趙海燕

上海水石建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)股份有限公司（200235）

0 前言

隨著全國裝配式建筑政策的密集出臺(tái)，新建裝配式建造項(xiàng)目比例越來越高，裝配式建筑已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展階段。發(fā)展裝配式建筑的目標(biāo)為提高工程質(zhì)量、提高施工效率、減小人工、減少環(huán)境污染，是項(xiàng)目建造方式的重大變革。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)熟悉預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、裝配式施工建造工法，結(jié)合結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)和構(gòu)件連接設(shè)計(jì)等內(nèi)容?，F(xiàn)以已建成的裝配整體式框架項(xiàng)目為例，介紹裝配整體式框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并對(duì)預(yù)制疊合梁設(shè)計(jì)、預(yù)制疊合梁縱向鋼筋的錨固和梁底縱筋連接設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)梳理。

1 項(xiàng)目概況

新建項(xiàng)目5#生產(chǎn)用房位于上海市松江區(qū)，建筑功能為加工制造業(yè)生產(chǎn)用房。建筑總長度73.1 m，寬度23.9 m。本項(xiàng)目為地上5層，地上1層生產(chǎn)用房內(nèi)配備5 t電動(dòng)單梁懸掛起重機(jī)（S=4.0 m），建筑層高為7.2 m。地上2層生產(chǎn)用房內(nèi)配備3 t電動(dòng)單梁懸掛起重機(jī)（S=4.0 m）,建筑層高為6.5 m。地上3～5層為生產(chǎn)用房，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.5 m，房屋建筑總高度為27.5 m。

建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)為丙類。基本風(fēng)壓為0.55 kN/m2（50年重現(xiàn)期）,地面粗糙度為B類。項(xiàng)目結(jié)構(gòu)類型為裝配整體式框架結(jié)構(gòu)，抗震等級(jí)為二級(jí)[2]。

2 裝配整體式框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 裝配式結(jié)構(gòu)方案

2.1.1 結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐?/p>

本項(xiàng)目建筑長度73.1 m，因預(yù)制構(gòu)件在工廠生產(chǎn)時(shí)混凝土收縮已經(jīng)完成，且因邊跨樓板為樓、電梯間開洞設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[1]裝配式框架結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距為75 m的規(guī)定，可按1個(gè)結(jié)構(gòu)單體進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1.2 預(yù)制構(gòu)件

滿足裝配式建筑項(xiàng)目預(yù)制率40%的要求，采用預(yù)制的水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件為桁架預(yù)制疊合板和預(yù)制疊合梁，均為免模板、有支撐設(shè)計(jì)。豎向構(gòu)件為預(yù)制框架柱，斜撐構(gòu)件為預(yù)制梯段板。

2.1.3 預(yù)制構(gòu)件布置范圍

水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)選框架 （跨度8.1 m×7.5 m）為標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制單元，進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，節(jié)約構(gòu)件材料成本，提高現(xiàn)場(chǎng)安裝工效。為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性，頂層屋面板、樓板開大洞周邊樓板按現(xiàn)澆設(shè)計(jì)。桁架預(yù)制疊合板布置范圍為2～5層，同時(shí)避開管井、衛(wèi)生間等管線集中區(qū)域。預(yù)制疊合梁布置范圍為2～5面層。

為優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)工種間有序高效施工，優(yōu)選框架單元內(nèi)框架柱預(yù)制，同時(shí)考慮構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)原則，避開建筑豎向?qū)痈卟灰?guī)則的1～2層，選擇標(biāo)準(zhǔn)層3～5層框架柱、梯段板預(yù)制設(shè)計(jì)。

2.1.4 預(yù)制構(gòu)件連接設(shè)計(jì)

結(jié)合梁格尺寸和經(jīng)濟(jì)性，本項(xiàng)目四邊支承樓板按雙向板設(shè)計(jì)計(jì)算。桁架預(yù)制疊合板底端部出筋錨入相鄰梁（柱）內(nèi)。當(dāng)同一樓板被拆分成多個(gè)桁架預(yù)制疊合板時(shí)，雙向疊合板之間采用整體式接縫連接設(shè)計(jì)。接縫設(shè)置在板次要方向且避開最大彎矩截面，采用后澆帶形式。后澆帶兩側(cè)板底縱向筋端部設(shè)135°彎鉤，接頭率為100%，鋼筋搭接長度滿足現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定。

預(yù)制疊合梁端部出筋錨入框架柱內(nèi)。

預(yù)制框架柱縱向鋼筋在梁柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)貫通，上、下層預(yù)制框架柱間縱向鋼筋采用全灌漿套筒100%連接。

