叶 睿
(四川省财政投资评审中心,四川 成都 610000)
装配式建筑为一种新型的建筑结构,与传统建筑结构相比具有快速、高效、环保的优点,目前正推广应用。装配式建筑结构的连接节点是连接不同构件和部件的关键部分,其设计和施工工艺直接影响建筑的安全性和可靠性。因此,改进装配式建筑连接节点的设计和施工工艺对于提高建筑的质量和可靠性至关重要。
1 装配式建筑节点连接方式分析
通过调研和分析现有的装配式建筑连接节点设计和施工工艺,发现还存在着部分问题和不足。其中一些连接节点的强度和稳定性不够,容易出现开裂和变形等问题。此外,一些连接节点的设计和施工工艺不合理,无法达到建筑的使用要求和安全标准。此外,部分材料选取和施工工艺也存在不合理的情况,无法充分发挥材料的性能和优势[1]。
1.1 机械连接
机械连接是装配式建筑结构中常用的节点连接方式之一,其通过螺栓、销子等来实现构件的连接,机械连接方式具有施工简单、拆卸便利等优点,但也存在着螺栓松动、构件整体受力不均、连接部位应力集中等问题。
1.2 焊接连接
焊接连接是一种常用的装配式建筑结构节点连接方式,通过电焊将结构材料组件连接在一起,可以实现较高的刚性和强度,适用于各种类型的节点连接,如梁柱连接、主次梁连接、梁板连接等。现阶段装配式建筑结构节点焊接连接存在焊缝强度不足且焊接工艺难以控制等问题。焊接连接方式虽连接强度高、抗震性好,但焊缝脆性、焊接质量难以保证[2]。
1.3 螺栓连接
通过在连接端钻孔并使用螺栓组件来连接装配式建筑结构节点,能够提供结构较高的连接强度和刚性,其适用于各类节点,包括主次梁连接、梁柱连接和板件连接等。螺栓连接在连接件不厚且要求连接力较大的情况下使用,常用的紧固件有螺栓、螺母、垫圈,其他螺纹连接包括高强螺栓、吊环螺栓、地脚螺栓和T形槽螺栓。但螺栓连接的开孔会对装配式建筑结构截面产生一定的削弱,且因构件相互搭接耗材较多。
1.4 搭接连接
搭接连接是将装配式建筑结构的连接节点端部延长,通过重叠或嵌入方式进行连接。搭接连接适用于短距连接和轻型结构,如装配式建筑结构的板件连接、桁架连接等。搭接连接施工简便焊接点少,钢筋用量少,具有较好的强度和刚性,但人工成本较高。
1.5 套筒灌浆
套筒灌浆是一种常用的装配式建筑结构节点加固的方法,特别适用于混凝土结构中的钢筋缺失或腐蚀严重的情况。通过在钢筋上套筒接头,并注入灌浆材料来增加钢筋、套筒与预制装配式结构的承载力和结构的整体强度,常用的灌浆材料包括水泥浆、环氧树脂浆等。施工过程中根据节点设计要求添加黏结剂或加入剂,以提高灌浆材料的流动性和黏结力。将套筒轴线与钢筋轴线保持一致,将套筒沿着钢筋正确安装在需要加固的位置。套筒与钢筋之间、套筒与混凝土的间隙应小,使灌浆材料充分均匀填充套筒和钢筋的空隙。可以使用注射器或泵等设备进行灌浆,确保灌浆材料能够均匀分布并完全填充套筒和钢筋周围。完成灌浆后,需要对灌浆部位进行养护,以达到设计强度。根据灌浆材料的要求,采取适当的养护措施,如保温覆盖、湿润养护等。
但传统的套筒灌浆技术在装配式建筑结构施工中也存在一定的问题,套筒灌浆施工需要多个工序进行,包括设置灌浆孔、安装钢筋套筒、灌浆等,施工周期长、工序复杂且难度大,需要专业技术人员操作,导致人工成本增加,并且施工质量不稳定。所需材料工序较多,施工成本相应增加。完工后,如裂缝、钢筋腐蚀等质量缺陷不易及时发现和修复,对于整体结构的稳定性和安全性可能存在一定的隐患。
2 装配式建筑结构节点难点
装配式建筑结构中常见的节点类型包括悬挂节点、受压节点、搭接节点等。不同类型的节点存在不同的难点。
2.1 悬挂节点
悬挂节点是指悬挂构件与主体结构之间的连接节点。由于装配式建筑结构悬挂节点要承受悬挂构件的重力和作用力,所以其稳定性和承载能力是一个重要考虑因素。此外,悬挂节点处需要考虑安装和调整的难点,以确保悬挂构件与主体结构之间的准确对接。
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2.2 受压节点
受压节点是承受结构压力的构件,是与主体结构之间的连接节点。受压节点的主要难点在于装配式建筑结构抗压能力和稳定性的要求。由于受压节点处的构件需要承受外部的压力荷载,所以需要通过合理的设计和材料选择来确保节点具有足够的承载能力,并防止压力引发节点的失稳。
