向淵明，羅昭軍，金山

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶400039）

預(yù)制裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)研究

向淵明，羅昭軍，金山

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶400039）

該文以一棟六層宿舍樓為例，對(duì)預(yù)制裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、樓板選擇、連接節(jié)點(diǎn)、設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)注意的事項(xiàng)等進(jìn)行了詳細(xì)論述。由于國(guó)內(nèi)類似工程的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)這種新型技術(shù)的研究，旨在推動(dòng)這種結(jié)構(gòu)的發(fā)展，相關(guān)方法和思路可為類似的工程提供參考。

預(yù)制混凝土；裝配；框架結(jié)構(gòu)；連接節(jié)點(diǎn)；疊合樓板

0 引言

預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)作為建筑工業(yè)化的一種重要方式，萌芽于20世紀(jì)二三十年代，興起于第二次世界大戰(zhàn)后的英、法、蘇聯(lián)等國(guó)家。由于其節(jié)約勞動(dòng)力成本、建造速度快、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量控制較好、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前歐洲各國(guó)、美國(guó)、日本、新西蘭等都建立了較成熟的預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系[1]。

我國(guó)在20世紀(jì)50年代提出了建筑工業(yè)化的發(fā)展方向，在全國(guó)推廣工廠化、裝配化、標(biāo)準(zhǔn)化的建造方式。近10年來，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的提速，一系列國(guó)家政策、地方標(biāo)準(zhǔn)和獎(jiǎng)勵(lì)政策紛紛出臺(tái)，我國(guó)在裝配混凝土建筑方面的研究逐步升溫，為提高預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)性能提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。該文以設(shè)計(jì)施工完成的某宿舍樓為例，對(duì)預(yù)制裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)注意的問題進(jìn)行研究。

1 工程概況

該工程為地上6層宿舍樓，建筑平面尺寸為58.0m×18.0m，層高3.3m，主要柱網(wǎng)為4.2m×8.3m，結(jié)構(gòu)采用裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖如圖1所示。除室內(nèi)地面標(biāo)高以下構(gòu)件采用現(xiàn)澆施工外，地面以上的柱、梁、樓梯和外墻板均采用預(yù)制構(gòu)件，樓板和屋面板采用疊合樓板。預(yù)制框架柱主要截面尺寸為500mm×500mm，預(yù)制框架梁截面尺寸為：X向300mm×650mm，Y向300mm×700mm。柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)：1層-2層為C35，2層以上為C30；梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30。預(yù)制框架柱的鋼筋連接采用一端機(jī)械連接，一端灌漿的球墨鑄鐵半灌漿套筒，套筒內(nèi)水泥基灌漿料采用無收縮砂漿，28d齡期立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不小于85MPa。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

工程抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，框架抗震等級(jí)為三級(jí)。工程按等同現(xiàn)澆設(shè)計(jì)，按現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算，并采取針對(duì)性的補(bǔ)充計(jì)算以及相適應(yīng)的抗震措施來保證結(jié)構(gòu)具有良好的整體性，并保證預(yù)制構(gòu)件及其連接部位的承載力與變形滿足要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工程按等同現(xiàn)澆設(shè)計(jì)，在各種設(shè)計(jì)狀況下，裝配整體式結(jié)構(gòu)可采用與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相同的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析[2]。結(jié)構(gòu)計(jì)算分析采用PKPM系列軟件中的SATWE軟件。考慮到預(yù)制結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)存在的差異性，為保證預(yù)制結(jié)構(gòu)的安全性和計(jì)算模型與預(yù)制結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況相符，在整體計(jì)算時(shí)采取以下措施。

（1）預(yù)制外墻板與結(jié)構(gòu)采用鉸接形式連接，整體計(jì)算時(shí)可不考慮外墻板對(duì)其支承梁的剛度貢獻(xiàn)[3]。

（2）宿舍中非承重墻體較多、外掛墻板較重，整體計(jì)算時(shí)周期折減系數(shù)取為0.6，適當(dāng)放大地震作用，以保證結(jié)構(gòu)的抗震性能。

（3）根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010[4]，裝配整體式框架梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)可取為0.7～0.8，工程疊合梁板施工時(shí)均采取臨時(shí)支撐，節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高一級(jí)，負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)取0.8，以防止梁端負(fù)彎矩取值偏低。

（4）對(duì)于梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗震受剪承載力進(jìn)行特別驗(yàn)算。接縫位置內(nèi)力增大系數(shù)：抗剪情況取值1.2，其余情況取值1.1。接縫強(qiáng)度連接增大系數(shù)：抗剪連接取值1.3，其余連接取值1.1。

