件吊装至预定位置并进行固定，以将所述第一连接件与第二连接件错位互锚；
在待形成高强混凝土构件的区域安装模板，所述第一连接件与第二连接件位于所述模板所围成的空间内；
在所述模板所围成的空间内现浇高强混凝土以将错位互锚的第一连接件和第二连接件包覆，并通过凝固后的高强混凝土构件将所述第一预制构件和第二预制构件连接。
优选地，所述锚固第一连接件的预设位置和所述锚固第二连接件的预设位置均通过预设参数计算得到，所述预设参数包括：错位互锚的保护层厚度、第一预制构件和第二预制构件的端部构造要求以及搭接间距。
优选地，所述第一预制构件与第二预制构件吊装后的预定位置根据第一连接件与第二连接件的搭接长度确定。
(三)有益效果
本发明提供的PC构件节点连接结构及其构造方法，通过采用高强混凝土构件实现PC构件的连接钢筋错位锚固，使得PC构件的竖向钢筋实现无接触、非精准连接，从而提高预制装配式混凝土结构构件在设计、生产和施工环节中对定位的容错率；高强后浇混凝土的高强度、高韧性、自密实和微膨胀等性能使连接节点具有较高的抗震性能和耐久性，从而达到抗震设计强节点、弱构件的效果；并且该节点连接结构能够节约一定的钢筋用量，从而节省构造成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的PC构件节点连接结构的示意图；
图2为本发明实施例的PC构件节点连接结构的内部示意图；
图3为本发明实施例的第一连接件与第二连接件错位互锚的排布示意图；
图4为本发明另一实施例的PC构件节点连接结构的示意图；
图5为本发明实施例的PC构件节点连接结构拉拔试验的结构示意图；
附图标记：
1-第一预制构件； 2-第二预制构件； 3-高强混凝土构件；
4-第一连接件； 5-第二连接件； 6-抗剪键槽；
7-横向连接件； 8-第三预制构件； 9-第三连接件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是焊接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参考图1和图2，本发明实施例提供一种PC构件节点连接结构，包括：第一预制构件1、第二预制构件2以及高强混凝土构件3，第一预制构件1上锚固有第一连接件4，第二预制构件2上锚固有第二连接件5，第一连接件4和第二连接件5错位互锚，高强混凝土构件3包覆错位互锚后的第一连接件4和第二连接件5，高强混凝土构件3充满第一预制构件1和第二预制构件2之间的空间，并将二者固定连接为一个整体。其中，错位互锚相对于传统的锚固方式而言，传统的锚固方式是将两连接件紧靠并通过焊接或者钢丝的形式捆绑为一体且二者有部分长度重合，因此，错位互锚即为第一连接件4与第二连接件5之间部分重合但又存在一定间隔。
具体地，本实施例中的第一预制构件1和第二预制构件2包括但不限于预制剪力墙、预制梁、预制柱、预制板、预制壳、预制杆、预制楼梯以及预制阳台。第一连接件4与第二连接件5采用相同的连接件，一般采用锚固钢筋，且竖向设置在PC构件的连接端，锚固钢筋的型号和数量配比按普通混凝土的设计要求计算得出，当然也可以采用其他如螺纹钢杆或铆钉作为连接件。锚固钢筋的锚固形式可包括直锚、弯锚、焊端锚板、螺栓锚头或者贴焊，可通过改变高强混凝土中的钢筋锚固形式来增强锚固钢筋与高强混凝土的结合力，提高节点的力学性能。
第一预制构件1与第二预制构件2之间的节点在连接时，其锚固有第一连接件4和第二连接件5的连接端相对设置，第一连接件4与第二连接件5为错位互锚，其中，第一连接件4和第二连接件5错位互锚的长度可根据现行的装配式混凝土建筑设计要求计算得出，具体相比于目前的普通混凝土锚固钢筋的搭接长度要短，目前可行的最小搭接长度可以到5d，而普通混凝土构件连接时，其搭接长度至少需要30d以上，其中d为锚固钢筋的直径，从而可节省钢筋成本。
