曹計(jì)栓,蘇 磊,王繼生,韋振飛,劉步芳

(北京市住宅產(chǎn)業(yè)化集團(tuán)股份有限公司,北京 100079)

0 引言

近年來(lái),隨著國(guó)家及省市相關(guān)政策的頒布,鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展異軍突起,尤其是在學(xué)校、醫(yī)院領(lǐng)域的應(yīng)用較為突出,鋼結(jié)構(gòu)具有抗震性能強(qiáng)、綠色、環(huán)保、施工速度快、可重復(fù)利用等特點(diǎn),是當(dāng)前我國(guó)裝配式建筑發(fā)展的重要支撐。目前,全國(guó)部分省份積極推廣鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的研究和實(shí)踐,在鋼結(jié)構(gòu)商品房、集中安置房細(xì)分領(lǐng)域均取得相關(guān)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和科技成果,但在建設(shè)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)大量制約鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展的問(wèn)題,主要包括鋼結(jié)構(gòu)住宅標(biāo)準(zhǔn)化程度不夠高、鋼結(jié)構(gòu)焊接量大、樓板施工存在大量濕作業(yè)。本文將鋼框架梁柱設(shè)計(jì)為全螺栓連接,樓板設(shè)計(jì)為全預(yù)制混凝土樓板,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化鋼框架和全預(yù)制混凝土樓板部件實(shí)現(xiàn)戶型統(tǒng)一化,總結(jié)得到標(biāo)準(zhǔn)化低層、多層保租房裝配式鋼結(jié)構(gòu)及樓板體系,并在北京市某保租房項(xiàng)目中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。

1 建筑方案設(shè)計(jì)全專業(yè)協(xié)同

保租房南區(qū)樓座平面布局設(shè)計(jì)為一字形、L形、U形,為最大限度實(shí)現(xiàn)保租房戶型標(biāo)準(zhǔn)化,建筑方案設(shè)計(jì)階段統(tǒng)籌結(jié)構(gòu)、內(nèi)裝、外圍護(hù)、設(shè)備與管線等專業(yè)進(jìn)行反復(fù)推敲,將所有樓座戶型中間統(tǒng)一設(shè)計(jì)為走廊,走廊兩側(cè)統(tǒng)一為戶內(nèi)臥室和衛(wèi)生間,平面軸網(wǎng)為矩形,軸網(wǎng)開間尺寸統(tǒng)一為5.6m,進(jìn)深尺寸統(tǒng)一為6.6m,走廊寬度統(tǒng)一為2.7m,管井統(tǒng)一設(shè)置在走廊位置。為實(shí)現(xiàn)大空間效果,考慮后期為內(nèi)部空間改造升級(jí)留有可能,結(jié)構(gòu)采用鋼框架體系,走廊兩側(cè)鋼框架梁上留設(shè)管線洞口,保證房間凈高,提高空間使用舒適性。建筑設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化還應(yīng)統(tǒng)籌考慮鋼框架和樓板快速裝配、管線綜合標(biāo)準(zhǔn)化程度,部品裝配化集成建造效率、部品部件加工制作成本等因素,找出建筑產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化的最大公約數(shù),實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案最優(yōu)。

2 鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

由于保租房建造工期短,為保證鋼結(jié)構(gòu)快速裝配,考慮前端加工廠制作效率,將結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)為鋼框架結(jié)構(gòu)形式,如圖1所示。采用矩形鋼管柱,鋼梁采用熱軋H型鋼,鋼柱與鋼梁懸臂段端部呈Z字形的截面采用全螺栓連接形式進(jìn)行連接,如圖2所示,實(shí)現(xiàn)梁柱無(wú)焊接連接,安裝快捷。

圖1 鋼框架模型

圖2 鋼框梁柱連接節(jié)點(diǎn)

2.1 鋼框架深化設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)高度為6層,其中地下1層、地上5層。鋼結(jié)構(gòu)主體施工前,應(yīng)進(jìn)行鋼框架和全預(yù)制混凝土樓板的安裝策劃,明確鋼框架和樓板的安裝順序。為減少現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量,考慮鋼框架安裝和樓板吊裝功效,將鋼框柱豎向拆分為2段,即2個(gè)“一柱三層”。