項(xiàng)目樓梯構(gòu)件未參與整體結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算。為減少樓梯構(gòu)件對(duì)主體結(jié)構(gòu)剛度的影響，預(yù)制梯段板與現(xiàn)澆梯梁按預(yù)埋螺栓連接設(shè)計(jì)，高端支承為固定鉸支座，低端支承為滑動(dòng)鉸支座。預(yù)制梯段板按兩端簡支模型進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)。

2.1.5 預(yù)制構(gòu)件截面設(shè)計(jì)

項(xiàng)目樓板厚度取150 mm，滿足預(yù)制構(gòu)件短暫工況驗(yàn)算，桁架預(yù)制疊合板厚為70 mm，樓板后澆疊合層厚度取80 mm。

考慮樓面荷載和構(gòu)件內(nèi)鋼筋的合理排布，便于梁、柱鋼筋在節(jié)點(diǎn)區(qū)的有效避讓，對(duì)框架柱、梁截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

梁截面寬度為400 mm，考慮同一節(jié)點(diǎn)多梁鋼筋節(jié)點(diǎn)錨固、豎向彎折避讓等對(duì)梁截面有效高度h0的影響最小，將主要受力方向梁截面高度增加100 mm，并考慮先安裝設(shè)計(jì)。

框架柱截面尺寸按大于同方向梁寬的1.5倍設(shè)計(jì)，且不小于600 mm。

2.2 “等同現(xiàn)澆”結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)

對(duì)地震區(qū)的裝配整體式結(jié)構(gòu)，當(dāng)預(yù)制構(gòu)件之間采用后澆混凝土連接，接縫構(gòu)造（構(gòu)件端部鍵槽、粗糙面等）和接縫承載力滿足現(xiàn)行規(guī)程規(guī)定，可按“等同現(xiàn)澆”進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)。

2.3 局部設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整（以YJK-A建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件為例）

考慮到地震作用的隨機(jī)性，在不同的組合下，梁端彎矩可能為正，也可能為負(fù)。現(xiàn)行規(guī)范第11.3.6條第2款對(duì)框架梁端截面的縱向鋼筋面積比（底部和頂部）提出規(guī)定。第11.3.1條對(duì)梁正截面受彎承載力計(jì)算中，對(duì)縱向受壓鋼筋的梁端混凝土受壓區(qū)高度有最大限值規(guī)定[3]。

梁正截面計(jì)算時(shí)，會(huì)綜合考慮規(guī)范第11.3.1條和第11.3.6條第2款規(guī)定，進(jìn)行地震組合梁端承載力配筋計(jì)算，同時(shí)建議用戶在設(shè)計(jì)參數(shù)中，優(yōu)先選擇框架梁梁端配筋考慮受壓鋼筋影響。軟件會(huì)考慮ζb的調(diào)整及最小受壓鋼筋面積的規(guī)定，避免出現(xiàn)截面受壓區(qū)高度超限的問題，同時(shí)計(jì)算的受拉鋼筋面積也會(huì)因考慮受壓鋼筋影響而偏小，這樣能在一定程度上解決梁端鋼筋過于擁擠的問題。

3 預(yù)制疊合梁設(shè)計(jì)

3.1 預(yù)制疊合梁端接縫設(shè)計(jì)

結(jié)合預(yù)制疊合梁端結(jié)合面的受剪承載力，如新舊混凝土結(jié)合面的黏結(jié)力、鍵槽和后澆混凝土疊合層的抗剪力、梁縱向鋼筋的抗剪作用等，對(duì)預(yù)制疊合梁構(gòu)件進(jìn)行梁端構(gòu)造設(shè)計(jì)、梁端抗剪設(shè)計(jì)。

預(yù)制疊合梁端部及與后澆混凝土的結(jié)合面應(yīng)設(shè)置粗糙面,要求骨料凹凸深度不應(yīng)小于6 mm。梁端同時(shí)設(shè)置鍵槽，鍵槽構(gòu)造滿足規(guī)程規(guī)定。

框架疊合梁的后澆混凝土疊合層厚度不小于150 mm，可按矩形截面梁設(shè)計(jì)。

梁端接縫的正截面承載力應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

按規(guī)程第7.2.2條進(jìn)行預(yù)制疊合梁端接縫的抗剪承載力計(jì)算，應(yīng)同時(shí)滿足規(guī)程第6.5.1條梁端抗剪驗(yàn)算規(guī)定。對(duì)于梁端箍筋加密區(qū)等裝配整體式結(jié)構(gòu)的控制區(qū)域，梁端接縫要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)連接設(shè)計(jì)要求，即預(yù)制疊合梁端接縫的抗剪承載力設(shè)計(jì)值大于被連接梁構(gòu)件端部斜截面受剪承載力 （混凝土截面、實(shí)配箍筋面積）設(shè)計(jì)值乘以強(qiáng)連接系數(shù)，以保證預(yù)制疊合梁不在接縫處發(fā)生損壞。本項(xiàng)目框架抗震等級(jí)為二級(jí)，梁端接縫受剪承載力增大系數(shù)為1.2。