由于第一连接件4与第二连接件5为错位互锚，因此，需要通过采用高强混凝土形成的高强混凝土构件3对第一预制构件1和第二预制构件2进行连接，以满足整个结构的承载力设计要求。此外，在填充高强混凝土时可添加适量的钢纤维，高强混凝土凝固成型后钢纤维固定在高强混凝土构件3中，以增强高无接触连接件的传力性能。第一连接件4与第二连接件5的间距大于高强混凝土骨料的最大长度，一般为钢纤维的长度，保证高强混凝土充分填充到第一连接件4和第二连接件5之间的间隙，便于高强混凝土构件的制作。并且，为了增强抗疲劳性能，可以在第一连接件4和第二连接件5之间搭设横向连接件7，横向连接件7为横向设置的钢筋，横向连接件7与第一连接件4和第二连接件5均垂直设置。
高强混凝土包括活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)、高性能混凝土(High Performance Concrete，简称HPC)、超高性能混凝土(Ultra-HighPerformance Concrete，简称UHPC)以及工程纤维增强水泥基复合材料(EngineeredCementitious Composite,简称ECC)等。本实施例中采用RPC，RPC具有很高的抗压强度和抗剪强度，在结构设计中可以采用更薄的截面或具有创新性的截面形状，从而使结构自重比普通混凝土结构轻得多，而且可以大幅度提高结构物的耐久性。
高强混凝土在填充时，为了使模板内部的高强混凝土填充的更加充实，可在模板顶部高于预制构件的抗剪键槽的导流槽，持续向导流槽中灌入RPC，直至连接节点的模板空腔基本被填实后，再将封口条从导流槽顶部往下推入，最终使RPC塞满整个节点空腔。
上述PC构件节点的连接结构中，采用无接触连接钢筋错位互锚，并通过高强混凝土构件锚固连接钢筋的方式，能够实现PC构件之间锚固钢筋的无接触传力，进而实现高强混凝土的连续传力。
上述实施例提供的PC构件节点连接结构，通过采用高强混凝土构件实现PC构件的连接钢筋错位锚固，使得PC构件的竖向钢筋实现无接触、非精准连接，从而提高预制装配式混凝土结构构件在设计、生产和施工环节中对定位的容错率；高强后浇混凝土的高强度、高韧性、自密实和微膨胀等性能使连接节点具有较高的抗震性能和耐久性，从而达到抗震设计强节点、弱构件的效果；并且该节点连接结构能够节约一定的钢筋用量，从而节省构造成本。
在上述实施例的基础上，参考图3，根据设计需求，第一连接件4与第二连接件5一般需要多个，第一连接件4和第二连接件5的锚固方式可以有多种，以第一连接件4和第二连接件5搭接处的截面为例进行说明，具体包括如图3-a中的马蹄状、如图3-b中的平形状、如图3-c中的梅花状以及如图3-d中的交错状，当然其排布形式也并不局限于此。对应地，横向连接件7也为多个，一个横向连接件7可将多个第一连接件4和第二连接件5串起，必要时可形成环形钢筋箍圈，从而增大节点连接结构的抗疲劳性能。
在上述各实施例的基础上，根据设计需求，为了进一步增加整个节点连接结构的抗剪能力，在第一预制构件1和第二预制构件2的连接端均设置有抗剪键槽6，高强混凝土在浇灌时可填充至抗剪键槽6的内部，从而增大第一预制构件1以及第二预制构件2与高强混凝土构件3之间的剪切力。另外，也可以在第一预制构件1和第二预制构件2的连接端均设置粗糙面，抗剪键槽6由该粗糙面向内凹陷形成，利用粗糙面能够增加高强混凝土构件3与第一预制构件1和第二预制构件2的结合力，提高整个节点连接结构的抗剪能力。
