裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

【摘要】隨著裝配式建筑的發(fā)展，裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)存在諸多不同之處，本文在介紹裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了裝配式結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)計(jì)算分析和預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)及主要連接方式，以此為設(shè)計(jì)實(shí)踐提供可靠的參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】預(yù)制裝配式建筑；設(shè)計(jì)原理；結(jié)構(gòu)布置；計(jì)算分析；預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)；連接方式

裝配式混凝土建筑是我國(guó)建筑業(yè)不斷向現(xiàn)代化目標(biāo)發(fā)展的重要產(chǎn)物，它的出現(xiàn)使建筑設(shè)計(jì)、建造都面臨到前所未有的變革。由于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建造方式與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)差別很大，目前很多設(shè)計(jì)采用了基于預(yù)制構(gòu)件“拆分”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和政策規(guī)定為目標(biāo)的設(shè)計(jì)方式，在很多方面存在著結(jié)構(gòu)安全和建筑使用的隱患[1]。本文主要針對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)區(qū)別于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述分析。

1、裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原理是等同原理。也就是說(shuō)，通過(guò)采用可靠的預(yù)制構(gòu)件受力鋼筋連接技術(shù)，采用預(yù)制構(gòu)件與后澆混凝土相結(jié)合的方法和必要的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造措施，保證其具有與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)等同的延性、承載力和耐久性能，使裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的效果基本等同。

實(shí)現(xiàn)等同效果，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接方式是最重要最根本的。但并不是僅僅連接方式可靠就可以實(shí)現(xiàn)，必須對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)和構(gòu)造做一些加強(qiáng)或調(diào)整，應(yīng)用條件也會(huì)比現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)限制得更嚴(yán)。

裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列幾個(gè)原則：

1） 應(yīng)采取有效措施加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性；

2）裝配式結(jié)構(gòu)宜采用高強(qiáng)混凝土、高強(qiáng)鋼筋；

3）裝配式結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)和接縫應(yīng)受力明確、構(gòu)造可靠，并應(yīng)滿(mǎn)足承載力、延性和耐久性等要求；

4）應(yīng)根據(jù)連接節(jié)點(diǎn)和接縫的構(gòu)造方式和性能，確定結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算模型。

2、裝配式結(jié)構(gòu)布置

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的平面及豎向布置要求，應(yīng)適當(dāng)嚴(yán)于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行建筑方案設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮裝配式混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)規(guī)則性的要求，盡量避免采用不規(guī)則的平面、豎向布置。

高層裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)其房屋高度、規(guī)則性等超限時(shí)，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)。

2.1結(jié)構(gòu)平面布置要求

平面布置宜簡(jiǎn)單、規(guī)則、均勻、對(duì)稱(chēng)；并盡可能使剛度中心與質(zhì)量中心重合，以減少扭轉(zhuǎn)；剪力墻應(yīng)沿兩個(gè)方向雙向布置，使建筑物具有合理的雙向剛度，且剪力墻結(jié)構(gòu)中不宜采用轉(zhuǎn)角窗。

對(duì)平面規(guī)則性的限制從結(jié)構(gòu)抗震角度主要有兩個(gè)目的：①控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)；②避免樓板中出現(xiàn)應(yīng)力集中。結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)尤其不利，會(huì)造成結(jié)構(gòu)邊緣的構(gòu)件中剪力較大，預(yù)制構(gòu)件水平接縫容易產(chǎn)生開(kāi)裂和破壞；扭轉(zhuǎn)還會(huì)在疊合樓板中產(chǎn)生較大的面內(nèi)應(yīng)力，在樓板與豎向構(gòu)件的接縫處引起面內(nèi)剪力，都容易造成破壞。對(duì)于平面較長(zhǎng)外伸、角部重疊和細(xì)腰形的平面，凹角部位樓板內(nèi)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，中央狹窄部分樓板內(nèi)應(yīng)力也很大。如果采用此種不規(guī)則的平面布置時(shí)，設(shè)計(jì)中應(yīng)有針對(duì)性的進(jìn)行分析和局部加強(qiáng)，如采用現(xiàn)澆樓板、加厚疊合樓板的現(xiàn)澆層及構(gòu)造配筋，或者在外伸端部設(shè)置剛度較大的抗側(cè)力構(gòu)件等。

