装配式建筑竖向结构连接质量的确保与施工工艺

詹耀裕¹ 廖健闵²

润铸建筑工程（上海）有限公司

近日有数篇文章质疑装配式建筑竖向结构连接的完工质量，甚至建议推翻现有的连接型式，不论任何施工工艺，工程不外是由工程人员（含政府监督的专业人员）、工人与施工设备共同完成，其中工程人员需担负绝大部分的责任，一个工程的失败，不足以被举证推翻所有的相同工艺，需探讨失败的原因及未来制止失败的相应规程，就如美国垮了一座桥，就要限制美国不能再盖相同工艺的桥一样，不能因噎废食，传统现浇建筑工艺，亦有建垮的案例，但我们一般会认为与工艺无关，是施工人员未遵守规范而行所造成，相信装配式建筑少数失败的案例亦雷同，大都是操作失当，与工艺无关，其失败的责任是无法推给工人（农民工）担负的，工程人员需担负绝大部分的责任。

装配式建筑非新兴工艺，老祖宗的装配式木结构早已使用在诸多庙宇建筑，20世纪初装配式混凝土建筑被开发出来，1960年流行于法、英、北欧、苏联等国家，早期结构系统以铰接居多，结构刚接系统自余占疏博士(Dr. Alfred A.Yee)于1960年后期发明套筒续接器(Splicesleeve)方得以使用，并首次应用于38层楼高之装配式建筑（阿拉莫阿纳酒店,檀香山,夏威夷）的预制柱续接，此后即开创了竖向结构套筒续接之篇章，接下来的半个世纪中，套筒续接器技术一直持续在美国、日本和台湾等地区进行改良、研发、试验研究及应用，采用此技术的装配式建筑结构物在全球各地已经历了无数大小地震的考验，而近年对套筒研究最积极与提出最多研究报告的是国内，有不少令人惊艳的成果产出。

套筒续接技术原理是将欲连接之两段钢筋插入套筒中，然后注入由水泥、细骨料与外加剂等组成的无收缩高强度砂浆，待灌浆料硬化后将套筒内壁与钢筋表面紧密的结合再一起，使应力可以有效地传递。

装配式建筑竖向结构的连接方式，常用有『机械连接接头』、『钢筋倒插入套筒』、『金属波纹管』与『钢筋正插入套筒』等，机械连接接头由于是干式连接，其可靠度可轻易由实验室印证，钢筋倒插入套筒连接型式如下图：

此型式之施工流程说明如下，先将底座上安装好垫片并封模后，再把套筒内注满高强度砂浆，接下来吊装底端留有出筋的预制柱插入接合，使多余的砂浆溢出，此种工法可确保套筒内的高强度砂浆填充确实，当预制柱起吊时要注意防止钢筋碰撞弯折与弄脏，在高楼层时，其柱、梁节点需采机械连接或3D节点，工艺较为复杂，故一般工艺常用于独立基脚的基础上，其结构连接是可靠的，唯一需管控的是高强度砂浆的搅拌，需符合砂浆厂家搅拌的规定及检验，此质量管控需由工程人员直接管理，监理人员在旁监管。

金属波纹管连接，钢筋藉由砂浆填充具备韧性的金属波纹管的续接方式，早已被证明可以有效的传递拉力、压力和剪力，且便于柱与柱、柱与基础及剪力墙等节点的连接。国内外也皆有相关的规范或是标准，例如：国内机械行业标准JB-T6169-2006金属波纹管中，对于金属波纹管的结构、波纹形状、接口形式、制造材料及检验规则等都有完整的说明。美国PCI Design Handbook 8TH中对于金属波纹管的连接提出以下几项建议，提供参考：

1. 抗拉钢筋之锚固长度不得小于12倍钢筋直径。

2. 钢筋韧性的要求须满足耐震需求。

3. 若在结冰的气候下，波纹套管灌浆前须避免水进入。

4. 波纹套管壁厚不得小于0.6mm，内径与钢筋间隙应大于12.7mm。

5. 波纹套管强度不得小于连接部位之混凝土强度以及5000psi。

6. 特殊砂浆不可含金属成分且不可收缩。

7. 波纹套管必须被钢筋、砂浆和混凝土充分填实，以免发生脆性破坏。

钢筋正插入套筒连接：

此连接方式的关键质量计有：1.钢筋出筋精度的质量2.套筒与钢筋连接的质量3.柱底与楼版面底部空气的彻底排除4.连接成框架后结构的质量，现逐一说明各关键质量该如何达成与管控：