3.2 預(yù)制疊合梁縱向鋼筋在節(jié)點(diǎn)中錨固

框架梁柱節(jié)點(diǎn)根據(jù)所在位置不同，分為框架中間層端節(jié)點(diǎn)、框架中間層中間節(jié)點(diǎn)、框架頂層端節(jié)點(diǎn)和框架頂層中間節(jié)點(diǎn)四種?，F(xiàn)僅以現(xiàn)場(chǎng)施工較為復(fù)雜的框架中間層中間節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行介紹，預(yù)制框架柱縱向鋼筋在梁柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)貫通，梁縱向鋼筋伸入中柱節(jié)點(diǎn)錨固設(shè)計(jì)。

3.2.1 梁上部縱筋

因梁上部縱筋為疊合層后澆混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工放置，在中間節(jié)點(diǎn)內(nèi)錨固構(gòu)造按現(xiàn)行國家規(guī)范、國標(biāo)圖集《混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖》（現(xiàn)澆混凝土框架、剪力墻、梁、板）16G101-1和 《混凝土結(jié)構(gòu)施工鋼筋排布規(guī)則與構(gòu)造詳圖》（現(xiàn)澆混凝土框架、剪力墻、梁、板）18G901-1規(guī)定?？蚣苤虚g層中間節(jié)點(diǎn)，相交于同一柱的雙向梁（4根）頂標(biāo)高相同，且當(dāng)梁頂鋼筋為兩排及以上設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行梁頂和梁節(jié)點(diǎn)鋼筋排布，同時(shí)對(duì)預(yù)制疊合梁后澆層厚度150 mm進(jìn)行尺寸復(fù)核。如不滿足，也可采用梁頂縱筋并筋配置。

以5軸交B軸的KL6交KL13中柱節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行分析（如圖1所示），梁梁疊合層頂筋排布構(gòu)造（如圖2所示）。

3.2.2 梁側(cè)腰筋

梁側(cè)腰筋有受扭縱筋和構(gòu)造鋼筋兩種。

梁側(cè)為受扭縱筋設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按梁側(cè)受扭縱筋和梁頂（底）角筋，沿截面周邊均勻?qū)ΨQ布置為原則，且間距不應(yīng)大于200 mm及梁截面短邊長度。受扭縱向鋼筋應(yīng)按梁下部受拉縱筋錨固在支座內(nèi)。

梁側(cè)為構(gòu)造鋼筋設(shè)計(jì)時(shí)，由于預(yù)制構(gòu)件的收縮在工廠生產(chǎn)時(shí)已經(jīng)基本完成，為簡化安裝，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[5]規(guī)定，梁側(cè)構(gòu)造鋼筋可不伸入梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)。

圖1 框架梁柱二層中間節(jié)點(diǎn)

圖2 梁疊合層頂筋排布構(gòu)造

3.2.3 梁下部縱筋

現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，根據(jù)梁端計(jì)算條件不同，梁下部縱筋在節(jié)點(diǎn)錨固要求不同。當(dāng)梁端計(jì)算不利用該鋼筋的強(qiáng)度時(shí)，梁底縱筋伸入節(jié)點(diǎn)或支座的錨固長度不小于12 d（帶肋鋼筋）和15 d（光面鋼筋），d為鋼筋的最大直徑。當(dāng)梁端計(jì)算僅利用該鋼筋的抗壓強(qiáng)度時(shí)，梁底縱筋伸入節(jié)點(diǎn)或支座的錨固長度不應(yīng)小于0.7La（0.7LaE），且要求受壓鋼筋不應(yīng)采用末端彎鉤和一側(cè)貼焊錨筋的錨固措施。當(dāng)梁端計(jì)算中利用鋼筋的抗拉強(qiáng)度時(shí)，鋼筋可采用直線方式錨固在中間支座內(nèi)，且錨固長度不應(yīng)小于La（LaE）。

