预先浇筑混凝土构件的连接与施工(1)

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一、预先浇筑混凝土构件的连接

图1~10和图15显示一些常用的预先浇筑混凝土结构连接详图。螺栓连接、焊接、灌浆等都是常常用在这些连接上。常常可以后张法连接，在支撑点产生连续梁作用（图4）。不需要面层覆盖的裸露金属连接件通常用硅酸盐水泥砂浆干裹（砂浆是黏稠的，但是不十分干），在连接之后，起到防火和防腐作用。

预先浇筑混凝土结构最简单的连接是那些依赖重力放置在另外一个构件上的构件，把混凝土板构件搁置在承重墙或梁上，以及把梁搁置在柱子的牛腿上就是这么做的。柱子到基脚，或柱子到柱子连接通常是灌浆，允许截面之间全部接触支撑（图1~3）。带有混凝土板的承重墙连接有着类似的方式（图15）。采用跨度构件，通常要在接触点插入支撑垫。这些支撑垫有助于避免混凝土对混凝土接触，引起节点高应力的摩擦（图4~8），也允许由于构件的结构变形膨胀和收缩引起的移动。对于实心和空心混凝土板，这些垫子是长条状的高密度塑料件。在较高的点支承构件下，例如T形梁和梁，是采用合成橡胶的垫子。为了抵抗地震和风荷载，必须把这些简单节点里的构件挨个绑到一起。常常在支撑上方用钢筋连接混凝土板构件，并且浇筑面层，如果没有面层，就要在混凝土板之间采用灌浆键（图6~10）。单T梁和双T梁可能要多加一层连接，即插入一块钢板，把在工厂里就已经埋在构件里的钢板焊接到一起（图6~8）。从来不把单T和双T梁的茎（较低部分），以及梁的底部焊接到支撑上，以便混凝土构件在荷载下变形时自由抬起，在支撑垫上移动。

（一）混凝土紧固

当混凝土骨架完成后，需要把许多东西紧固到它上面，包括外墙板和面层；内部分隔墙；管子、管道和电气穿线管的悬挂装置；悬挂天花；楼梯栏杆；橱柜；以及机械装置。详图A中的A-H是浇筑进混凝土里的紧固系统的例子。A是类似于锚栓。B是焊接到弯曲杆子或带状锚栓上的钢板；这块焊接板，或嵌入板提供一个可以焊接钢材部件的表面。在C里的角钢焊有螺栓，可以用螺母固定上另外一个部件。D是一个钉到骨架上的，二个耳插入槽里的可以调节的铸铁插件。把特殊的螺母旋进去，并且卡在槽里，从下面穿进去一根螺栓或螺杆。在第20章，石材干挂角钢附件详图中，显示出这种类型的插件的细微差别。E和F是二种不同的浇筑进混凝土里的螺纹插件设计。在G里的薄钢板燕尾槽是采用特殊的锚栓拉带把石材面层绑到现场浇筑混凝土骨架或墙上。H是简单的浇筑进混凝土里的楔形榫头木材钉钉条板，风险是木材可能吸水、膨胀，引起混凝土开裂，或干收缩，并且变得松散。A~F是可以获得足够能力锚固重的建筑部件和机器的重型装置。

图A

详图A中的I~P描述的是插进凝固混凝土孔里的紧固装置。I显示了采用灌浆、灌铅，或环氧树脂，把钢制栓钉锚进混凝土板大孔里；详图A也是采用紧固到混凝土上的螺栓，如果正确设计和安装，就能承受重荷载。J是塑料套筒，K是木材或纤维塞，L是铅套管，所有这三种都是插进钻孔里，并且当把螺纹旋进里面时，膨胀抓紧孔的侧面。M是简单形式的金属套筒，但是驱动特殊的钉子后膨胀套筒。N是带有钢材套筒的，在内部末端上有锥形钎尾的特殊螺栓。当把螺栓驱动进孔里时，并且当螺栓收紧时膨胀，套筒就卡在混凝土上。O是特殊的螺纹，并且P是特殊的钉子，二种设计都是当插进混凝土直径钻孔时，紧紧握紧。除了L和N之外，J~P是轻到中等荷载紧固，能够承载相对重的荷载。

Q和R是驱动锚栓。Q是熟悉的混凝土钉子，或石材钉子，采用硬化钢材制造。如果用重锤击打几次，或用钉枪射入穿过木条，它将穿透混凝土，正好为钉板提供一些抗剪力，但实际上，如果击打太多次，它就会有松动倾向。在R里显示了三个火药驱动例子（常常称为火药）紧固件，通过火药爆炸来驱动进钢材或混凝土。第一种紧固件是用来把木材或薄钢板固定到墙上或混凝土板上的简单钉子。中间这个是拧螺母的螺纹。右边的紧固件上有可以穿线的孔眼，例如用来吊挂固定天花。火药驱动紧固件是快速安装，经济，并且有着适度的高承载能力。

