美国对装配式混凝土结构的开发与研究较早,其中最为著名的研究工作是20世纪90年代与日本联合开展的预制抗震结构体系(Precast Seismic Structural Systems,PRESSS)研发项目。另外,美国率先将预应力技术引入到预制混凝土结构中,即在装配式混凝土结构中采用预制预应力构件或通过后张预应力技术将预制构件拼接成整体。在美国整个研发历史进程中,预制/预应力混凝土协会(Precast/Prestressed Concrete Institute,PCI)起到了重要的引领与推动作用,其出版发行的PCI Design Handbook目前已更新至第7版,详细规定了预制/预应力混凝土结构的应用范围、设计与分析以及构件、节点的设计与施工等重要方面的要求,对装配式混凝土结构的科研工作与工程应用均具有重要的指导意义和参考价值。
对于装配整体式混凝土结构,美国Joint ACI-ASCE Committee 550发布了报告Guide to Emulating Cast-in-Place Detailing for Seismic Design of Precast Concrete Structures,对装配整体式剪力墙结构与框架结构的关键连接节点做法做出了详细规定。
1)装配整体式剪力墙结构推荐连接构造
对于上、下层预制剪力墙板间的水平连接,其典型做法可见图1-9,并根据剪力墙竖向钢筋的连接方式,分为钢筋搭接连接、钢筋机械连接与钢筋套筒灌浆连接。按照图1-9所示连接方式,混凝土压力的连续传递通过预制墙板底部灌浆料实现,钢筋则通过搭接、机械连接或套筒灌浆连接保证钢筋拉、压力的有效传递,同时,通过接头周围灌注灌浆料或套筒直接预埋从而有效锚固于预制墙板内。其中,钢筋搭接连接与钢筋机械连接需要提供较大、较长的孔道,以便提供足够的搭接长度或灌浆料填充空间;与其他两种连接方式相比,钢筋套筒灌浆连接的套筒则截面较小且长度有限,但同时,特别强调钢套筒应采用专门设计并经过规范认可的产品,且应采用高强度、低收缩灌浆料。
图1-9 美国推荐预制剪力墙板水平连接做法
需要说明的是,当用于剪力墙结构底部预制剪力墙与现浇基础的连接或钢筋可能发生屈服的底部加强部位与其他层墙板间连接时,无论采用哪种形式的连接方式,钢筋接头均应达到ACI 318所规定的“Type 2”机械连接性能,即钢筋接头应既能受拉,又能受压,且应至少能发挥1.25倍钢筋拉、压屈服强度。
对于同层预制剪力墙间竖向连接,一般采用现浇混凝土实现整体连接,其典型做法见图1-10,钢筋在现浇区域内进行机械连接、焊接连接或有条件的搭接连接,同时,现浇区域构造连接形式见图1-10中(a)、(b)、(c)。其中,(a)适用于对墙体外观无要求的情况,如墙体不外露的电梯井筒的墙体;(b)适用于对墙体外观有专门要求的情况,如建筑结构外墙;(c)适用于与梁连接处且对墙体外观有专门要求的情况。
图1-10 美国推荐预制剪力墙板竖向连接做法
同时,给出了部位现浇混凝土模板支设方案,对于(a)需要在墙体内、外侧支模,而(b)、(c)可利用墙体外侧预制薄壁作为外模板,仅需在内侧支设单侧模板,模板可通过预埋件固定在预制墙板上,另外,预制薄壁间拼缝应做好防水构造处理。
对于预制墙板与预制楼板之间的连接,按照强连接原则,即要求连接在地震作用过程中始终保持弹性,根据预制楼板形式(全预制板、预制叠合板或预制空心板等)、安装工艺(上层预制墙板安装与现浇混凝土浇筑的先后顺序)、连接节点内楼板底部钢筋贯通情况(不贯通或以斜向钢筋方式穿过节点并锚入另一侧楼板现浇区域内)以及连接位置等,报告给出了如图1-11所示的多种连接方式。(www.daowen.com)
图1-11 美国推荐预制剪力墙板与预制楼板连接做法
2)装配整体式框架结构推荐连接构造
对于装配整体式框架结构,一般将构件连接节点设置在受力(尤其是弯矩)较小的部位。因此,框架柱、梁一般均在其反弯点处断开预制,节点与梁、柱整体预制,构件形式常见的有L形、T形、十字形、H形等,预制构件划分示例见图1-12。预制柱之间采用钢筋套筒灌浆连接,预制梁之间采用现浇混凝土连接,在现浇区域内梁钢筋通过机械连接、搭接连接、对接焊接或焊接钢板螺栓连接,见图1-13。
图1-12 美国推荐装配式框架结构构件划分示例
图1-13 预制梁之间的连接构造
考虑到构件预制、运输及安装的便利性,也可采用直线形预制构件,相应连接构造见图1-14。节点或与框架梁整体预制,预制梁在节点部位预埋孔道,便于框架柱竖向钢筋穿越,框架柱则在柱根部通过套筒灌浆连接,见图1-14(a);或采用现浇混凝土,此时框架梁采用叠合构件,底部钢筋伸出并锚入节点内,框架柱同样在柱根部通过套筒灌浆连接,柱头可增设预制牛腿,便于预制梁的临时安装与固定,见图1-14(b)。
图1-14 美国推荐直线形预制框架柱、梁连接构造
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