考慮預(yù)制構(gòu)件加工及安裝的便利性，本項(xiàng)目梁下部縱筋采用鋼筋端部加錨固板的機(jī)械錨固方式。鋼筋錨固板的材質(zhì)、鋼筋絲頭加工、錨固板的安裝、檢驗(yàn)與驗(yàn)收均應(yīng)滿足現(xiàn)行規(guī)程[6]規(guī)定。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)中已經(jīng)選擇“框架梁梁端配筋考慮受壓鋼筋影響”，但當(dāng)水平荷載較大或相鄰跨的跨度相差太多時(shí)也有受拉的可能。梁端縱筋計(jì)算值除應(yīng)滿足規(guī)程第11.3.6條第2款規(guī)定受壓鋼筋最小值要求外，同時(shí)根據(jù)梁正截面受彎承載力計(jì)算受拉鋼筋截面面積。以5軸交B軸的KL6交KL13中柱節(jié)點(diǎn)（圖1）為例，梁底縱筋為受拉鋼筋計(jì)算值，預(yù)制疊合梁下部縱筋采用部分錨固板時(shí)，鋼筋宜伸至柱對(duì)側(cè)縱向鋼筋內(nèi)邊，錨固長度不應(yīng)小于0.4Lb（0.4LaE）。結(jié)合同一節(jié)點(diǎn)梁構(gòu)件吊裝順序，采用梁底縱向鋼筋豎向彎折避讓（先下后上），彎折角度不大于1∶6。梁底彎折位置附加構(gòu)造縱筋，與梁底縱筋搭接長度滿足現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定。預(yù)制疊合梁下部縱筋在節(jié)點(diǎn)內(nèi)錨固設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 預(yù)制疊合梁下部縱筋節(jié)點(diǎn)

3.3 預(yù)制疊合梁底縱向鋼筋的連接設(shè)計(jì)

裝配整體式框架節(jié)點(diǎn)中，如遇梁柱縱筋數(shù)量多且節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋排布困難時(shí)，也可采用梁縱向鋼筋貫穿梁柱節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)區(qū)外設(shè)置梁后澆段的連接方案。梁頂縱向鋼筋貫通后澆段并滿足現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，梁底縱筋在后澆段內(nèi)采用搭接連接或機(jī)械連接，后澆段內(nèi)箍筋加密設(shè)置，除滿足計(jì)算外，尚應(yīng)滿足搭接區(qū)對(duì)箍筋直徑和間距的要求。

梁底縱向鋼筋在后澆段采用搭接連接時(shí)，搭接位置宜在節(jié)點(diǎn)外梁彎矩較小的1.5 hb以外，以避讓梁端塑性鉸區(qū)和箍筋加密區(qū)。

梁底縱向鋼筋在后澆段內(nèi)采用機(jī)械連接時(shí)，為實(shí)現(xiàn)施工高效、接頭易檢測(cè)等質(zhì)量保證措施，推薦采用擠壓套筒連接、YK可調(diào)組合鋼筋接頭等形式，接頭的各項(xiàng)性能指標(biāo)應(yīng)滿足現(xiàn)行規(guī)程I級(jí)接頭規(guī)定。后澆段鋼筋機(jī)械連接構(gòu)造可參見現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)第5.6.6條梁后澆段縱筋擠壓套筒連接設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定要求。但應(yīng)注意，梁后澆段縱筋連接位于框架梁端箍筋加密區(qū)時(shí)，梁后澆段長度應(yīng)同時(shí)考慮鋼筋機(jī)械接頭率不應(yīng)大于50%的規(guī)定[7]。

4 結(jié)論和建議

項(xiàng)目裝配式設(shè)計(jì)全過程，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)與預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、安裝、現(xiàn)場(chǎng)施工的工作界面協(xié)同，根據(jù)結(jié)構(gòu)概念、方案和傳力途徑等確定預(yù)制構(gòu)件拆分及連接方式，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算、構(gòu)件設(shè)計(jì)及連接設(shè)計(jì)。在裝配整體式框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，預(yù)制疊合梁縱向鋼筋在節(jié)點(diǎn)中錨固和連接方式是決定施工可行性及節(jié)點(diǎn)受力性能的關(guān)鍵。預(yù)制疊合梁縱向鋼筋在節(jié)點(diǎn)中錨固和連接設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)參數(shù)、計(jì)算方法入手，使得構(gòu)件計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、合理。預(yù)制構(gòu)件接縫構(gòu)造符合規(guī)范規(guī)定，接縫連接滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”設(shè)計(jì)要求，并充分考慮構(gòu)件鋼筋合理排布和高效鋼筋連接技術(shù)等施工措施，保證節(jié)點(diǎn)受力、鋼筋連接安全可靠，真正實(shí)現(xiàn)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高現(xiàn)場(chǎng)施工效率的裝配式建造目標(biāo)。