（5）預(yù)制構(gòu)件考慮脫模、翻轉(zhuǎn)、起吊堆放和使用等各個(gè)階段的不同工況，分別進(jìn)行各個(gè)階段的承載力、變形及裂縫控制驗(yàn)算。

3 樓板選擇

裝配整體式建筑的樓蓋可采用預(yù)制疊合樓蓋或現(xiàn)澆樓蓋，該項(xiàng)目選用預(yù)制疊合樓蓋。疊合樓板與現(xiàn)澆樓板相比，優(yōu)點(diǎn)在于其機(jī)械化程度高，制造質(zhì)量容易保證，簡(jiǎn)化了模板工程，施工速度快。《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ1-2014中對(duì)于裝配整體式樓蓋的疊合板有下列要求：疊合板的預(yù)制板厚度不宜小于60mm，現(xiàn)澆層厚度不應(yīng)小于60mm；跨度大于3m的疊合板，宜采用桁架鋼筋混凝土疊合板。

工程根據(jù)板的受力情況，并在保證構(gòu)件穩(wěn)定性的情況下，對(duì)不同厚度和支承情況的疊合樓板進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性對(duì)比（如表1所示），最終采用4.2m×8.3m的四邊支承雙向板結(jié)構(gòu)，板厚130mm（如圖2）。

表1 不同厚度和支承的疊合樓板用料對(duì)比

疊合樓板與梁的連接應(yīng)保證樓蓋或屋蓋能夠起到為結(jié)構(gòu)整體傳遞水平力和連接豎向構(gòu)件的作用。項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)由于采用了大板結(jié)構(gòu)，避免了預(yù)制板在房間內(nèi)的拼接，提高了樓板的整體性。預(yù)制板在組裝時(shí)在節(jié)點(diǎn)處伸入梁30mm放置固定，板端支座處預(yù)制板內(nèi)的縱向受力鋼筋應(yīng)從板端伸出并錨入支承梁的后澆混凝土中，錨固長(zhǎng)度不應(yīng)小于5d且應(yīng)過梁中心線。由于存在70mm的現(xiàn)澆層，所以板的上部鋼筋設(shè)置在現(xiàn)澆層內(nèi)且應(yīng)貫通節(jié)點(diǎn)，其數(shù)量按照計(jì)算結(jié)果確定，構(gòu)造要求與現(xiàn)澆板的負(fù)彎矩鋼筋相同（如圖3）。除了疊合板正常的底板鋼筋外，預(yù)制板中另設(shè)置了間距不大于600mm的V型桁架筋，桁架筋使預(yù)制部分板與疊合層混凝土連接更好，且保證其在施工階段不需要模板而能夠承受施工荷載，在使用階段桁架鋼筋的下弦鋼筋亦可作為疊合樓板的下部縱向配筋（如圖4）。

圖2 樓板布置平面圖

圖3梁板節(jié)點(diǎn)大樣

圖4 V型桁架筋和其在板中的布置

4 梁柱節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)

梁柱節(jié)點(diǎn)是預(yù)制裝配整體式框架結(jié)構(gòu)的重要部分，節(jié)點(diǎn)把梁和柱連接成整體并傳遞荷載，工程框架的梁柱節(jié)點(diǎn)采用整體性能較好的后澆整體式節(jié)點(diǎn)。1995年，新西蘭的Resreepo、Jose I和Robert Park等人針對(duì)這種框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能，進(jìn)行了6個(gè)節(jié)點(diǎn)足尺試件的反復(fù)加載試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明，這種節(jié)點(diǎn)的抗震性能可靠，從總體上能夠與相應(yīng)的現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)相媲美[5]。因此構(gòu)造上能夠與計(jì)算模型的假設(shè)相符。

該工程室內(nèi)地面標(biāo)高以下構(gòu)件采用現(xiàn)澆，現(xiàn)澆部分頂面預(yù)留插筋與預(yù)制柱連接，插筋預(yù)留長(zhǎng)度由連接鋼筋及套筒規(guī)格確定。進(jìn)行上部構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，為方便施工，加快施工速度，下柱縱筋的頂部預(yù)先放置好灌漿套筒并穿過節(jié)點(diǎn)區(qū)（如圖5），預(yù)制梁端的底筋伸入柱錨固（如圖6），錨固長(zhǎng)度滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的要求，為避免縱橫兩方向梁底縱筋在核芯區(qū)節(jié)點(diǎn)內(nèi)碰撞，工程框架梁在縱橫兩方向采用不同的截面高度，高度相差50mm。待預(yù)制框架柱四周預(yù)制框架梁安裝完成后，現(xiàn)場(chǎng)放置柱核芯區(qū)箍筋，并將上層預(yù)制柱縱筋穿入與之對(duì)應(yīng)的下層柱縱筋頂部的鋼套筒孔洞，并灌漿連接成整體，則可支模板澆筑梁柱節(jié)點(diǎn)混凝土形成節(jié)點(diǎn)（如圖7）。