2.3 搭接节点
搭接节点是指构件与构件之间的连接节点。搭接节点在装配式建筑结构中是常见的节点类型,其难点在于精确的构件搭接和连接。搭接节点的连接方式通常采用螺栓连接、焊接连接或胶合连接等。然而,不同的连接方式存在着不同的难点,例如螺栓连接需要保证螺栓的预拉力,焊接连接需要保证焊接质量,胶合连接需要保证胶合剂的黏结强度。
3 节点连接技术改进方法
3.1 材料选取的优化
通过选取高强度、耐磨性强耐腐蚀和轻质的材料及元件,从而提高连接节点的强度和刚度。同时,材料的选择还应考虑其可持续性和环保性,以满足绿色建筑的要求。
3.2 结构设计的改进
通过改变装配式建筑结构连接节点的结构设计形式,优化结构力学性能。可采用增加连接面积、改变连接方式等方法,提高连接强度和刚度。
3.3 加工技术的优化
通过改进装配式建筑结构连接节点的加工技术,提高其制造精度和表面质量。例如,可以采用热处理和精密加工的方式,提高装配式建筑结构连接节点的刚度和强度。
4 改进研究及新型连接件设计
针对现有装配式建筑结构节点连接方式和施工技术存在的问题和不足,本文提出了一些新的节点连接方式以及改进了施工技术,将钢结构连接、混凝土连接和建筑抗震连接的优点结合,既具有较高的强度和刚度,又能够提高连接的耐久性和抗震性能。
4.1 锁扣连接技术
锁扣连接是装配式建筑结构节点连接的一种新型方式,锁扣作为连接器是由两个半圆形金属环组成,用螺栓在连接节点端部将锁扣固定,锁扣连接的承载力强、刚度大,更加稳固和安全。锁扣连接适用于模块化建筑和临时结构等,且可以方便地拆卸和重装,适用于需要频繁改变或移动的建筑物。锁扣连接采用了先拼装后组装的施工顺序,通过提高拼装准确度和安装速度,提高施工效率。
4.2 钢板加固技术
通过在装配式建筑结构节点处加固钢板,可以提高节点连接的强度和稳定性,避免组件的松动滑移和位移现象。钢板加固构件连接部位是一种常用的结构加固方法,施工时在原有结构的节点位置增加钢板来提高节点的强度和刚度。钢板加固节点连接首先根据结构的受力情况对需要加固的位置进行定位。在加固节点位置前先清理表面,确保表面没有积灰、氧化物等杂物,以保证加固材料的黏结性。将预制钢板安装在节点位置。可以通过螺栓连接或焊接等方式固定钢板,使钢板与结构间刚性连接,实际操作过程中其材料用量较多,施工难度较大。通常会在连接部位进行必要的补强措施,如增加焊缝、加固带等,以增强节点的整体强度[3-5]。
在进行钢板加固节点连接时,需要根据具体情况选择合适的钢板材料和加固方式,同时要保证加固后的节点能够满足结构的刚度和强度要求,通过施工质量检查验收。
4.3 预应力螺栓连接技术
预应力螺栓可提高装配式建筑结构节点连接的强度和可靠性,防止螺栓连接断裂、松动。预应力法主要是利用高强度螺栓的弹性变形,通过预先施加一定的拉伸力来实现连接。预应力螺栓紧固时,需要被拉伸至预应力状态,保持一定的时间和强度,这样在使用过程中,由于受力均匀能够减少螺栓的松动和变形,保证连接的可靠性和安全性。摩擦法是通过螺栓的螺纹和连接件之间的摩擦力来实现连接。在使用中,螺栓和连接件之间的摩擦力会使螺栓得到一定的预加载力,从而保证连接的稳定性和安全性。此外,摩擦法还需要注意紧固力的大小,过大或过小都会影响连接效果。需要注意的是,高强度螺栓连接过程中需要按照相关规范和要求操作,避免出现操作不当或材料质量问题等因素导致连接效果不理想。
4.4 机械连接技术改进
在传统机械连接基础上选择高强度的机械连接材料,如高强度钢材或合金材料等元件,能够提高装配式建筑结构节点的承载能力和抗震性能。增加连接面积、增加机械连接件的数量,提高连接的可靠性和稳定性,通过增加螺栓或铆钉的数量、增大连接板的尺寸等方式来实现。优化节点的设计和连接结构,例如,采用双重螺栓连接、增加连接件的有效长度或者采用钢板联接等方法。同时,使用专用连接件如钢梁连接钉、钢筋套筒连接件等,考虑在节点连接处引入预应力设计,通过预应力的作用,可以增加机械连接节点的紧密度和强度。在节点处预留加固筋的位置,使得连接更牢固。
4.5 焊接连接技术改进