2.2 高強(qiáng)螺栓安裝優(yōu)化

在深化設(shè)計(jì)階段,考慮鋼框梁高度及高強(qiáng)螺栓安裝施工扭剪型電動(dòng)扳手操作空間,將鋼梁翼緣連接高強(qiáng)螺栓安裝優(yōu)化設(shè)計(jì)為螺母朝向預(yù)制樓板面一側(cè),為此,需在預(yù)制樓板與鋼梁高強(qiáng)螺栓螺母貼合面位置留設(shè)凹槽,如圖3所示。

3 樓板標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)及拆分

在建筑方案設(shè)計(jì)階段,為提高樓板裝配率及最大限度地減少樓板后澆混凝土工程量,創(chuàng)新設(shè)計(jì)匹配鋼框架體系的全預(yù)制混凝土樓板。實(shí)現(xiàn)全預(yù)制混凝土樓板的快速裝配前提條件是在建筑方案設(shè)計(jì)階段反向提出鋼框架平面軸網(wǎng)宜為矩形,樓板構(gòu)件平行于鋼框架平面短方向布置,如圖4所示,便于樓板構(gòu)件快速裝配施工。

圖4 全預(yù)制樓板布置

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

考慮全預(yù)制樓板構(gòu)件承載力及減重設(shè)計(jì),將全預(yù)制混凝土樓板總厚度設(shè)計(jì)為230mm,樓板縱橫向布置肋梁,肋梁間填充120mm厚聚苯板,其中衛(wèi)生間降板區(qū)域樓板厚170mm,樓板中間填充60mm厚擠塑聚苯板,經(jīng)計(jì)算,全預(yù)制樓板自重較實(shí)心樓板輕30%,承載力與實(shí)心樓板相同,達(dá)到減重不減承載力的效果。預(yù)制樓板鋼筋配置以陽(yáng)臺(tái)板為例,設(shè)計(jì)如圖5所示。樓板下表面與鋼梁上翼緣高強(qiáng)螺栓貼合面留設(shè)凹槽,保證板面安裝后的平整度,樓板板面預(yù)留管線槽,方便設(shè)備管線鋪設(shè),實(shí)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)與設(shè)備管線分離,方便以后產(chǎn)品改造升級(jí)。樓板可實(shí)現(xiàn)局部降板,實(shí)現(xiàn)整體衛(wèi)生間的功能需求。陽(yáng)臺(tái)板為懸挑結(jié)構(gòu),將陽(yáng)臺(tái)與內(nèi)部樓板設(shè)計(jì)為一整塊樓板,達(dá)到懸挑陽(yáng)臺(tái)的功能要求,考慮施工階段樓板安裝可實(shí)現(xiàn)免支模、免支撐施工,節(jié)約措施費(fèi),減少二次大面積澆筑混凝土,有效提高保租房鋼結(jié)構(gòu)主體建造效率。

3.2 節(jié)點(diǎn)連接

若相鄰2塊全預(yù)制樓板采用直接拼縫,由于樓板厚度為230mm,拼縫間隙小,嵌縫材料不足,難以起到連接及封閉作用,后期裝修容易開裂,因此,在相鄰2塊預(yù)制板拼縫位置下部留設(shè)混凝土托板。為保障全預(yù)制樓板連接整體性,在樓板支座與鋼梁連接部位設(shè)置出筋錨環(huán),在相鄰2塊板端的托板上部分別設(shè)計(jì)長(zhǎng)錨環(huán)和短錨環(huán),2個(gè)錨環(huán)交叉互錨,考慮安裝的便利性,長(zhǎng)、短錨環(huán)相互錯(cuò)開30mm在,在交叉區(qū)域設(shè)置2根鋼筋,如圖6所示。既保證了板與板節(jié)點(diǎn)間連接的整體性,又避免了頂板裝修開裂問(wèn)題,節(jié)點(diǎn)連接區(qū)域澆筑混凝土實(shí)現(xiàn)免模板,便于全預(yù)制樓板快速裝配施工。

3.3 拆分及深化設(shè)計(jì)

