預制裝配整體式混凝土框架結構研究

向淵明，羅昭軍，金山

（中機中聯工程有限公司，重慶400039）

預制裝配整體式混凝土框架結構研究

向淵明，羅昭軍，金山

（中機中聯工程有限公司，重慶400039）

該文以一棟六層宿舍樓為例，對預制裝配整體式混凝土框架結構的結構設計方法、樓板選擇、連接節點、設計和施工中應注意的事項等進行了詳細論述。由于國內類似工程的設計和施工經驗不足，對這種新型技術的研究，旨在推動這種結構的發展，相關方法和思路可為類似的工程提供參考。

預制混凝土；裝配；框架結構；連接節點；疊合樓板

0 引言

預制裝配式混凝土結構作為建筑工業化的一種重要方式，萌芽于20世紀二三十年代，興起于第二次世界大戰后的英、法、蘇聯等國家。由于其節約勞動力成本、建造速度快、生產效率高、產品質量控制較好、材料利用率高等優點，經過幾十年的發展，目前歐洲各國、美國、日本、新西蘭等都建立了較成熟的預制裝配式混凝土結構體系[1]。

我國在20世紀50年代提出了建筑工業化的發展方向，在全國推廣工廠化、裝配化、標準化的建造方式。近10年來，隨著我國城市化進程的提速，一系列國家政策、地方標準和獎勵政策紛紛出臺，我國在裝配混凝土建筑方面的研究逐步升溫，為提高預制裝配式結構性能提供了重要的技術基礎。該文以設計施工完成的某宿舍樓為例，對預制裝配整體式混凝土框架結構在設計和施工中應注意的問題進行研究。

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，主要柱網為4.2m×8.3m，結構采用裝配整體式混凝土框架結構，結構標準層平面布置圖如圖1所示。除室內地面標高以下構件采用現澆施工外，地面以上的柱、梁、樓梯和外墻板均采用預制構件，樓板和屋面板采用疊合樓板。預制框架柱主要截面尺寸為500mm×500mm，預制框架梁截面尺寸為：X向300mm×650mm，Y向300mm×700mm。柱混凝土強度等級：1層-2層為C35，2層以上為C30；梁板混凝土強度等級均為C30。預制框架柱的鋼筋連接采用一端機械連接，一端灌漿的球墨鑄鐵半灌漿套筒，套筒內水泥基灌漿料采用無收縮砂漿，28d齡期立方體抗壓強度標準值不小于85MPa。

圖1 標準層結構平面布置圖

工程抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.1g，設計地震分組為第三組，建筑場地類別為Ⅲ類，主體結構的設計使用年限為50年，結構安全等級為二級，框架抗震等級為三級。工程按等同現澆設計，按現澆結構進行整體計算，并采取針對性的補充計算以及相適應的抗震措施來保證結構具有良好的整體性，并保證預制構件及其連接部位的承載力與變形滿足要求。

2 結構設計

工程按等同現澆設計，在各種設計狀況下，裝配整體式結構可采用與現澆混凝土結構相同的方法進行結構分析[2]。結構計算分析采用PKPM系列軟件中的SATWE軟件。考慮到預制結構與現澆結構存在的差異性，為保證預制結構的安全性和計算模型與預制結構實際受力情況相符，在整體計算時采取以下措施。

（1）預制外墻板與結構采用鉸接形式連接，整體計算時可不考慮外墻板對其支承梁的剛度貢獻[3]。

（2）宿舍中非承重墻體較多、外掛墻板較重，整體計算時周期折減系數取為0.6，適當放大地震作用，以保證結構的抗震性能。

（3）根據《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010[4]，裝配整體式框架梁端負彎矩調幅系數可取為0.7～0.8，工程疊合梁板施工時均采取臨時支撐，節點區混凝土強度等級提高一級，負彎矩調幅系數取0.8，以防止梁端負彎矩取值偏低。

（4）對于梁柱節點核心區抗震受剪承載力進行特別驗算。接縫位置內力增大系數：抗剪情況取值1.2，其余情況取值1.1。接縫強度連接增大系數：抗剪連接取值1.3，其余連接取值1.1。

（5）預制構件考慮脫模、翻轉、起吊堆放和使用等各個階段的不同工況，分別進行各個階段的承載力、變形及裂縫控制驗算。

3 樓板選擇

裝配整體式建筑的樓蓋可采用預制疊合樓蓋或現澆樓蓋，該項目選用預制疊合樓蓋。疊合樓板與現澆樓板相比，優點在于其機械化程度高，制造質量容易保證，簡化了模板工程，施工速度快。《裝配式混凝土結構技術規程》JGJ1-2014中對于裝配整體式樓蓋的疊合板有下列要求：疊合板的預制板厚度不宜小于60mm，現澆層厚度不應小于60mm；跨度大于3m的疊合板，宜采用桁架鋼筋混凝土疊合板。

工程根據板的受力情況，并在保證構件穩定性的情況下，對不同厚度和支承情況的疊合樓板進行了經濟性對比（如表1所示），最終采用4.2m×8.3m的四邊支承雙向板結構，板厚130mm（如圖2）。

