詹婧潔

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州510500）

0 引言

裝配式建筑是適合未來的。各種類型的裝配式建筑看似是新型的結(jié)構(gòu)體系，實際上確是以“創(chuàng)新工法”為手段，兼取現(xiàn)澆與預(yù)制的各自優(yōu)點，實現(xiàn)的是建造方式上的轉(zhuǎn)變。隨著未來中國適齡勞動人口的不斷減少，人口紅利逐漸消失，國家必須在節(jié)約人力成本上做長遠(yuǎn)考慮，裝配式建筑高技術(shù)、低勞動力的特點將更加適應(yīng)這一趨勢。我國三大城市群在經(jīng)歷擴(kuò)張階段后，目前均在不同程度上迎來了建成區(qū)的更新，城市核心地段的容積率不斷上升，傳統(tǒng)粗放型的建造技術(shù)與模式已很難適應(yīng)，而部品構(gòu)件工廠預(yù)制和快速現(xiàn)場安裝的建造方式，將有助于把對環(huán)境的影響降到最低。

1 裝配式建筑的發(fā)展情況

1.1 日本的情況

日本作為建筑工業(yè)化最為成熟的國家之一，其工業(yè)化起點最初是為了解決戰(zhàn)后住房緊缺。20 世紀(jì)30 年代，德國建筑師瓦爾特·格羅皮烏斯（Walter Groupius）將“干式裝配結(jié)構(gòu)”的概念介紹到日本，通過不斷地研究、嘗試和實踐，日本于1941 年開發(fā)出了木制裝配式住宅。鑒于二戰(zhàn)中木結(jié)構(gòu)建筑在轟炸中被徹底摧毀的教訓(xùn)，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的研究也在加速推進(jìn)。20 世紀(jì)50 年代，受朝鮮戰(zhàn)爭軍工繁榮的刺激，日本鋼鐵工業(yè)迅速發(fā)展，適應(yīng)新需求的大規(guī)模住宅工業(yè)化開始出現(xiàn)，戰(zhàn)爭產(chǎn)能過剩的材料被用于輕型鋼骨裝配式建筑。70 年代，住房短缺問題雖已基本解決，但當(dāng)時建筑業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)變成經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要驅(qū)動力；然而，房子畢竟不是可以出口的商品，于是建筑業(yè)聚焦完善住宅功能，致力于提高抗震、耐火性能等來激發(fā)新的社會需求。除主體結(jié)構(gòu)工業(yè)化之外，日本在內(nèi)裝工業(yè)化、集成化上也有異常成熟的工藝技術(shù)和完備的產(chǎn)品體系，綜合水平很高。近10 年，預(yù)制住宅約占到日本總竣工住宅數(shù)量的15%（見圖1）。其中高層或超高層裝配式住宅的比例逐步提升，以受力明確、現(xiàn)場安裝簡便快速的框架結(jié)構(gòu)體系（RPC）為主要形式［1］，結(jié)合高強(qiáng)材料、減震隔震技術(shù)、集成SI 內(nèi)裝體系的應(yīng)用，市場推廣效果很好。

圖1 日本預(yù)制裝配式住宅占比（2009-2018）Fig.1 The Proportion of Prefab Housing in Japan（2009-2018）

1.2 美國的情況

裝配式住宅和建筑在美國歷經(jīng)百年發(fā)展，形成了包含研發(fā)、生產(chǎn)、運輸、零售、安裝在內(nèi)的完整裝配建筑產(chǎn)業(yè)鏈，其相關(guān)政策機(jī)制、技術(shù)體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、信息化應(yīng)用等均代表了世界最先進(jìn)的水平。美國的實際工程中，和預(yù)應(yīng)力技術(shù)相結(jié)合的預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用很廣泛。于1954 年成立的預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會（Precast/Prestressed Concrete Institute）通過研究并推廣預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)及其系統(tǒng)的設(shè)計、制造、安裝等，形成了包括建筑規(guī)范、設(shè)計指南、教育計劃、培訓(xùn)認(rèn)證等一系列完善的體系，并不斷實踐、更新。目前，美國的PC 技術(shù)幾乎應(yīng)用在居住、辦公、醫(yī)院、學(xué)校、車庫、博物館建筑等各個領(lǐng)域。近年來，預(yù)制混合力矩框架結(jié)構(gòu)（PHMF）技術(shù)（見圖2）也得到陸續(xù)應(yīng)用，這種系統(tǒng)不但提供了類似鋼結(jié)構(gòu)施工的速度和簡易性，并且得益于其獨特的物理韌性（Resiliency）和構(gòu)件自我復(fù)位（Self-righting）能力，有助于結(jié)構(gòu)在大震后立即恢復(fù)。美國目前正在研發(fā)并推行可持續(xù)環(huán)保與低碳節(jié)能的綠色裝配技術(shù)體系［2］，如：不受“等同現(xiàn)澆”抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計理念束縛的“干連接裝配混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)（ACSTC）”、以SI 理念為基礎(chǔ)的多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系（DBS）、Conxtech 體系及Modularize 體系等，以上體系均具有成熟的理論設(shè)計系統(tǒng)，實際工程中也得到不斷應(yīng)用。

