裝配式混凝土建筑結構設計分析

文/ 張忠喜 湖南省建筑設計院有限公司 湖南長沙 410000

裝配式混凝土建筑是我國建筑業不斷向現代化目標發展的重要產物，它的出現使建筑設計、建造都面臨到前所未有的變革。由于裝配式混凝土結構建造方式與現澆結構差別很大，目前很多設計采用了基于預制構件“拆分”的結構設計，以符合現行國家標準規定和政策規定為目標的設計方式，在很多方面存在著結構安全和建筑使用的隱患[1]。本文主要針對裝配式混凝土結構區別于現澆結構進行闡述分析。

1、裝配式混凝土結構設計原理

裝配式建筑結構設計的基本原理是等同原理。也就是說，通過采用可靠的預制構件受力鋼筋連接技術，采用預制構件與后澆混凝土相結合的方法和必要的結構與構造措施，保證其具有與現澆混凝土結構等同的延性、承載力和耐久性能，使裝配整體式混凝土結構與現澆混凝土結構的效果基本等同。

實現等同效果，結構構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現，必須對相關結構和構造做一些加強或調整，應用條件也會比現澆混凝土結構限制得更嚴。

裝配式結構的設計應符合下列幾個原則：

1）應采取有效措施加強結構的整體性；

2）裝配式結構宜采用高強混凝土、高強鋼筋；

3）裝配式結構的節點和接縫應受力明確、構造可靠，并應滿足承載力、延性和耐久性等要求；

4）應根據連接節點和接縫的構造方式和性能，確定結構的整體計算模型。

2、裝配式結構布置

裝配式混凝土結構的平面及豎向布置要求，應適當嚴于現澆混凝土結構。在進行建筑方案設計時，需考慮裝配式混凝土結構對規則性的要求，盡量避免采用不規則的平面、豎向布置。

高層裝配整體式混凝土結構，當其房屋高度、規則性等超限時，需進行結構抗震性能化設計。

2.1 結構平面布置要求

平面布置宜簡單、規則、均勻、對稱；并盡可能使剛度中心與質量中心重合，以減少扭轉；剪力墻應沿兩個方向雙向布置，使建筑物具有合理的雙向剛度，且剪力墻結構中不宜采用轉角窗。

對平面規則性的限制從結構抗震角度主要有兩個目的：①控制結構扭轉；②避免樓板中出現應力集中。結構在地震作用下的扭轉對裝配式混凝土結構尤其不利，會造成結構邊緣的構件中剪力較大，預制構件水平接縫容易產生開裂和破壞；扭轉還會在疊合樓板中產生較大的面內應力，在樓板與豎向構件的接縫處引起面內剪力，都容易造成破壞。對于平面較長外伸、角部重疊和細腰形的平面，凹角部位樓板內會產生應力集中，中央狹窄部分樓板內應力也很大。如果采用此種不規則的平面布置時，設計中應有針對性的進行分析和局部加強，如采用現澆樓板、加厚疊合樓板的現澆層及構造配筋，或者在外伸端部設置剛度較大的抗側力構件等。

2.2 結構豎向布置要求

裝配式結構豎向布置應連續、均勻，應避免抗側力結構的側向剛度和承載力沿豎向突變。

豎向不規則會造成結構地震力和承載力沿豎向的突變，裝配式結構在突變處的構件接縫更容易發生破壞。如果發生豎向承載力或剛度突變的情況，突變位置可局部采用現澆結構。

高層裝配整體式框架結構中，首層柱宜采用現澆混凝土。裝配整體式剪力墻結構的底部加強區及其上一層、核心筒范圍宜采用現澆混凝土墻體，其余部位根據需要采用預制剪力墻。

剪力墻布置時，外墻建議盡量采用預制剪力墻，能有效實現保溫節能一體化并減少腳手架的搭設。

3、裝配式結構計算分析

裝配整體式混凝土結構的整體計算參數控制指標與現澆混凝土結構基本相同，區別于現澆混凝土結構主要有以下幾個方面：

1）應根據連接點和接縫的構造方式和性能，確定結構的整體計算模型。

當預制構件之間采用后澆帶連接且接縫構造及承載力均能夠實現等同現澆的要求，可按現澆混凝土結構進行模擬。

對于不能實現等同現澆的連接節點及接縫形式，應按照實際情況模擬。如干式連接節點，一般應根據其實際受力狀況模擬為剛接、鉸接或者半剛接節點。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）現澆墻地震力放大。