表1 不同厚度和支承的疊合樓板用料對比

疊合樓板與梁的連接應保證樓蓋或屋蓋能夠起到為結構整體傳遞水平力和連接豎向構件的作用。項目設計時由于采用了大板結構，避免了預制板在房間內的拼接，提高了樓板的整體性。預制板在組裝時在節點處伸入梁30mm放置固定，板端支座處預制板內的縱向受力鋼筋應從板端伸出并錨入支承梁的后澆混凝土中，錨固長度不應小于5d且應過梁中心線。由于存在70mm的現澆層，所以板的上部鋼筋設置在現澆層內且應貫通節點，其數量按照計算結果確定，構造要求與現澆板的負彎矩鋼筋相同（如圖3）。除了疊合板正常的底板鋼筋外，預制板中另設置了間距不大于600mm的V型桁架筋，桁架筋使預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梁板節點大樣

圖4 V型桁架筋和其在板中的布置

4 梁柱節點連接技術

梁柱節點是預制裝配整體式框架結構的重要部分，節點把梁和柱連接成整體并傳遞荷載，工程框架的梁柱節點采用整體性能較好的后澆整體式節點。1995年，新西蘭的Resreepo、Jose I和Robert Park等人針對這種框架節點的抗震性能，進行了6個節點足尺試件的反復加載試驗研究，試驗表明，這種節點的抗震性能可靠，從總體上能夠與相應的現澆節點相媲美[5]。因此構造上能夠與計算模型的假設相符。

該工程室內地面標高以下構件采用現澆，現澆部分頂面預留插筋與預制柱連接，插筋預留長度由連接鋼筋及套筒規格確定。進行上部構件設計時，為方便施工，加快施工速度，下柱縱筋的頂部預先放置好灌漿套筒并穿過節點區（如圖5），預制梁端的底筋伸入柱錨固（如圖6），錨固長度滿足《混凝土結構設計規范》規定的要求，為避免縱橫兩方向梁底縱筋在核芯區節點內碰撞，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。待預制框架柱四周預制框架梁安裝完成后，現場放置柱核芯區箍筋，并將上層預制柱縱筋穿入與之對應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點混凝土形成節點（如圖7）。

圖5 柱頂縱筋構造

圖6 梁柱節點構造

圖7 梁柱節點施工過程

5 設計和施工注意事項

5.1 荷載因素

由于工程采用預制結構，不可能按照現澆框架結構根據隔墻來布置次梁，所以房間內的隔墻荷載大部分需要樓板來承擔。因此，樓板設計的經濟性是必須考慮的。在滿足建筑外觀、使用功能的前提下，就應盡可能的使用輕質材料進行房間隔斷。

5.2 耐久性要求

采用裝配整體式結構存在很多拼接縫。如果拼縫位置的構造措施處理不當就會使建筑的防水、防潮等存在嚴重問題，直接影響建筑物的使用壽命。因此，拼縫位置的處理應該特別注意。

5.3 穩定及平衡要求

各種工況下設計都應考慮結構和構件的穩定和平衡。例如梁承受荷載時會受到扭轉，此時，裝配式結構中梁端的連接就必須考慮扭轉作用，在預制構件定位后而現澆層未澆筑時，必須采用臨時構件來協助梁抗扭[6]。同時，在施工吊裝過程中也應考慮預制構件的吊裝平衡和穩定問題。工程針對這一情況，設計了專門的支撐和吊裝系統，既保證了施工過程中結構構件的安全和穩定性，也在提高支撐系統重復利用率的情況下極大地節約了施工成本。

5.4 制作要求

裝配整體式結構最大的優點在于減少了現場作業量，節約勞動力成本，產品質量控制較好，建造速度快，生產效率高，材料利用率高。盡管大部分構件能在工廠制作完成，但是不可避免的會在現場進行拼接，因此連接節點的設計不僅關系到整個結構的安全性和穩定性，也關系到現場施工速度與造價等。當連接構造簡單時，預制混凝土可能獲得良好的經濟效益。復雜的連接構造在施工中難以控制并將使操作繁瑣，會減慢預制結構的安裝，因而結構中應盡量不采用。

6 結論

該文通過對一棟6層宿舍樓的預制裝配整體式混凝土框架結構的設計進行探討，提出了預制結構在設計時需要采取的技術措施，并對關鍵連接節點的構造和設計施工中應注意的事項進行了介紹，其中的相關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.裝配式預制混凝土結構在日本的應用[J].大連民族學院學報，2009，11（1）：67-70.

[2]中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ1-2014裝配式混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，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.建筑結構設計資料集-混凝土結構分冊[M].北京.中國建筑工業出版社，2007：184-206.

[5]中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ3-2010高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[6]劉正勇，應惠清.裝配式混凝土框架結構節點構造方法簡介[J].施工技術，2008（S2）：26-29.

責任編輯：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，高級工程師，主要從事結構設計工作。