1. 钢筋出筋精度的质量管理:

钢筋出筋精度不精确时，是无法进入套筒的，故在楼版灌浆前，钢筋精度的管控是非常重要，工程人员需管理每个步骤与最终的精度，并记录每个步骤的数值，无法推责给工人，在此愿将润泰发展出来的装配式建筑基础柱筋精准定位工具及定位方法向大家说明（注1）:

1.1在垫层上放样柱边线和中心线，精准定位柱位置。

1.2根据柱边线和柱中心线定位并固定定位底座，此底座控制钢筋笼的底部位置。

1.3基础下层板筋绑扎。

1.4将下格网箍(润泰研发的工具)固定在定位底座上，下格网箍的网格对应插入柱筋，且柱筋顶部需多留10cm的长度吸收误差。

1.4基础柱箍筋绑扎。

1.5基础上层板筋绑扎。

1.6上格网箍按网格穿入对应柱筋进行安装，上格网箍低于楼板完成面以下至少5mm。

1.7取四只可调式定位套筒，分别安装于四个角落的柱筋上，通过螺杆先调节好可调节套筒与柱筋的相对位置以确定好灌浆面高度，保证安装面高度，然后再安装定位板，最后再安装其它的防灌浆污染套筒，其中可调节套筒的止挡凸起位于定位板下方，防灌浆污染套筒的止挡凸起位于定位板上方；调整柱钢筋笼，以定位板比对检核柱中心线，进入容许误差范围内时，则将上格网箍与附近之钢筋焊牢，以防灌浆时移位，工程人员需留下灌浆前的精度记录，随时提供备查。

1.8完成基础柱筋调整与定位故结，浇筑混凝土。

1.9基础混凝土凝固后，柱筋出筋与上部预制柱套筒连接。楼板板面灌浆时，出筋的保护是非常重要，如果不保护，出筋外表沾满混凝土又未敲除，直接进入套筒续接，此时高强度续接砂浆抓到的不是钢筋，而是钢筋表面的 混凝土，如此续接铁定失败。小结，续接出筋的精度与表面洁净是钢筋套筒续接的必检工作，也是关键质量的查核点。

1.10 预留出筋精度不准的探讨：

1.10.1 产生原因为未依前述正确程序施做，未在每个步骤检核精度。

1.10.2 套筒许容误差过小，美、日续接套筒的容许误差为+-10mm，而国内套筒一般的容许误差只有+-5mm～+-7mm，约为国外的1/2，故施工精度需较国外提高两倍，另一解为改采用容许误差为+-10mm套筒，润泰容许误差+-10mm的全套筒已通过检验。

1.10.3当发现工地出筋不准，切钢筋绝对是错误的，正确的矫正程序为在钢筋根部的混凝土去除打深2~3cm（混凝土强度需达可打石之强度），再将钢筋以小于1:6之斜率弯至可进入套筒的位置内，此程序繁复，故最好还是将钢筋出筋精度做准，一次做对。

2. 套筒与钢筋连接的质量:
为确保续接套筒与砂浆质量是合格，使用的套筒与砂浆必须通过《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程JGJ355-2015》与《钢筋连接用灌浆套筒JGT398-2012》的检验试验，取得合格证明，方得使用。

每批套筒进货时，需立即依JGT398规定抽样套筒并进行试验，以确保无不合格品。

套筒与钢筋连接的质量，除套筒外尚须现场正确的灌注工序，方能确保质量； 在此将正确的砂浆施工工序，向大家说明：

2.1续接砂浆灌浆之施工工序套筒续接砂浆施工依其特性说明如下：

2.1.1先检查套筒续接砂浆是否仍在有效期间内，超过6个月上禁止使用；3~6个月需过#8号筛去除硬块后使用。

2.1.2续接套筒内部以小手电筒检查，必须以高压空气清洁干净。

2.1.3柱底四周封模，可采用砂浆或木材为之，必须确实避免漏浆。

2.2.4彻底检查灌浆机具是否干净，尤其输送软管不应有残余水泥硬块。

2.1.5搅拌水须做氯离子检测，不能含有氯离子。

2.1.6量测并记录当日天气、气温、水温、续接砂浆温度与湿度。

各家材料对温度的敏感程度不一，但都有共同点，就是温度低时，续接砂浆强度发挥慢且弱，故在15度C以下执行套筒续接砂浆灌注时，要特别留意其强度之发挥，当需求接强度未达标时，严禁继续加载于预制竖向构件上，例如版面的灌浆。