在传统焊接连接施工的基础上优化焊接接头的几何形状和连接方式,采用倒角、焊接双缝、V形焊缝等,提高装配式建筑结构节点的强度和稳固力,在焊接过程中采用高品质的焊接辅助材料,如焊接支撑物、通条、焊丝等,增强焊接接头两端融合度和耐久性。采用先进的焊接技术,如激光焊接、等离子焊接、TIG焊、MIG/MAG焊、复合材料焊接等,可提高焊接的精度和效率,减少焊接缺陷的发生。另外,在焊接前对焊接材料进行预处理,如去油、除锈、抛光等,以保证焊接接头的质量,严格控制焊接电压、电流、焊接速度等参数,引入自动化设备,装配式建筑结构节点或重要工程可使用自动化焊接设备,保证焊接工艺。
4.6 螺栓连接技术改进
传统的螺栓连接需使用扭矩扳手紧固,在高处施工或狭小环境等不良工作条件下,紧固螺栓过程困难,由于螺栓本身的局限性以及设计和制造过程中的一些问题,螺栓连接在装配式建筑结构节点连接中常遇到一些困难和故障,影响装配的质量和安全性。因此,改进螺栓连接技术,提高连接的可靠性和安全性是一个重要的研究方向。可使用自动装配系统,如螺栓装配枪、螺栓装配套筒等自动化设备进行紧固操作,采用新的螺栓连接技术,例如,形状记忆合金在螺栓连接中的应用,通过温度变化使螺栓形状发生变化,从而实现自紧固效果。此外,还有一些基于磁性原理的螺栓连接技术,如电磁紧固和磁性液体螺栓连接等,提高装配效率和质量,并减少人工操作。螺纹是螺栓连接中最关键的部分,螺纹的切割方式和角度过大会导致螺纹结构的疏松,降低连接的承载能力;螺纹的形状和尺寸不合理会导致连接的松动和脱落,通过优化螺纹的设计,提高螺纹的紧密度和接触面积,能够显著提高螺栓连接的质量和可靠性。预紧载荷是螺栓连接中的一个重要参数,在装配式建筑结构节点装配过程中,由于经验和设备的限制,往往难以控制预紧载荷的大小,过大的预紧载荷会导致螺栓断裂,过小的预紧载荷会导致连接松动,需引入控制装置和监测系统,实时检测和调整预紧载荷的大小。摩擦系数是考虑螺栓连接稳固的一个重要因素,由于螺栓和母材的材料及表面处理方式有差异,且摩擦系数不同,导致螺栓连接的紧固力和松动力不稳定,通过选择合适的润滑剂和表面处理技术,调整螺栓元件摩擦系数,提高连接的强度和耐磨性。同时,螺栓的表面存在一些问题,如腐蚀、氧化和磨损等,导致连接的过早失效。因此,通过选择合适的表面处理方式,如镀锌、镀镍和热处理等,能够显著提高螺栓连接的耐腐蚀性和耐磨性,延长装配式建筑结构节点连接的寿命。
4.7 传统钢筋灌浆套筒工艺改进
传统的灌浆套筒施工方法需要现场制作,影响装配式建筑施工进度,同时材料和人工成本也较高。新型灌浆套筒施工方法应运而生。新型灌浆套筒施工方法使用预制的玻璃钢套筒或塑料套筒,按照要求的尺寸和形状制作成预制件,并通过质量检查和试验。预制套筒根据装配式建筑节点设计要求选择不同的材质和厚度,以满足不同工程的需求。施工前要先将基础整平并清理干净,将预制套筒按照预先测算好的位置和方向嵌入基础中,然后再进行灌浆处理。新型灌浆套筒施工方法最大的优点是可以缩短施工周期,减少现场加工,同时提高安全性和质量可控性,有效降低工程成本和人工成本。需要注意的是,新型灌浆套筒施工方法需要进行严谨的设计和计算,确保预制套筒的规格尺寸和材料质量符合工程设计要求,以及灌浆材料的强度和力学性能符合要求。
5 实验验证和数值模拟
为了验证改进技术的实用性和有效性,我们对实验数据进行了采集,进行了实验验证和数值模拟。其中实验验证主要针对不同材料和结构方案的物理试验,以评估其力学性能和耐久性。数值模拟可以通过有限元分析方法,模拟和预测连接节点的力学行为和破坏模式。实验包括连接强度测试和刚度测试,通过施加不同荷载和观察变形情况来评估新方法技术的效果。数值模拟则通过建立装配式建筑结构连接节点的有限元模型,分析其变形情况和受力特点,实验结果和数值模拟结果的一致可验证新方法新工艺连接节点的可靠性。通过实验和数值模拟方法,对不同类型的连接节点进行了力学性能和抗震性能的测试和分析。实验结果表明,改进的连接节点设计和施工工艺可以显著提高连接的强度和稳定性。数值模拟结果表明,改进方案可以降低结构的风险和使用成本。
6 结论
通过分析现阶段常见的装配式建筑连接节点方法的局限性和问题,对装配式建筑结构节点连接技术的改进进行了研究和探讨,力求提高连接节点的强度和稳定性,以满足建筑的使用要求和安全标准。改进技术加固连接节点,增强装配式建筑结构的整体性能,实现了施工周期的缩短、成本的降低、安全和质量的可控,改进的设计和施工工艺更加高效、经济、环保,对于提高装配式建筑的施工质量和安全可靠性具有重要意义。