2.2結(jié)構(gòu)豎向布置要求

裝配式結(jié)構(gòu)豎向布置應(yīng)連續(xù)、均勻，應(yīng)避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力沿豎向突變。

豎向不規(guī)則會(huì)造成結(jié)構(gòu)地震力和承載力沿豎向的突變，裝配式結(jié)構(gòu)在突變處的構(gòu)件接縫更容易發(fā)生破壞。如果發(fā)生豎向承載力或剛度突變的情況，突變位置可局部采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。

高層裝配整體式框架結(jié)構(gòu)中，首層柱宜采用現(xiàn)澆混凝土。裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)的底部加強(qiáng)區(qū)及其上一層、核心筒范圍宜采用現(xiàn)澆混凝土墻體，其余部位根據(jù)需要采用預(yù)制剪力墻。

剪力墻布置時(shí)，外墻建議盡量采用預(yù)制剪力墻，能有效實(shí)現(xiàn)保溫節(jié)能一體化并減少腳手架的搭設(shè)。

3、裝配式結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算參數(shù)控制指標(biāo)與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)基本相同，區(qū)別于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)主要有以下幾個(gè)方面：

1）應(yīng)根據(jù)連接點(diǎn)和接縫的構(gòu)造方式和性能，確定結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算模型。

當(dāng)預(yù)制構(gòu)件之間采用后澆帶連接且接縫構(gòu)造及承載力均能夠?qū)崿F(xiàn)等同現(xiàn)澆的要求，可按現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。

對(duì)于不能實(shí)現(xiàn)等同現(xiàn)澆的連接節(jié)點(diǎn)及接縫形式，應(yīng)按照實(shí)際情況模擬。如干式連接節(jié)點(diǎn)，一般應(yīng)根據(jù)其實(shí)際受力狀況模擬為剛接、鉸接或者半剛接節(jié)點(diǎn)。從連接便利的角度，主次梁連接采用鉸接的支座模型比較好。

2）現(xiàn)澆墻地震力放大。

預(yù)制剪力墻的接縫對(duì)其抗側(cè)剛度有一定的削弱作用，應(yīng)考慮對(duì)彈性計(jì)算的內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整。對(duì)同一層內(nèi)既有現(xiàn)澆墻肢也有預(yù)制墻肢的裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆墻肢水平地震作用彎矩、剪力宜乘以不小于1.1的增大系數(shù)。放大系數(shù)宜根據(jù)現(xiàn)澆墻肢與預(yù)制墻肢彈性剪力的比例確定。

3）樓蓋面內(nèi)剛度假定和梁剛度增大系數(shù)。

對(duì)現(xiàn)澆樓蓋和疊合樓蓋，梁的剛度放大需要考慮疊合板底板是預(yù)制的，預(yù)制部分和梁的連接處有縫，計(jì)算時(shí)預(yù)制底板不適合完全考慮平面內(nèi)無(wú)限剛性假定的，規(guī)范也給出參考數(shù)據(jù)，增大系數(shù)1.3～2.0比現(xiàn)澆混凝土的系數(shù)要小。

無(wú)后澆層的裝配式樓蓋對(duì)梁剛度增大作用較小，設(shè)計(jì)中可以忽略。

4）框架梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)。

在豎向荷載作用下，考慮框架梁端塑性變形內(nèi)力重分布對(duì)梁端負(fù)彎矩乘以調(diào)幅系數(shù)，考慮到裝配整體式框架節(jié)點(diǎn)剛性降低對(duì)框架內(nèi)力的影響，裝配整體式框架梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)適當(dāng)降低，取0.7～0.8[2]。