那些典型的多孔金属板装置是采用密封胶牢固贴到混凝土或石材表面。这儿显示的紧固件是把泡沫塑料保温板和薄金属板钉到一起。把长钉穿过保温板的表面，弯过来固定就位。

图1

预先浇筑混凝土柱子简单的基本详图。四颗从现场浇筑基础的顶部突出来的锚栓。把螺母和垫子放在这些临时支撑柱子的螺栓上。在焊接到基板上的插筋周围浇筑柱子，用起重机下降它。工人引导柱子，让锚栓穿过基板上的孔。把垫片和螺母拧到基板顶部的螺栓上。采用八个螺母来调节柱子的高度，并确保它垂直。当已经完成这些工作，就紧固螺母，并用填硬砂浆干裹住下面的基板。

在一些案例里，预先浇筑混凝土板构件，特别是实心板，需要在中跨用支柱临时支撑，帮助支撑面层重量，直到面层完全凝固。在凝固之后，面层变成混凝土板，并且增加了强度和刚度。为了施工经济，平滑的面层预先浇筑混凝土板构件有时不用浇筑面层特别是屋顶，在哪儿构件之间的任何不平都会有刚性热保温材料来找平。采用垫子和地毯装修的楼面，以及车库也可能采用无面层混凝土板。无面层混凝土板需要特殊的，不依赖放置在面层里的钢筋的连接详图（图6和8）。

可以在现场采用后张法，把大型预先浇筑构件连接的足够大。这么做是把预先浇筑混凝土箱形截面组装的很长，很深的桥梁大梁（图11和12），以及生产多层建筑物的层高预先浇筑混凝土板的大剪力墙。在任何一个案例里，在浇筑管道之前，都要在部件里精确的放置后张钢筋，当在现场组装部件时，它们要端部到端部完美配对。在组装之后，把后张钢筋插进管道，在大梁案例里，水平放置钢筋，在剪力墙案例里，垂直放置钢筋，采用手提式液压千斤顶后张钢筋，如果需要，然后灌浆。

图2

把柱子放在柱基础上，以及柱子到柱子连接，二种可选择方法的类似详图。以合适的高度支撑上方柱子部分，直到砂浆凝固的金属垫。在柱子对齐，并且用螺栓连接住之后，开口拐角采用硬砂浆干裹；这是对连接的金属部件的防火和防腐保护。

这个领域的预先浇筑混凝土技术的节点设计是正在快速发展。历史上，由于认为在地震荷载下，预先浇筑混凝土建筑物的性能没有把握，所以把这种结构形式的施工限制在一些高地震风险地区之外。最近，由于预先浇筑混凝土构件节点的创新，已经导致在地震发生时，连接系统能够更加快速地吸收传递到结构里的能量。允许结构弹性响应地震位移的无束缚后张钢筋，采用高强度预应力低碳钢筋的柔性混合节点连接，允许控制构件之间位移的未灌浆或“开式”节点系统，吸收地震能量的限制骨架位移的节点摩擦减震器等，并且其他技术也已经开始投入使用，或正在开发中。

其它的开发努力都集中在改进连接预先浇筑构件的易用性和经济性上。每年都有新发明的连接系统专利，并且当加固技术、灌浆，以及胶的进一步发展后，都额外简化和改善了许多预先浇筑混凝土骨架详图。

图3

这个柱子到柱子的连接采用了专门的套筒，从上方柱子部件的底端进行浇筑。在部件组装之前（上左），上方柱子部件垂直钢筋的底端位于每个套筒高度的中间位置。开始组装柱子部件前，在下面部件的顶部中心放置一摞钢垫片。这些垫片是用来调节柱子的高度，以保证二个部件之间的灌浆间隙。

在下二张图中，已经把上层部件的底端组装到了下面那个部件上。把从下面柱子部件突出的钢筋插入套筒里。在上面的柱子部件精确的垫好垫片，达到正确高度，使其垂直之后，把液态砂浆灌进每个套筒里，砂浆凝固并连接住钢筋。用硬砂浆干裹住柱子端部之间缝隙。填满砂浆的套筒达到了它们连接的钢筋的最大强度。

图4

从一根梁的顶部的凹槽里穿过钢筋，穿过柱子，到达另外一根梁的顶部的凹槽，可以产生后张的结构连续梁-柱连接。把钢筋锚固到一个凹槽里的板上，然后用另外一个凹槽里的千斤顶张紧。