全預(yù)制樓板拆分設(shè)計(jì)對(duì)樓板安裝功效有決定性影響,1個(gè)柱段的鋼框架共3層,因預(yù)制樓板吊裝時(shí)最高需跨過(guò)2層鋼梁,走廊區(qū)域軸線尺寸設(shè)計(jì)為2.7m×5.6m,應(yīng)平行于短邊方向且沿長(zhǎng)邊方向進(jìn)行拆分,拆分后的樓板至少1個(gè)邊長(zhǎng)小于軸線短邊2.7m,方能滿足豎向吊裝落位空間要求?？紤]走廊區(qū)域分布管井,因此經(jīng)過(guò)計(jì)算,將走廊區(qū)域樓板拆分為3塊,兩側(cè)2塊為管井區(qū)域非標(biāo)準(zhǔn)板,中間1塊為標(biāo)準(zhǔn)板,每塊板尺寸約為2.7m×1.8m,滿足吊裝落位要求。戶內(nèi)區(qū)域軸線尺寸設(shè)計(jì)為6.5m×5.6m,拆分原則同走廊區(qū)域,拆分后的樓板至少1個(gè)邊長(zhǎng)小于短邊5.6m,方能滿足豎向吊裝落位空間要求?？紤]戶內(nèi)有衛(wèi)生間降板區(qū)域和懸挑陽(yáng)臺(tái)及起重機(jī)吊重匹配,經(jīng)過(guò)計(jì)算,將戶內(nèi)樓板拆分為4塊,如圖4所示。衛(wèi)生間降板區(qū)域?yàn)?塊非標(biāo)準(zhǔn)板,懸挑陽(yáng)臺(tái)一體板為1塊非標(biāo)準(zhǔn)板,其余中間拆分成2塊標(biāo)準(zhǔn)板,每塊板與板間由長(zhǎng)、短錨環(huán)相互咬合進(jìn)行連接,因此,將懸挑陽(yáng)臺(tái)一側(cè)深化設(shè)計(jì)為短錨環(huán)。為保證相鄰全預(yù)制混凝土樓板正常落位,將相鄰連接的標(biāo)準(zhǔn)板端設(shè)計(jì)為長(zhǎng)錨環(huán),由此類推,戶內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)板和衛(wèi)生間降板的兩側(cè)均為長(zhǎng)、短錨環(huán),同樣走廊區(qū)域異形板和標(biāo)準(zhǔn)板間的連接亦為長(zhǎng)、短錨環(huán),如圖7所示。

圖7 走廊和戶內(nèi)樓板拆分示意

4 全預(yù)制樓板荷載試驗(yàn)

全預(yù)制混凝土樓板為創(chuàng)新設(shè)計(jì),根據(jù)GB/T 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》及設(shè)計(jì)圖紙,對(duì)全預(yù)制混凝土樓板撓度變形、裂縫開展、混凝土應(yīng)變、肋梁鋼筋應(yīng)變、開裂荷載和極限荷載進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)2塊全預(yù)制混凝土樓板受力性能進(jìn)行檢測(cè),其中1塊針對(duì)預(yù)制底板開展試驗(yàn)研究,另一塊針對(duì)疊合樓板開展試驗(yàn)研究,試驗(yàn)參數(shù)如表1所示,板尺寸如圖8,9所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

圖8 B1板詳圖

圖9 B2板詳圖

試驗(yàn)采用分級(jí)加載方式,預(yù)制底板開裂前每級(jí)施加荷載1kN,每級(jí)加載完畢后持荷5min,如圖10所示。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,當(dāng)試件出現(xiàn)裂縫1.5mm、撓度1/50、受壓區(qū)混凝土壓碎、達(dá)到承載力設(shè)計(jì)值標(biāo)志時(shí),即認(rèn)為達(dá)到承載力極限狀態(tài),應(yīng)停止加載。

圖10 分級(jí)加載試驗(yàn)

B1板荷載-位移曲線如圖11所示。當(dāng)加載至最大荷載時(shí),板跨中向下最大位移為35.22mm,板1/4跨位置向下位移為23.54mm。

圖11 B1板荷載-位移曲線

B2板荷載-位移曲線如圖12所示。當(dāng)加載至最大荷載時(shí),板跨中向下最大位移為11.88mm,板1/4跨位置向下位移為8.60mm。

B1,B2板試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 B1,B2板試驗(yàn)結(jié)果

4.1 承載力驗(yàn)算

按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50010—2010(2015年版)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行檢驗(yàn),應(yīng)滿足式(1)要求:

γ0u≥γ0[γu]

(1)