在上述各实施例的基础上，参考图4所示，本发明实施例还提供另一种PC构件节点连接结构，还包括第三预制构件8，第三预制构件8垂直于第一预制构件1和第二预制构件2，从而形成柱与柱之间连接梁或者在剪力墙与剪力墙之间连接板。具体地，可将上述实施例中的第一预制构件1和第二预制构件2看作是预制剪力墙或预制柱，将第三预制构件8看作是预制梁或者预制板，第三预制构件8上锚固有第三连接件9，且第三连接件9垂直穿插在错位互锚后的第一连接件4和第二连接件5中，并且通过高强混凝土构件将第三连接件也一并包覆在其中，从而形成节点位置的构件连接。其中，第三预制构件8的连接端也同样可以设置为粗糙面，以增加高强混凝土构件3与第三预制构件8的结合力，提高整个节点连接结构的抗剪能力。
本发明实施例还提供一种PC构件节点连接结构的构造方法，包括：
首先，将锚固有第一连接件4的第一预制构件1与锚固有第二连接件5的第二预制构件2吊装至预定位置并进行固定，所述预定位置为将第一连接件4与第二连接件5错位互锚的位置。
其中，第一预制构件1和第二预制构件2可以预先在厂房内制作，在制作PC构件前需要通过计算和试验确定第一连接件4和第二连接件5的锚固位置，在第一预制构件1的预设位置锚固第一连接件4，在第二预制构件2的预设位置锚固第二连接件5。
然后，在待形成高强混凝土构件3的区域安装模板，第一连接件4与第二连接件5位于模板所围成的空间内。其中，待形成高强混凝土构件3的区域也就是将第一预制构件1和第二预制构件2锚固连接的区域，该区域包括所有的第一连接件4与第二连接件5的错位锚固钢筋，并且以满足建筑设计要求为前提。一般地，高强混凝土构件3的两端分别与第一预制构件1和第二预制构件2的端部完全对接。
最后，在模板所围成的空间内现浇高强混凝土以将错位互锚的第一连接件4和第二连接件5包覆，并通过凝固后的高强混凝土构件3将所述第一预制构件1和第二预制构件2连接。
具体地，第一连接件4和第二连接件5以锚固钢筋为例进行说明，在制作第一预制构件1和第二预制构件2时，需要通过一定的计算以使最终的PC构件节点连接结构满足传力要求，其中，锚固第一连接件4的预设位置和锚固第二连接件5的预设位置均通过预设参数计算得到，预设参数至少包括：错位互锚的保护层厚度、构件的端部构造要求以及锚固钢筋的搭接间距；其中，钢筋保护层厚度决定了锚固钢筋与PC构件边界的距离，构件的端部构造要求决定了锚固钢筋的数量以及受剪承载力要求。
进一步地，无接触锚固钢筋搭接节点处钢筋的最小保护层厚度应不小于纵向受力钢筋公称直径的1/2，同时还需满足表1要求。表1中数据为设计使用年限为50年的PC构件节点，对于设计使用年限为100年的PC构件节点，最外层钢筋的保护层厚度需乘以不小于1.4的安全系数。
表1钢筋的最小保护层厚度与使用环境的对应关系
| 环境类别 | 板、墙、壳(单位：mm) | 梁、柱、杆(单位：mm) |
| 一 | 10 | 15 |
| 二a | 10 | 15 |
| 二b | 15 | 20 |
| 三 | 20 | 25 |
| 四 | 25 | 30 |
其中，一为室内正常环境，二a为室内潮湿环境，还包括非严寒和非寒冷地区的露天环境以及无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境；二b为严寒和寒冷地区的露天环境以及无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境；三为使用除冰盐的环境、严寒和寒冷地区冬季水位变动的环境以及滨海室外环境；四为海水环境。
PC构件(预制剪力墙、预制梁、预制柱、预制板、预制壳、预制杆、预制楼梯、预制阳台等)节点连接钢筋错位互锚的端部构造，首先需要满足接缝的受剪承载力要求：γ0Vjd≤Vu(持久设计状况)；VjdE≤VuE/γRE(地震设计状况)；ηjVmua≤VuE(在梁、柱端部箍筋加密区及剪力墙底部加强部位)；其中，γ0为结构重要性系数，安全等级为一级时不应小于1.1，安全等级为二级时不应小于1.0；Vjd为持久设计状态下接缝剪力设计值；VjdE为地震设计状态下接缝剪力设计值；Vu为持久设计状态下梁端、柱端、剪力墙底部接缝受剪承载力设计值；VuE为地震设计状态下梁端、柱端、剪力墙底部接缝受剪承载力设计值；Vmua为被连接构件端部按实配钢筋面积计算的斜截面受剪承载力设计值；ηj为接缝受剪承载力增大系数，抗震等级为一、二级取1.2，抗震等级为三、四级取1.1。
