梁曉東（上海建筑設計集團工程建設咨詢有限公司，上海 200040）

與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建造形式相比，裝配式建筑主要有 3 方面的變化。一是設計模式的變化，主要體現(xiàn)在建筑設計時各階段各專業(yè)問題的前置考慮，設計模式由粗放式逐漸轉(zhuǎn)化為精細化；二是生產(chǎn)工藝的變化，生產(chǎn)方式由施工現(xiàn)場大面積的濕作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)楣S工業(yè)化的生產(chǎn)，同時伴隨著生產(chǎn)工藝的變化，如減少了現(xiàn)場濕作業(yè)工藝，增加了預制構件生產(chǎn)和裝配施工工藝；三是管理模式的變化，相比以往的建設工程在全生命周期管理中增加了預制構件生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)，就伴隨著后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的改變。其中，3 方面的變化以設計為主導貫穿整個建設周期。為促進設計與施工的契合，保證預制構件的安全，研究預制構件短暫工況驗算具有重要意義。

1 裝配式建筑常見問題

裝配式建筑作為建筑業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構優(yōu)化升級的突破口，近年來發(fā)展迅猛，但是快速發(fā)展的過程中也暴露出了很多問題。通過對文獻[1-15]梳理和調(diào)研，了解目前裝配式建筑仍存在的問題主要有設計問題、生產(chǎn)問題及施工問題等。其中，生產(chǎn)問題和施工問題可通過管理手段有效解決，但設計問題僅僅依靠管理很難得到有效的解決。這主要體現(xiàn)在兩方面。一是裝配式建筑設計規(guī)范和標準相對滯后，設計時多數(shù)還是參照現(xiàn)澆設計規(guī)范和標準；二是設計時對施工因素考慮得少，對預制構件缺少精細化設計經(jīng)驗。基于此，本文就預制構件短暫工況驗算進行探討和研究，以提供相應設計策略和解決方法。

2 研究目的與方法

通過對問題的梳理與分析，裝配式建筑設計時如果不能充分考慮生產(chǎn)與施工階段的各要素，將直接影響整個項目的進度和質(zhì)量，增加建設工程總成本。因此，進行預制構件短暫工況設計時，充分考慮生產(chǎn)和施工各要素，對于裝配式建筑生產(chǎn)與施工具有重要作用。依據(jù)采用工作分解結(jié)構（Work Breakdown Structure，WBS）原理，將預制構件短暫工況驗算。根據(jù)階段和工況將驗算劃分為一個個小的設計計算任務，再在每一個任務中完成相應的計算，見圖 1 。

圖1 預制構件短暫工況驗算分析步驟

3 預制構件短暫工況驗算分析

3.1 生產(chǎn)與吊裝階段驗算分析

3.1.1 荷載計算

預制構件在生產(chǎn)與吊裝階段的短暫工況驗算主要包括脫模和吊裝驗算。根據(jù)規(guī)范對持久設計和短暫設計狀況按荷載標準組合計算承載能力極限狀態(tài)下作用組合的效應設計值。根據(jù) GB 50666—2011《混凝土結(jié)構工程施工規(guī)范》的 9.2.2款規(guī)定，預制構件在脫模、吊運、安裝等環(huán)節(jié)的施工驗算應將構件自重乘以脫模系數(shù)或動力系數(shù)作為等效荷載標準值，并符合下列規(guī)定。

(1) 脫模吸附系數(shù)宜取 1.5，并可根據(jù)構件和模具表面狀況適當增減；對于復雜情況，脫模吸附系數(shù)宜根據(jù)試驗確定。

(2) 構件吊運、運輸時，動力系數(shù)可取 1.5；構件翻轉(zhuǎn)及安裝過程中就位、臨時固定時，動力系數(shù)可取 1.2。當有可靠經(jīng)驗時，動力系數(shù)可根據(jù)實際受力情況和安全要求適當增減。

根據(jù)以上規(guī)范規(guī)定，構件的脫模荷載和吊裝荷載計算如式（1）～（4）。

脫模荷載計算時，構件重力值應適當放大，放大系數(shù)根據(jù)實際經(jīng)驗確定（可取 1.1）。計算吸附面積時應扣除洞口面積按照構件實際面積計算。吸附力應根據(jù)構建和模具使用情況取用，但應≥1.5 kN/m2。吊裝荷載計算如式（4）。

3.1.2 計算模型的選取

梁、板、柱等構件可采用等代梁模型進行內(nèi)力的計算和分析，即將預制構件看作梁在自重作用下的抗彎和抗剪作用。水平和豎向構件的計算模型可參照圖 2、圖 3 選取，其中計算模型的支座和幾何尺寸可根據(jù)吊點的布置數(shù)量確定。