式中:γ0u為構(gòu)件承載力檢驗(yàn)系數(shù)實(shí)測(cè)值,即試件荷載實(shí)測(cè)值與荷載設(shè)計(jì)值(均包括自重)比值;γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),按設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)等級(jí)確定,取1.0;[γu]為構(gòu)件承載力檢驗(yàn)系數(shù)允許值。

承載力驗(yàn)算結(jié)果表明(見表3),預(yù)制底板和疊合板承載力均滿足《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》相關(guān)要求。

4.2 撓度驗(yàn)算

依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的撓度允許值進(jìn)行檢驗(yàn),滿足式(2)要求:

(2)

撓度檢驗(yàn)允許值[as]應(yīng)按式(3)進(jìn)行計(jì)算:

[as]=[af]/θ

(3)

式中:θ為考慮荷載長(zhǎng)期效應(yīng)組合對(duì)撓度增大的影響系數(shù),按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》確定;af為受彎構(gòu)件撓度限值,按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》確定。

撓度驗(yàn)算結(jié)果表明(見表4),所測(cè)預(yù)制底板和疊合板撓度滿足《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》相關(guān)要求。

由預(yù)制構(gòu)件荷載試驗(yàn)得出,預(yù)制混凝土夾心疊合樓板撓度變形、裂縫開展、混凝土應(yīng)變、肋梁鋼筋應(yīng)變、開裂荷載和極限荷載均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

5 鋼結(jié)構(gòu)主體快速裝配

5.1 鋼框架安裝

南區(qū)樓座平面布局為一字形、L形和U形,其中一字形樓座單層建筑面積約520m2,L形樓座單層建筑面積約1 000m2,2種平面布局的樓座設(shè)計(jì)均無(wú)變形縫,水平方向不分段。U形樓座單層建筑面積約2 000m2,依據(jù)變形縫的留設(shè),水平方向分為3個(gè)施工段,在深化設(shè)計(jì)階段對(duì)鋼柱進(jìn)行豎向拆分,考慮梁柱為全螺栓連接方式,因此,控制鋼柱安裝精度尤為重要。施工過(guò)程中,1個(gè)豎向柱段的鋼框架安裝遵循平面方向從樓座中間先開始安裝4根鋼柱同時(shí)拉結(jié)相應(yīng)的1層鋼梁、逐漸向四周擴(kuò)展的安裝步驟,目的是減小鋼框架安裝誤差累計(jì)。待1個(gè)豎向柱段的1層鋼梁安裝完成,再自下而上安裝上部鋼梁并對(duì)鋼框架進(jìn)行整體校正和精確校正。由于梁柱為全螺栓連接,因此鋼框架安裝施工過(guò)程節(jié)省焊接和焊縫檢測(cè)工作,框架快速安裝校正合格且柱底灌漿完成后,方可進(jìn)行全預(yù)制樓板安裝作業(yè)。

5.2 全預(yù)制樓板安裝

5.2.1吊具選擇及吊點(diǎn)設(shè)計(jì)

吊裝機(jī)具選用一字形吊裝梁,吊裝梁設(shè)計(jì)長(zhǎng)度應(yīng)同時(shí)小于走廊軸線尺寸和戶內(nèi)軸線尺寸的最大值,便于吊裝樓板時(shí)能在走廊和戶內(nèi)鋼框架內(nèi)豎向下落至安裝層。吊點(diǎn)選擇根據(jù)全預(yù)制樓板設(shè)計(jì),本著吊裝安全原則,在每塊樓板肋梁區(qū)域預(yù)埋4個(gè)錨板型預(yù)埋套筒,預(yù)埋套筒布置成矩形,配套選用萬(wàn)向吊環(huán),實(shí)現(xiàn)安全吊裝和快速吊裝需求。全預(yù)制樓板吊裝如圖13所示。

5.2.2安裝策劃

在建筑方案設(shè)計(jì)階段提出鋼框架為矩形截面,因此,全預(yù)制樓板吊裝路線首先應(yīng)沿鋼框架長(zhǎng)方向下落至安裝層,其次旋轉(zhuǎn)90°再精確落位至鋼梁上。