此外，第一连接件4与第二连接件5错位锚固的间距需要大于钢纤维的长度，以保证高强混凝土充分填充到第一连接件4和第二连接件5之间的间隙，便于高强混凝土构件的制作。
在上述实施例的基础上，第一预制构件与第二预制构件吊装后的预定位置根据各自锚固钢筋的搭接长度以及间距确定，锚固钢筋的搭接长度可通过理论计算和拉拔试验分析确定。本专利通过拉拔试验分析和理论计算得到PC构件节点连接钢筋错位互锚设计方法。
如图5所示，首先取钢筋错位互锚的局部构造在万能试验机上进行钢筋锚固拉拔试验，传力钢筋之间没有直接接触，而是按错位排布并且保持一定间距，依靠高强混凝土的高强度、高密实度完成钢筋的锚固和传力。进一步的，通过测试不同埋置深度、箍筋间距、纵筋数量、保护层厚度的试件，分析该新型连接方式锚固强度的影响因子，如表2所示，其中Fu为极限拉拔力,τu为相应的极限粘结应力，Fts为RPC劈裂抗拉强度。
以锚固钢筋搭接错位互锚长度、钢筋间距作为试验参数进行分析研究得到相应的计算方法。极限粘接强度计算公式如下：
其中：τu-极限粘结强度(MPa)；Fu-极限拉拔力(KN)；d-钢筋直径(mm)；l-粘结长度(mm)。
表2拉拔试验测试结果
本实施例在搭接的纵向锚固钢筋的垂直方向上放置横向钢筋时，错位互锚纵向钢筋的粘结强度的计算可考虑以下公式：
其中，τu为错位互锚纵向钢筋的极限粘结强度；fc为混凝土抗压强度；c为钢筋保护层厚度和钢筋间距的较小值；d为钢筋直径；L为钢筋锚入PC构件的深度；Ast为横向钢筋面积；n为横向钢筋数量；为横向钢筋的配筋率。
由试验结果分析可知，保护层厚度不小于25mm，锚固长度不小于5d，破坏形式均为钢筋屈服拉断，而非因保护层不够发生劈裂破坏；综合考虑各参数数据，取平均粘结应力为25MPa，HRB400钢筋极限抗拉强度为600MPa，计算得出极限锚固长度l/d＝6。保护层不小于25mm，锚固长度不小于6d，能满足钢筋的锚固强度要求。
本发明的节点连接钢筋错位互锚的安全性除了需要进行纵向拉拔、抗弯等静力试验来验证，还需要研究地震往复荷载下复杂节点的抗震耗能能力。本示例首先对PC梁-柱节点进行低周反复荷载下的抗震试验模拟，分析该节点连接形式的抗震性能。该节点上下柱的纵筋贯通，梁纵筋采用错位互锚连接，纵筋锚入节点区域的长度为10d，节点核心区现浇高性能混凝土，对两端施加反对称的低周反复荷载，通过钢筋与混凝土的应力云图和滞回曲线可以看出，该节点形式表现出较好的承载力和延性，位移-荷载滞回曲线较为饱和。由于高性能混凝土的高强度、高韧性和稳定性，PC梁-柱节点的钢筋应力的地震损伤较小，破坏时钢筋屈服主要发生在预制梁内，实现了抗震设计的强节点、弱构件目标。
进一步的，对PC剪力墙节点连接钢筋错位互锚进行低周反复荷载下的抗震试验模拟，分析该节点连接形式的抗震性能。剪力墙的轴压比设置为0.2，水平方向采用位移控制的低周反复加载制度加载，通过有限元分析结果可以看出，该剪力墙连接节点底部错位互锚钢筋屈服明显，钢筋传力性能稳定，滞回曲线较为饱满，表现出良好的耗能能力和延性，具有较好的抗震性能。