圖5 柱頂縱筋構(gòu)造

圖6 梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

圖7 梁柱節(jié)點(diǎn)施工過程

5 設(shè)計(jì)和施工注意事項(xiàng)

5.1 荷載因素

由于工程采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，不可能按照現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)根據(jù)隔墻來布置次梁，所以房間內(nèi)的隔墻荷載大部分需要樓板來承擔(dān)。因此，樓板設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性是必須考慮的。在滿足建筑外觀、使用功能的前提下，就應(yīng)盡可能的使用輕質(zhì)材料進(jìn)行房間隔斷。

5.2 耐久性要求

采用裝配整體式結(jié)構(gòu)存在很多拼接縫。如果拼縫位置的構(gòu)造措施處理不當(dāng)就會(huì)使建筑的防水、防潮等存在嚴(yán)重問題，直接影響建筑物的使用壽命。因此，拼縫位置的處理應(yīng)該特別注意。

5.3 穩(wěn)定及平衡要求

各種工況下設(shè)計(jì)都應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的穩(wěn)定和平衡。例如梁承受荷載時(shí)會(huì)受到扭轉(zhuǎn)，此時(shí)，裝配式結(jié)構(gòu)中梁端的連接就必須考慮扭轉(zhuǎn)作用，在預(yù)制構(gòu)件定位后而現(xiàn)澆層未澆筑時(shí)，必須采用臨時(shí)構(gòu)件來協(xié)助梁抗扭[6]。同時(shí)，在施工吊裝過程中也應(yīng)考慮預(yù)制構(gòu)件的吊裝平衡和穩(wěn)定問題。工程針對(duì)這一情況，設(shè)計(jì)了專門的支撐和吊裝系統(tǒng)，既保證了施工過程中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全和穩(wěn)定性，也在提高支撐系統(tǒng)重復(fù)利用率的情況下極大地節(jié)約了施工成本。

5.4 制作要求

裝配整體式結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)在于減少了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量，節(jié)約勞動(dòng)力成本，產(chǎn)品質(zhì)量控制較好，建造速度快，生產(chǎn)效率高，材料利用率高。盡管大部分構(gòu)件能在工廠制作完成，但是不可避免的會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼接，因此連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，也關(guān)系到現(xiàn)場(chǎng)施工速度與造價(jià)等。當(dāng)連接構(gòu)造簡(jiǎn)單時(shí)，預(yù)制混凝土可能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。復(fù)雜的連接構(gòu)造在施工中難以控制并將使操作繁瑣，會(huì)減慢預(yù)制結(jié)構(gòu)的安裝，因而結(jié)構(gòu)中應(yīng)盡量不采用。

6 結(jié)論

該文通過對(duì)一棟6層宿舍樓的預(yù)制裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，提出了預(yù)制結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)需要采取的技術(shù)措施，并對(duì)關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造和設(shè)計(jì)施工中應(yīng)注意的事項(xiàng)進(jìn)行了介紹，其中的相關(guān)方法和思路可為類似的工程提供參考。

[1]崔健宇，孫建剛，王博，等.裝配式預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)在日本的應(yīng)用[J].大連民族學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，11（1）：67-70.

[2]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ1-2014裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

[3]Resreepo，Jose I，Robert Park，et al.Design of ConnectionsofEarthquakeResistingPrecastReinforcedConcrete Perimeter Frames[J].PCI Journal，1995b（5）：68-76.

[4]本書編寫組.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料集-混凝土結(jié)構(gòu)分冊(cè)[M].北京.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007：184-206.

[5]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[6]劉正勇，應(yīng)惠清.裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方法簡(jiǎn)介[J].施工技術(shù)，2008（S2）：26-29.

責(zé)任編輯：孫蘇,李紅

Study on Integral Prefabricated Concrete Frame Structure

With a six-storeydormitory building as a case study,this paper elaborates the structural design methods,floor selection,nodes,design and noteworthy issues in construction of the integral prefabricated concrete frame structure.Owing to the lack of design and construction experience for similar domestic engineering,the study on this new technology aims to facilitate the development of the structure.Relevant methods and thoughts can be referenced.

prefabricated concrete;fabrication;frame structure;nodes;superimposed slab

TV375

A

1671-9107（2017）03-0028-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.03.028

2016-11-13

向淵明（1979-），男，重慶人，本科，高級(jí)工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。