圖2 加州州立大學(xué)5 號停車庫（預(yù)制混合力矩框架設(shè)計）Fig.2 Parking Structure 5（Precast Hybrid Moment Frame）

1.3 我國的情況

預(yù)制裝配式建筑在我國曾于20 世紀(jì)七八十年代達(dá)到頂峰，但因當(dāng)時設(shè)計理念落后、建造工藝原始，經(jīng)過很長一段時間的審慎冷靜期后，于近年迎來了爆發(fā)。2016 年，國務(wù)院連續(xù)發(fā)布關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑指導(dǎo)意見的重磅文件，指出“以京津冀、長三角、珠三角城市群和常住人口超過300 萬的其他城市為重點，其余城市為鼓勵推進(jìn)地區(qū)”、“力爭用10 年左右時間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到30%”。裝配式建造的最大優(yōu)勢在于行業(yè)規(guī)范化與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化?！堆b配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 1-2015》是我國裝配式混凝土建筑領(lǐng)域的第一本重要標(biāo)準(zhǔn)，該規(guī)程在查閱大量的國外相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國自身的工程實踐積累，歷經(jīng)11 年才編制完成。之后，我國相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)迅速跟進(jìn)，目前已初步形成了適用范圍明確、重點突出、層次分明的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)體系［3］，但是對于新技術(shù)的覆蓋面仍舊不夠，相關(guān)質(zhì)量控制與檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相對滯后。

2 關(guān)鍵連接技術(shù)

2.1 連接設(shè)計的兩大類別

連接是預(yù)制結(jié)構(gòu)中最重要的部分，連接的性能決定了結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，和結(jié)構(gòu)本身的制造、安裝、維護(hù)亦息息相關(guān)。預(yù)制構(gòu)件的連接不僅僅是彼此簡單固定，而是確保整個結(jié)構(gòu)的協(xié)同性、完整性。合理的連接可以滿足環(huán)境及極限負(fù)載條件，實現(xiàn)預(yù)期的結(jié)構(gòu)相互作用。裝配式建筑的節(jié)點連接主要分為兩類：強(qiáng)連接節(jié)點（Srong Connection） 和延性連接節(jié)點（Ductile Connection）。前者的設(shè)計方法與常規(guī)設(shè)計近似，我國裝配式混凝土建筑“等同現(xiàn)澆”原則下的節(jié)點設(shè)計就是強(qiáng)節(jié)點。而延性連接的代表如美、日合作PRESSS研究計劃（Precast Seismic Structural Systems）中針對地震區(qū)預(yù)制建筑物提出的典型節(jié)點構(gòu)造，強(qiáng)調(diào)“弱節(jié)點、強(qiáng)構(gòu)件”，連接節(jié)點具有良好的變形能力，通常與其他內(nèi)部耗能裝置共同工作，在抵御地震等循環(huán)荷載下形成穩(wěn)定的能量滯后環(huán)（Hysteresis Loops）。

2.2 鋼筋灌漿套筒連接

鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)，根本上講利用的是直錨原理的力學(xué)規(guī)律，通過高強(qiáng)灌漿料與鋼筋、套筒之間的粘結(jié)作用傳遞應(yīng)力。作為一種鋼筋連接方式，主要應(yīng)用于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)制構(gòu)件鋼筋連接、現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋籠整體對接，以及既有建筑改造中新舊建筑鋼筋連接，其受力機(jī)理、施工操作、質(zhì)量檢驗等方面均不同于傳統(tǒng)的鋼筋連接方式［4］。

2.3 鋼筋灌漿套筒發(fā)展

20 世紀(jì)60 年代后期，由美國華裔結(jié)構(gòu)工程師余占疏博士（Dr.Alfred A.Yee）根據(jù)中國傳統(tǒng)手指套游戲發(fā)明的鋼筋接頭套筒（見圖3），首次應(yīng)用在檀香山AlaMoana 酒店預(yù)制混凝土柱的連結(jié)上。1973 年，該套筒連接技術(shù)被介紹到日本，通過不斷研發(fā)、推廣及反饋，連接套筒應(yīng)用愈發(fā)廣泛，1994 年的關(guān)島地震（里氏8.2 級），1995 年的阪神地震（里氏7.9 級），在震后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，所有使用鋼筋灌漿套筒的建設(shè)工程都沒有遭受破壞。應(yīng)用該技術(shù)的代表建筑有舊金山的39 層派拉蒙大廈、東京汐留的56 層超高層住宅（見圖4）。