參考例：套筒续接砂浆强度对温度之曲線

日本东京铁钢 ‍

2.1.7套筒续接砂浆用水量以产品之使用说明为准，不得任意增減用水量。 (例:润泰-mix每包续接砂浆用水量为3.4公升 ± 0.2公升)。

2.1.8续接砂浆搅拌时间必须搅拌均匀后再搅拌2分钟，且禁止使用铝制搅拌器(铝制搅拌器的铝粉脱落会造成砂浆产生超额的膨胀率)。

2.1.9记录流度值、湿度与温度检核流度值是否满足使用厂牌所要求的数值范围。(例：润泰-mix的流度为20cm~30cm)

2.1.10每日均需做一组续接试体与两组抗压试块，作为日后检测所用。试体必须与现场预制柱放于相同之养护环境，并绑扎固定牢靠不受扰动。

2.1.11灌浆时由底部注入，由顶部流出至圆柱状，方能以塑料塞塞住。

2.1.12灌浆作业之障碍处理遇有爆模必须立即处理，每支套筒内必须充满续接砂浆，不能有气泡存在。若有爆模污染外墙面必须立即清洗，隔日则无法处理。如果遇有无法出浆之情形，应立即停止灌浆作业，排除无法出浆之障碍。灌浆完成后必须将工作面清洁干净，所有施工机具也一并清洗干净。

2.1.13合格施工人员发证之建议

套筒续接砂浆作业于装配式建筑的重要性就如电焊作业于钢结构工程，我们对电焊均要求要有焊工证照，同样地套筒续接砂浆作业建议可以考虑发照，以利管理；在发照制度未施行前，则由工程人员严格依施工步骤执行。例：日本东京铁钢所发证照。

3. 柱底与楼版面底部空气的彻底排除:

当套筒与钢筋续接无疑后，接着就要确保柱子底部无残留空气或气泡，为确保空气的彻底排除，润泰在工艺上于柱底中心处增设了一支排气管（注2），排气管高度需高于套筒的上出浆高度。

[附上印证影片:柱底灌浆有透气管全貌_10X.mpg]

4. 连接成框架后结构的质量:

为了确保装配式竖向结构灌浆套筒续接之安全，润泰润弘精密工程股份有限公司，多年前即以近实体大小之试体，针对采用灌浆套筒之预制梁柱接头进行侧力和轴力加载试验，由滞回曲线结果显示出预制结构之性能表现不劣于传统结构，实验对照照片如下：

另外，日本也对于预制柱构造之柱脚接缝和主筋套筒续接的影响进行侧力和轴力加载试验，亦同样得出预制结构不劣于现浇强度之试验结果。

国内也有不少专家学者针对这种套筒灌浆连接进行研究，例如清华大学钱稼茹教授等人(注3)利用5个剪跨比相同的剪力墙试体试验证明：套筒灌浆连接能够有效传递竖向钢筋的应力，使用套筒连接的剪力墙破坏机理与现浇构件基本一致。

結語

装配式竖向受力构件连接系统的可靠度在这五十多年内，全球各地区有无数多个项目可以证明在技术上及实务上是绝对可行，亦已经无数的地震考验，这些高楼有达200多米的超高层，只要有明确清晰的施作流程和工地管理及责任体系，就能将质量维持在标准上。建筑工程的现代化在推进与发展过程中，初期因经验不足必然会遇上些许瓶颈，在了解问题所在后，非常容易突破现有障碍，在技术与创新全面提升的同时，工程人员更应接受新工法、新观念且同步提升管理系统，确保工程质量，迎向新时代的来临。

注1：尹衍梁、詹耀裕，一种装配式建筑基础柱筋精准定位工具及定位方法(专利号：201611242386.2)

注2：尹衍梁，預鑄柱的續接外排氣結構(ZL专利号：03257075.9)

注3：钱稼茹、彭媛媛、张景明等. 竖向钢筋套筒浆锚连接的预制剪力墙抗震性能试验. 建筑结构.2011(2):41-46