預制剪力墻的接縫對其抗側剛度有一定的削弱作用，應考慮對彈性計算的內力進行調整。對同一層內既有現澆墻肢也有預制墻肢的裝配整體式剪力墻結構，現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。放大系數宜根據現澆墻肢與預制墻肢彈性剪力的比例確定。

3）樓蓋面內剛度假定和梁剛度增大系數。

對現澆樓蓋和疊合樓蓋，梁的剛度放大需要考慮疊合板底板是預制的，預制部分和梁的連接處有縫，計算時預制底板不適合完全考慮平面內無限剛性假定的，規范也給出參考數據，增大系數1.3～2.0比現澆混凝土的系數要小。

無后澆層的裝配式樓蓋對梁剛度增大作用較小，設計中可以忽略。

4）框架梁端負彎矩調幅系數。

在豎向荷載作用下，考慮框架梁端塑性變形內力重分布對梁端負彎矩乘以調幅系數，考慮到裝配整體式框架節點剛性降低對框架內力的影響，裝配整體式框架梁端負彎矩調幅系數適當降低，取0.7～0.8[2]。

5）樓板的布置方式與荷載傳遞路徑。

根據樓板的拆分設計和相應的連接構造，確定荷載傳遞方式。如果完全布置成單向板，對結構傳力路徑還是有影響的。

6）混凝土保護層厚度。

現澆混凝土結構的鋼筋保護層厚度應當從受力鋼筋的箍筋算起，裝配式結構連接部位的鋼筋保護層厚度應當從套筒的箍筋算起。由于連接套筒的直徑都比較大，鋼筋會向構件內部偏移，而且偏移數據還不小，若計算模型中混凝土保護層厚度取值不當，構件就會存在安全隱患。

4、預制構件設計及主要連接方式

預制構件設計及連接方式是裝配式建筑結構設計區別與現澆結構的主要部分，主要需要考慮以下幾個方面。

1）預制構件應遵循少規格、多組合的原則，綜合建筑的功能要求進行標準化設計，減少構件的規格種類及提高構件模板的重復利用率，利于構件的生產制造與施工，從而控制造價。

2）預制構件的形狀、尺寸、重量等應滿足制作、運輸、安裝等各個環節的要求，合理控制構件尺寸。

① 考慮到吊裝的要求，單個構件的重量不宜過重，宜控制在6噸以內；

② 目前預制構件生產廠家的生產臺模一般為3.6m、4.0m兩種寬度，應以臺模的寬度為控制指標，相對應的構件短邊的尺寸不超過3.2m和3.6m；

③ 疊合板的運輸為平放，受運輸車輛限制，其短邊寬度不宜超過2.4m。

3）構件在安裝過程中，鋼筋對位直接制約構件的連接效率，故預制構件的配筋設計宜采用大直徑、大間距的配筋方式，以便于工廠化生產、現場鋼筋的對位和連接。

4）主要連接方式。

① 后澆混凝土連接。在預制構件結合部留出后澆區，現場澆筑混凝土進行連接，包括梁柱現澆節點、預制剪力墻之間現澆連接段等。

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

結語：

裝配式結構設計不是簡單的在現澆結構基礎上進行預制構件“拆分”，而是應以工業化、產業化、信息化的思維重新建立裝配式建筑設計理念，以滿足建筑的適用性、結構的安全性為需求，只有對裝配式結構體系有比較全面的了解和技術掌握，才能實現真正合理的裝配式混凝土結構設計 。