圖2 水平構件短暫工況計算模型

圖3 豎向構件短暫工況計算模型

3.1.3 設計驗算

依據(jù) GB 50666—2011，預制構件施工驗算應符合下列規(guī)定。

(1) 鋼筋混凝土和預應力混凝土構件正截面邊緣混凝土法向壓應力應滿足式（5）要求。

式中： σ cc—施工各環(huán)節(jié)在荷載標準組合作用下產(chǎn)生的構件正截面邊緣混凝土法向壓應力，可按毛截面計算，N/mm2；

(2) 鋼筋混凝土和預應力混凝土構件正截面邊緣混凝土法向拉應力應滿足式（6）要求。

式中：σct—施工各環(huán)節(jié)在荷載標準組合作用下產(chǎn)生的構件正截面邊緣混凝土法向拉應力，可按毛截面計算，N/mm2；

(3) 對于預應力混凝土構件的端部正截面邊緣的混凝土法向拉應力可適當放大，但應 ≤ 1 . 2 f。

(4) 對施工過程中允許出現(xiàn)裂縫的鋼筋混凝土構件，其正截面邊緣混凝土法向拉應力限值可適當放松，但開裂截面處受拉鋼筋的應力滿足式（7）要求。

式中： σs—各施工環(huán)節(jié)在荷載標準組合作用下的受拉鋼筋 應力，應按照開裂截面計算，N/mm2；

f ′yk—受拉鋼筋強度標準值，N/mm2。

3.1.4 桁架疊合構件短期剛度的計算

在計算預制構件截面內(nèi)力時，應首先確定截面的剛度。桁架疊合構件短期剛度可采用等效剛度法和短期剛度解析法進行計算。等效剛度法的基本思路是將受力鋼筋換算成等效的混凝土面積，再以換算面積計算截面剛度。短期剛度解析法是在不考慮后澆層混凝土對構件剛度的貢獻情況下，計算混凝土與桁架鋼筋網(wǎng)共同作用下的短期剛度。

鋼筋等效計算模型見圖 4，其中 h 為板厚度，h1為預制厚度，h2為疊合層厚度，h0為桁架底筋鋼筋形心至板面距離，ht為桁架高度，c1，c2分別為桁架鋼筋至板頂面和板底面距離，b 為等代梁寬（≤板厚的 15 倍）。

圖4 等效剛度法桁架疊合構件鋼筋等效計算模型

根據(jù)材料力學中截面幾何性質(zhì)分別計算截面受壓區(qū)高度 X 和截面慣性矩 I0，以及混凝土彈性模量 E0見式（8）、式（9）。

故開裂前混凝土等效截面剛度為 B=0.85 E0I0（0.85 為剛度折減系數(shù)）。

(2) 短期剛度解析法。按王正凱[16]和 DG/TJ 08—2071—2010《裝配整體式混凝土住宅體系設計規(guī)程》規(guī)定，桁架疊合構件短期剛度計算模型見圖 5。其中，桁架上弦筋直徑為 dc,下弦筋直徑為 ds，疊合板板底到上弦筋的形心距離為 h，與桁架筋平行的板內(nèi)分布鋼筋形心到上弦筋形心距離為 h1，下弦筋和上弦筋的形心距離為 hs，疊合板底分布筋外皮與板底之間距離為 t0，與桁架筋平行的板內(nèi)分布鋼筋直徑為 d1，與桁架垂直的板內(nèi)分布鋼筋的直徑為 d，桁架筋外包高度為 H，疊合板形心軸為 y0，預制層厚度為 t。

圖5 短期剛度解析法桁架疊合構件等效計算模型

桁架疊合構件等代梁模型寬度的計算，計算模型見圖 6，按式（10）計算。

應滿足 B≤a。式中：當 a0＜l0時，ba=（0.5－0.3 a0/l0） a0；當 a0≥l0時，ba=0.2 l0，其中 l0為疊合板凈寬。

根據(jù)以上計算參數(shù)，等效梁截面中性軸 y 0 和慣性矩 I0按式（11）計算。

由此可以計算出桁架疊合構架短期剛度 B'=E0I0。

3.1.5 內(nèi)力分析與驗算

3.2 施工階段驗算分析

預制構件施工階段的驗算主要是考慮施工荷載預制構件非疊合層受力是否滿足要求。需要驗算的類型包括豎向預制構件風荷載作用穩(wěn)定性驗算和水平預制構件（不考慮疊合層）施工荷載作用下預制構件的驗算。其計算模型和計算方法與脫模和吊裝階段相同，因此施工階段驗算分析，只進行荷載和豎向預制構件的分析。