5）樓板的布置方式與荷載傳遞路徑。

根據(jù)樓板的拆分設(shè)計(jì)和相應(yīng)的連接構(gòu)造，確定荷載傳遞方式。如果完全布置成單向板，對(duì)結(jié)構(gòu)傳力路徑還是有影響的。

6）混凝土保護(hù)層厚度。

現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋保護(hù)層厚度應(yīng)當(dāng)從受力鋼筋的箍筋算起，裝配式結(jié)構(gòu)連接部位的鋼筋保護(hù)層厚度應(yīng)當(dāng)從套筒的箍筋算起。由于連接套筒的直徑都比較大，鋼筋會(huì)向構(gòu)件內(nèi)部偏移，而且偏移數(shù)據(jù)還不小，若計(jì)算模型中混凝土保護(hù)層厚度取值不當(dāng)，構(gòu)件就會(huì)存在安全隱患。

4、預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)及主要連接方式

預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)及連接方式是裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)區(qū)別與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的主要部分，主要需要考慮以下幾個(gè)方面。

1） 預(yù)制構(gòu)件應(yīng)遵循少規(guī)格、多組合的原則，綜合建筑的功能要求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，減少構(gòu)件的規(guī)格種類(lèi)及提高構(gòu)件模板的重復(fù)利用率，利于構(gòu)件的生產(chǎn)制造與施工，從而控制造價(jià)。

2） 預(yù)制構(gòu)件的形狀、尺寸、重量等應(yīng)滿(mǎn)足制作、運(yùn)輸、安裝等各個(gè)環(huán)節(jié)的要求，合理控制構(gòu)件尺寸。

① 考慮到吊裝的要求，單個(gè)構(gòu)件的重量不宜過(guò)重，宜控制在6噸以?xún)?nèi)；

② 目前預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)臺(tái)模一般為3.6m、4.0m兩種寬度，應(yīng)以臺(tái)模的寬度為控制指標(biāo)，相對(duì)應(yīng)的構(gòu)件短邊的尺寸不超過(guò)3.2m和3.6m；

③ 疊合板的運(yùn)輸為平放，受運(yùn)輸車(chē)輛限制，其短邊寬度不宜超過(guò)2.4m。

3）構(gòu)件在安裝過(guò)程中，鋼筋對(duì)位直接制約構(gòu)件的連接效率，故預(yù)制構(gòu)件的配筋設(shè)計(jì)宜采用大直徑、大間距的配筋方式，以便于工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)鋼筋的對(duì)位和連接。

4）主要連接方式。

① 后澆混凝土連接。在預(yù)制構(gòu)件結(jié)合部留出后澆區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土進(jìn)行連接，包括梁柱現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)、預(yù)制剪力墻之間現(xiàn)澆連接段等。

② 套筒灌漿連接和漿錨搭接。套筒灌漿連接和漿錨搭接是用于受力鋼筋的連接。

③ 疊合連接。疊合連接是預(yù)制板（梁）與現(xiàn)澆混凝土疊合的連接方式，包括樓板、梁和懸挑板等，疊合構(gòu)件的下層為預(yù)制構(gòu)件，上層為現(xiàn)澆層。

結(jié)語(yǔ)：

裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不是簡(jiǎn)單的在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件“拆分”，而是應(yīng)以工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化、信息化的思維重新建立裝配式建筑設(shè)計(jì)理念，以滿(mǎn)足建筑的適用性、結(jié)構(gòu)的安全性為需求，只有對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)體系有比較全面的了解和技術(shù)掌握，才能實(shí)現(xiàn)真正合理的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 。

參考文獻(xiàn)：

[1]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部住宅產(chǎn)業(yè)化促進(jìn)中心.大力推廣裝配式建筑必讀—技術(shù).標(biāo)準(zhǔn).成本和效益.中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2016：45～47.

[2]中國(guó)有色工程有限公司.混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊(cè)（第五版）.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016，346.

作者簡(jiǎn)介：

張忠喜（1984-），男，工程師，研究生，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。