上述实施例提供的PC构件节点连接结构的构造方法，通过高强混凝土构件将PC构件连接，从而实现PC构件的锚固钢筋的错位互锚，进而减少了PC构件节点对钢筋对接的精度要求，同时其适用范围也更广；并且该方法构造的节点连接结构能够节约一定的钢筋用量，从而节省构造成本；同时具有良好的承载力和抗震性能，满足结构的安全使用和耐久性要求，且连接形式较为简单，容错率较大，加快了施工周期、降低了施工难度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种PC构件节点连接结构，其特征在于，包括：第一预制构件、第二预制构件以及高强混凝土构件，所述第一预制构件上锚固有第一连接件，所述第二预制构件上锚固有第二连接件，所述第一连接件和第二连接件错位互锚，所述高强混凝土构件包覆所述错位互锚后的第一连接件和第二连接件，并连接所述第一预制构件和第二预制构件。
2.根据权利要求1所述的PC构件节点连接结构，其特征在于，所述第一连接件和第二连接件均为多个，多个所述第一连接件和多个第二连接件呈平行状、梅花状、马镫状或交错状排布。
3.根据权利要求1所述的PC构件节点连接结构，其特征在于，所述高强混凝土构件的内部设置有钢纤维。
4.根据权利要求3所述的PC构件节点连接结构，其特征在于，所述第一连接件与第二连接件错位互锚的间距大于所述钢纤维的长度。
5.根据权利要求1所述的PC构件节点连接结构，其特征在于，所述第一连接件与第二连接件均为锚固钢筋，所述第一预制构件和第二预制构件的连接端均为粗糙面，所述粗糙面向内设置有抗剪键槽。
6.根据权利要求1所述的PC构件节点连接结构，其特征在于，还包括横向连接件，所述横向连接件与错位锚固后的所述第一连接件和第二连接件垂直搭接。
7.根据权利要求1至6中任一所述的PC构件节点连接结构，其特征在于，还包括第三预制构件，所述第三预制构件上锚固有第三连接件，所述第三预制构件垂直于所述第一预制构件和第二预制构件，且所述第三连接件垂直穿插在错位互锚后的第一连接件和第二连接件中，所述第三连接件被包覆在所述高强混凝土构件中。
8.一种PC构件节点连接结构的构造方法，其特征在于，包括：
将锚固有第一连接件的第一预制构件与锚固有第二连接件的第二预制构件吊装至预定位置并固定，所述预定位置将所述第一连接件与第二连接件错位互锚；
在待形成高强混凝土构件的区域安装模板，所述第一连接件与第二连接件位于所述模板所围成的空间内；
在所述模板所围成的空间内现浇高强混凝土以将错位互锚的第一连接件和第二连接件包覆，并通过凝固后的高强混凝土构件将所述第一预制构件和第二预制构件连接。
9.根据权利要求8所述的PC构件节点连接结构的构造方法，其特征在于，所述锚固第一连接件的预设位置和所述锚固第二连接件的预设位置均通过预设参数计算得到，所述预设参数包括：错位互锚的保护层厚度、第一预制构件和第二预制构件的端部构造要求以及搭接间距。
10.根据权利要求8所述的PC构件节点连接结构的构造方法，其特征在于，所述第一预制构件与第二预制构件吊装后的预定位置根据第一连接件与第二连接件的错位锚固长度以及间距确定。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113152692A (zh) * | 2021-04-27 | 2021-07-23 | 中国建筑第五工程局有限公司 | 一种装配式非接触搭接墩锚式节点连接构造 |
| CN114856030A (zh) * | 2022-06-08 | 2022-08-05 | 青岛中科坤泰装配建筑科技有限公司 | 一种预制侧墙板与预制板的连接节点 |
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| CN108331158A (zh) * | 2018-01-25 | 2018-07-27 | 浙江大学建筑设计研究院有限公司 | 一种预制钢筋混凝土梁柱的现场连接方法 |
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2019
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