图5

用垂直钢筋把支撑在梁上的带有面层的空心屋顶混凝土板连接到柱子上。类似的连接可以用于搁在牛腿上的楼面梁。

图6

在这个骨架系统里，梁是搁在完整浇筑柱子的混凝土牛腿上。无面层磨平空心混凝土板详图。（a）把焊接板浇筑进柱子里。（b）把梁放置到牛腿支撑垫上。在端部把焊接板浇筑进每个梁的面层里。（c）把角钢短腿焊接到连接梁到柱子的板上。把平滑面层的空心预先浇筑混凝板放置在每个梁顶部的支撑垫上。在二块板之间的间隙里灌浆，一直灌到从梁的顶部突出的环筋，把钢筋插进环筋里，并且从侧面把钢筋插进二块板之间的键槽里灌浆。这就装配出紧密连接的，支撑着无面层预先浇筑混凝土楼面和屋顶。

图7

在这个详图里，浇筑支撑在倒T梁上的双T楼面混凝土板面层。把钢筋穿过浇筑进柱子里的空心管子来连接梁和柱子。现场浇筑面层，把所有部件绑扎在一起，并得到平滑的水平表面。

图8

采用无面层双T板的最低净空，最低成本的车库楼面系统。因为T形茎是挑出来，所以不需要让梁比T形茎深。

图9

浇筑面层的双T混凝土板的截面。

图10

浇筑面层的空心混凝土板横截面。

图11

在北卡罗莱纳州，Linn Cover Viaduct，正在施工短的预先浇筑部件，就位后预应力到一起，形成连续的箱形大梁。右侧正在用起重机精确安装部件。最大净跨度是55m。

图12

Linn Cove Viaduct 尽可能少的采用破坏自然景观的临时支柱支撑来修建。在施工期间，采用长距离吊杆起吊预先浇筑空心箱体部件，形成大梁。箱形轮廓非常好的抵抗梁弯曲时产生的扭转力。

图13

在精致的预先浇筑混凝土系统里，预先浇筑混凝土构件是充当现场浇筑混凝土的骨架。在这张照片里，已经安装起来预先浇筑单元精致的混凝土板和梁系统，并且在这个过程中放置钢筋。稍后，将在骨架的顶部现场浇筑混凝土面层。

一旦完成施工这个系统，预先浇筑单元和现场浇筑混凝土就作为统一的结构系统一道工作：在预先浇筑单元里的预应力钢筋提供了底部加固。在现场增加的顶部钢筋是按照传统方式加固。把轻质钢筋托梁浇筑进预先浇筑单元里，只是保持部分外露，将系统的预先浇筑和现场浇筑混凝土部分混合形成一个直接的结构联系，这将类似于结构钢复合施工中的剪力钉，会产生复合结构作用。也要注意这张照片中，从左下方往右上方走向的浅混凝土板槽形状。

（二）混合预先浇筑/现场浇筑混凝土施工

在精致的预先浇筑混凝土系统里，比传统钢筋混凝土或预应力混凝土细瘦的预先浇筑构件是作为现场浇筑梁和混凝土板的骨架使用。一旦完成这个过程，在现场浇筑混凝土和预先浇筑单元之间就形成复合结构作用，导致形成统一的有效的结构系统。与传统现场浇筑混凝土施工相比，作为最终系统的一部分，预先浇筑单元骨架成本比较便宜（图13）。

二、预先浇筑混凝土骨架施工过程

预先浇筑混凝土骨架施工过程是恰好类似钢材骨架。把建筑结构图交给预先浇筑工厂，工厂里的工程师和员工准备制造图，制造图要显示每个构件的所有尺寸和详图，以及如何将它们连接起来。由结构工程师和建筑师来评审这些代表他们设计意图信息的图纸，以及必要的修改。然后进入预先浇筑部件生产过程，开始施工所需要的任何特殊模具，编织钢筋网，然后按照先前描述的流程，进入浇筑、凝固和仓储等循环。在完工的构件上标记上它们在建筑物里的位置，按照要求运送到施工现场，在根据预先浇筑工厂准备的安装图纸，用吊车就位。

三、预先浇筑混凝土和建筑规范

预先浇筑混凝土建筑骨架和承重墙板耐火等级取决于它们是采用结构轻质混凝土制造，还是正常混凝土制造，以及保护预应力钢筋和钢筋的混凝土覆盖量。类型I和II建筑部件要求的耐火小时。当建筑师或结构工程师确定了结构类型，预先浇筑者就可以帮助确定建筑物每个部件可以获得的耐火等级。混凝土板构件可以轻松获得1~2小时耐火等级，梁和柱耐火等级范围从1到4小时。可以通过增加面层，或通过增加要求面层的厚度，来增加预先浇筑混凝土板构件的耐火等级。通过这种方式，实心和空心混凝土板可以获得高达3小时的耐火等级。为了获得高于2小时的耐火等级，单T和双T板需要增加防火处理材料，或在其下方设置吊顶天花防火保护。