2.4 套筒灌漿缺陷

鋼筋套筒灌漿連接質(zhì)量是保證裝配式混凝土結(jié)構(gòu)整體性能“等同現(xiàn)澆”的重要保證，灌漿質(zhì)量是影響鋼筋套筒接頭性能的主要因素，對裝配式結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震性能有著決定性影響［5］。但由于這種連接構(gòu)造復(fù)雜，屬于隱蔽工程，灌漿質(zhì)量檢測技術(shù)一直沒有實質(zhì)突破。發(fā)達(dá)國家主要依靠技術(shù)工人的系統(tǒng)培訓(xùn)、合理工法及有效管理來保證灌漿質(zhì)量［6］。我國因應(yīng)用時間短、各項優(yōu)良認(rèn)定制度尚未建立、工人操作水平低、監(jiān)管體系尚不健全等原因，套筒灌漿缺陷影響因素很多，其產(chǎn)生原因［7］歸納如表1 所示。

圖3 中國手指套游戲和NMB 套筒Fig.3 Chinese Finger Trick and NMB Splices Leeve

圖4 舊金山派拉蒙大廈及東京汐留塔Fig.4 Paramount Tower San Francisco & Shiodome Tower

表1 套筒灌漿缺陷及產(chǎn)生原因Tab.1 Existing Problems and Reasons for Sleeve Grouting Defects

3 套筒灌漿質(zhì)量的檢測方法

灌漿質(zhì)量體現(xiàn)在漿料的飽滿性和密實性［8］。飽滿性主要是指套筒出漿口是否完全灌滿，即灌漿結(jié)束并穩(wěn)定后，套筒內(nèi)灌漿料液面是否達(dá)到出漿口。密實性主要是指套筒內(nèi)部是否存在空洞或夾雜。鑒于鋼筋套筒灌漿連接的重要性，應(yīng)對灌漿質(zhì)量進(jìn)行檢測以保證滿足驗收標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 X 射線工業(yè)CT 法

現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程：JGJ 355-2015》第7.0.6 條強(qiáng)制性條文要求鋼筋套筒灌漿前，應(yīng)模擬施工條件和方案在現(xiàn)場同步制作“平行試件”，以進(jìn)行灌漿套筒連接接頭抗拉強(qiáng)度檢驗。高潤東等人［9］采用高能X 射線工業(yè)CT 在接頭試件拉伸前，對套筒內(nèi)部灌漿的飽滿性和密實性進(jìn)行了檢測試驗。通過模擬套筒加外澆混凝土、套筒外同時存在混凝土和復(fù)雜鋼筋布置的實際情況，試驗結(jié)果表明：該方法對存在縱筋和箍筋遮擋、套筒布置位置變化、雙排套筒布置等復(fù)雜情形，均能有效顯示套筒內(nèi)部灌漿密實情況，套筒內(nèi)漿體空洞位置、大小清晰可見。但該方法目前只限于實驗室內(nèi)檢測，現(xiàn)場適用性需進(jìn)一步研發(fā)。

3.2 預(yù)埋傳感器法

基于阻尼衰減振動原理，當(dāng)系統(tǒng)受到摩擦和介質(zhì)阻力時，振幅隨時間逐漸衰減，阻尼越大，振動能量耗散越快，振幅衰減越快（見圖5）。崔士起等人［10］采用灌漿傳感器對套筒灌漿飽滿度進(jìn)行了檢測試驗。灌漿前，在套筒出漿孔預(yù)先放置振動傳感器，傳感器周圍介質(zhì)的阻尼系數(shù)由小到大依次為空氣、流動砂漿、凝固砂漿，通過傳感器反饋的振動幅值衰減情況即能夠判斷傳感器有無被灌漿料包裹，從而判斷套筒內(nèi)部灌漿的飽滿程度。該方法非常有效，但成本高昂，實際應(yīng)用中所有套筒均預(yù)先埋置傳感器幾乎不可行。

圖5 不同阻尼系數(shù)衰減振動示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Low and High Damped Vibration