首個(gè)豎向柱段鋼框架安裝完成且鋼柱柱腳灌漿完成方可自下而上逐層安裝全預(yù)制樓板,第2個(gè)豎向柱段鋼框架安裝完成且鋼柱對(duì)接焊接完成后方可自下而上逐層安裝全預(yù)制樓板,考慮全預(yù)制樓板安裝過(guò)程對(duì)1個(gè)豎向柱段鋼框架的變形量影響最小,平面上安裝路線本著先安裝中間走廊區(qū)域樓板,其次安裝兩側(cè)戶內(nèi)樓板,最后整體向四周逐步擴(kuò)展的總體原則。

5.2.3安裝要點(diǎn)

根據(jù)預(yù)制樓板節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì),經(jīng)過(guò)分析,由于板與板節(jié)點(diǎn)連接是長(zhǎng)、短環(huán)互錨,應(yīng)本著長(zhǎng)錨環(huán)壓短錨環(huán)的安裝方針,從一端開始向另一邊逐塊推進(jìn)。安裝前,應(yīng)對(duì)鋼梁標(biāo)高進(jìn)行抄測(cè),并在鋼梁上翼緣測(cè)放出每塊全預(yù)制樓板定位線,需首先安裝帶短錨環(huán)的樓板,其次安裝中間標(biāo)準(zhǔn)板,使帶有長(zhǎng)錨環(huán)的一側(cè)與短錨環(huán)互錨,且調(diào)整板端托板緊密貼實(shí),依次類推直至安裝完成?？紤]到戶內(nèi)懸挑陽(yáng)臺(tái)一體板安裝時(shí)需向外推動(dòng)再落位,為降低安裝落位調(diào)節(jié)難度,戶內(nèi)樓板安裝原則是先安裝外側(cè)懸挑陽(yáng)臺(tái)一體板,逐次安裝戶內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)版,最后安裝衛(wèi)生間降板。全預(yù)制樓板安裝過(guò)程如圖14所示。陽(yáng)臺(tái)一體板和衛(wèi)生間降板板底與鋼梁高強(qiáng)螺栓貼合面凹槽邊緣要壓住鋼梁上翼緣5mm,以實(shí)現(xiàn)后澆混凝土?xí)r免支模板的目標(biāo)。相鄰2個(gè)房間陽(yáng)臺(tái)預(yù)制T形蓋板應(yīng)及時(shí)安裝,走廊區(qū)域先安裝帶管井的非標(biāo)準(zhǔn)板,其次安裝中間標(biāo)準(zhǔn)板,最后安裝另一塊帶管井的非標(biāo)準(zhǔn)板。

當(dāng)每層樓板安裝初步完成后,在相鄰2塊樓板連接節(jié)點(diǎn)放置縱向鋼筋,并與錨環(huán)上部綁扎牢固,鋼筋綁扎驗(yàn)收合格后在相鄰2塊樓板拼縫非降板區(qū)域、降板區(qū)域和鋼梁支座區(qū)域的節(jié)點(diǎn)澆筑混凝土,如圖15所示。考慮此部位有機(jī)電管線鋪設(shè),需留設(shè)60mm高管線鋪設(shè)空間,采用裝修做法進(jìn)行填實(shí)。

6 結(jié)語(yǔ)

1)該保租房項(xiàng)目在建筑方案設(shè)計(jì)階段,為實(shí)現(xiàn)大跨度大空間的可變功能,設(shè)計(jì)為鋼框架和全預(yù)制混凝土樓板結(jié)構(gòu)體系,統(tǒng)籌考慮結(jié)構(gòu)部件現(xiàn)場(chǎng)快速裝配,最大限度地提高了建筑產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度。

2)該鋼結(jié)構(gòu)梁柱設(shè)計(jì)為全螺栓連接方式,大大減少了現(xiàn)場(chǎng)焊接和焊縫檢測(cè)工作量,縮短鋼結(jié)構(gòu)安裝工期。

3)通過(guò)對(duì)全預(yù)制樓板標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)及拆分,提高全預(yù)制混凝土樓板安裝效率,并極大地減少了樓板后澆混凝土工程量,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了板與板間拼縫免支模,節(jié)約施工成本。

4)在建筑設(shè)計(jì)方案階段提前介入,考慮結(jié)構(gòu)部件裝配施工可行性,通過(guò)精密的安裝策劃,在鋼結(jié)構(gòu)及預(yù)制樓板快速裝配施工等方面發(fā)揮了裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系標(biāo)準(zhǔn)化高效建造的特點(diǎn)。