3.2.1 荷載計算

(1) 水平構件荷載的組合。預制構件施工階段的荷載可參考現(xiàn)澆，即參考 GB 50666—2011 中模板及支架的荷載組合。其荷載組合 S 按式（13）計算，其中參與組合的永久荷載包括預制構件自重，新澆疊合層混凝土自重，鋼筋自重等；參與組合的荷載包括施工人員及施工設備產(chǎn)生的荷載，混凝土下料產(chǎn)生的荷載等。其中，荷載標準值取值可按 GB 50666—2011 附錄 A 確定，如式（13）所示。

式中： SGik—第 i 個永久荷載標準值產(chǎn)生的荷載效應；

SGjk—第 j 個可變荷載標準值產(chǎn)生的荷載效應；

ψcj—第 j 個可變荷載的組合值系數(shù)，宜取 ψcj≥ 0 . 9 。

(2) 豎向構件荷載的組合。在施工階段，豎向預制構件自重由下層構件承擔，因此豎向構件主要承擔的是水平風荷載。可根據(jù) GB 50009—2012《建筑結(jié)構荷載規(guī)范》中圍護結(jié)構計算規(guī)定，風荷載計算按式（14）計算。

式中： ωk—風荷載標準值，kN/m2；

β gz—高度 z 處的陣風系數(shù)；

μ s1—風荷載局部體型系數(shù)；

μz—風壓高度系數(shù)；

ω0—基本風壓，kN/m2。

3.2.2 豎向預制構件驗算

根據(jù) GB 50666—2011 中的相關規(guī)定，預制構件的臨時支撐，可按照 KcSc≤ Rc公式計算，式中 Kc為施工安全系數(shù)， Sc為荷載組合效應值， Rc為支撐材料承載力設計值。

仍然按照等效梁模型進行計算，然后根據(jù)荷載組合值計算等效梁模型的內(nèi)力，驗算臨時支撐軸心受壓和受拉強度，以及受壓工況下的穩(wěn)定性驗算。

4 項目案例

以上海某住宅項目為例。該項目地上建筑面積約為 20 萬 m2，共計 29 幢單體，其中 3 棟樓為鋼結(jié)構，其余為混凝土剪力墻結(jié)構和混凝土框架結(jié)構。當前該項目正在施工。以該項目疊合板和預制墻為算例，驗算其短暫工況作用。

4.1 疊合板算例

疊合板算例示意圖，見圖 7，其中板的預制層為 60 mm，板鋼筋間距為 150 mm，強度為 HRB 400，桁架規(guī)格為 A 80。板自重標準值取 11.422 kN，板吸附力取 1.5 kN/m2。

圖7 疊合板算例示意圖

根據(jù)上述計算方法，疊合板等代梁寬度為 446 mm。根據(jù)上述兩種計算方法計算結(jié)果見表 1。由表 1 可知等效剛度法與短期剛度解析法，兩者計算相差不大，均可用于桁架疊合構件短暫工況驗算。

表1 疊合板算例計算表

4.2 預制墻算例

預制墻算例示意圖，見圖 8，其中墻體厚度為 200.00 mm，高度為 3 000.00 mm，寬度為 1 800.00 mm，斜支撐外徑為 60 的 Q 235 鋼管，壁厚 3 mm，截面積為 5.372 cm2，回轉(zhuǎn)半徑為 20.18 mm。

查電算計算書，本工程場地地面粗糙度為 B 類，50 a 重現(xiàn)基本風壓取 0.55 kN/m2，結(jié)構高度為 47.8 m，層高為 3 150 mm。按高度 50 m 計算風荷載，根據(jù) GB 50009—2012 中相關規(guī)范，查表 8.2.1 風壓高度系數(shù)為 μz=1.62，查表 8.3.3 風荷載局部體型系數(shù)為 μs1=1.00，查表 8.6.1 陣風系數(shù) βgz=1.55，ωk=βgzμzμs1ω0=1.38 kN/m2。

5 結(jié) 語

通過梳理和調(diào)研，總結(jié)了裝配式建筑常見問題，并對問題產(chǎn)生的原因進行了分析。設計缺少精細化思維，是產(chǎn)生問題的根源?；诖?，本文對預制構件短暫工況驗算進行研究，分析了預制構件在生產(chǎn)、吊裝及施工階段各工況的驗算，并結(jié)合工程實例，總結(jié)了水平預制構件和豎向預制構件計算公式和設計流程，為預制構件短暫工況精細化設計提供參考和依據(jù)。

通過分析，解決了預制構件短暫工況設計方法和流程的問題。借助信息化技術手段提高工作效率，是未來行業(yè)發(fā)展的趨勢。因此，將預制構件短暫工況設計進行程式化表達，提高其設計效率很可能是下一步發(fā)展的趨勢。