3.3 超聲波法

超聲測試技術(shù)的原理主要是基于超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度有明顯差異，當(dāng)聲波從固態(tài)傳播到氣態(tài)時，波速顯著減小，聲波能量迅速衰減，致使傳播時間增加、波幅增大，聲波相位也隨之發(fā)生改變。當(dāng)灌漿料密實性良好時，接收的首波信號（ultrasonic first wave）是沿鋼筋套筒徑向到達(dá)的縱波，另一路徑是沿套筒半周到達(dá)的信號（見圖6）；相反，當(dāng)灌漿料密實性較差甚至未灌漿時，測試到的首波速度會顯著降低。Hua Yan 等人［11］基于該原理，主要以超聲波聲速作為檢測指標(biāo)，對不同缺陷條件下的套筒灌漿密實度進(jìn)行了測試。研究結(jié)果表明：超聲波檢測可以有效檢測套筒中灌漿缺陷的位置，缺陷與無缺陷之間存在明顯的界線。

圖6 超聲波傳導(dǎo)路徑示意圖（未灌漿vs 已灌漿）Fig.6 Schematic Diagram of UltrasonicPropagation Path（Empty Sleeve vs after Grouting）

3.4 沖擊回波法

沖擊回波法是20 世紀(jì)80 年代由美國提出的一項技術(shù)，在無損檢測領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其基本原理是利用一個瞬時機(jī)械沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波，應(yīng)力波傳到結(jié)構(gòu)內(nèi)部并被缺陷反射回來，通過信號采集對反射波進(jìn)行頻譜分析，從而確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的情況（見圖7）。該技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)厚度、內(nèi)部缺陷、預(yù)應(yīng)力孔道灌漿密實度的定性定位檢測中已日趨成熟。劉輝等人［12］基于該方法，率先開展了在鋼筋套筒灌漿密實度檢測方面的可行性，研究結(jié)果表明：對于模擬實際施工狀態(tài)的鋼筋套筒雙排布置試件，由于受到不對稱性與套筒外鋼筋的遮擋，沖擊回波法測試結(jié)果并不理想。

圖7 沖擊回波法檢測原理示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Impact-echo Detection

3.5 超聲相控陣法

超聲相控陣技術(shù)早期主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲成像領(lǐng)域，后逐步應(yīng)用于工業(yè)無損檢測，如焊縫探傷。該技術(shù)的檢測原理如圖8 所示。探頭中的壓晶片按一定規(guī)定分布排列（線陣、面陣和環(huán)陣），工作時系統(tǒng)依照程序時間設(shè)定，逐次激發(fā)各個晶片，在構(gòu)件中形成一個整體超聲波陣面，通過控制波陣面的形狀和方向，實現(xiàn)波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦，在實現(xiàn)探測不連續(xù)缺陷形狀、大小和方位上展現(xiàn)出比單個探頭更好的性能。何勝華等人［13］針對疊合構(gòu)件預(yù)制部分與現(xiàn)澆部分交界面往往結(jié)合不良，后澆混凝土可能存在孔洞等非密實區(qū)，認(rèn)為采用超聲相控陣法可準(zhǔn)確識別上述缺陷。朱自強(qiáng)等人［14］在檢測預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量時，將超聲波能量集中在預(yù)應(yīng)力管道附近，提高有效信號的信噪比，灌漿缺陷孔洞檢測效率及準(zhǔn)確性均大大提高。但由于目前應(yīng)用于土木工程無損檢測中的探頭分辨率較低，對于鋼筋套筒灌漿缺陷的超聲相控陣法相關(guān)研究尚需進(jìn)一步研究。

圖8 超聲相控陣檢測原理示意圖Fig.8 Schematic Diagram of Ultrasonic Phased Array

4 結(jié)論與展望

套筒灌漿飽滿度和密實度的檢測仍需進(jìn)一步加強(qiáng)研究，特別是要重點研發(fā)灌漿施工過程中及施工后的能夠適應(yīng)現(xiàn)場實際工程條件的灌漿缺陷檢測技術(shù)?，F(xiàn)行的無損檢測原理諸如超聲波法、沖擊回波法、超聲相控陣法從理論上來說對于灌漿缺陷檢測均是可行的，但受限于客觀條件如套筒內(nèi)部空間狹小、套筒布置復(fù)雜、外圍鋼筋遮擋、探頭分辨率較低、信號采集系統(tǒng)對反射波的識別度不夠等因素，目前對于灌漿缺陷檢測仍沒有專用的檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)出臺。另外，在源頭上從科學(xué)設(shè)計、優(yōu)良預(yù)制構(gòu)件工廠認(rèn)定、完善產(chǎn)業(yè)工人培訓(xùn)及加強(qiáng)監(jiān)管入手，徹底依靠制度體系來保證灌漿質(zhì)量任重道遠(yuǎn)。