裝配式混凝土建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析

鄭茂金 李龍

四川省建筑設(shè)計(jì)研究院 四川成都 610000

正文：

1 引言

近年來，傳統(tǒng)的建筑行業(yè)正面臨著人口紅利減弱、環(huán)境污染嚴(yán)重、建安工期限制及建筑工程質(zhì)量等諸多問題。為此，裝配式建筑以工業(yè)化、綠色化、高效化和質(zhì)量化的優(yōu)勢(shì)得到我國從業(yè)人員和政府部門的認(rèn)可和推廣，因其能較好地解決傳統(tǒng)建筑行業(yè)面臨的難題。裝配式混凝土建筑是指以工廠化生產(chǎn)的混凝土預(yù)制構(gòu)件（圖1～3）為主，通過現(xiàn)場裝配的方式建造而成的混凝土結(jié)構(gòu)類房屋建筑。根據(jù)結(jié)構(gòu)類型，可分為裝配式框架結(jié)構(gòu)、裝配式框剪結(jié)構(gòu)和裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)。

圖1 預(yù)制疊合梁

圖2 預(yù)制疊合樓板

圖3 預(yù)制墻板

相比傳統(tǒng)的混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)既有許多與其相似相通之處，也有不少特有的要求和規(guī)定。兩者的異同基本貫穿于整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，只有對(duì)此均有清晰的認(rèn)識(shí)和理解，方可在裝配式混凝土建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中做到“安全適用、經(jīng)濟(jì)合理和確保質(zhì)量”的要求。

2 裝配式混凝土建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟大致分為方案階段設(shè)計(jì)、施工圖階段設(shè)計(jì)和構(gòu)件深化階段設(shè)計(jì)。相比傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要多了一個(gè)構(gòu)件深化階段設(shè)計(jì)步驟。

（1）.方案階段設(shè)計(jì)

方案階段設(shè)計(jì)是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該階段設(shè)計(jì)直接控制著整個(gè)工程的建設(shè)成本、施工圖階段的工作量及施工過程中的難易程度。為了避免以上問題的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須與相關(guān)專業(yè)密切配合，尤其是應(yīng)同建筑專業(yè)加強(qiáng)溝通協(xié)調(diào)。在滿足使用功能的前提下，盡量使建筑平面、豎向布置和功能安排規(guī)則化，避免由于復(fù)雜的造型和不合理的布置造成結(jié)構(gòu)的平面和豎向不規(guī)則。本階段主要工作是根據(jù)建筑高度、設(shè)防烈度和建筑功能等確定好結(jié)構(gòu)類型，做好初步的結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置。

（2）.施工圖階段設(shè)計(jì)

施工圖階段設(shè)計(jì)是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中承上啟下的一步。在方案階段結(jié)構(gòu)類型、大體結(jié)構(gòu)布置已基本確定的條件下，進(jìn)一步細(xì)化構(gòu)件截面尺寸、調(diào)整結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)及優(yōu)化結(jié)構(gòu)含鋼量等。該設(shè)計(jì)階段除與建筑、設(shè)備及裝飾等專業(yè)保持密切配合外，更應(yīng)發(fā)揮結(jié)構(gòu)本專業(yè)的能動(dòng)性。充分了解當(dāng)?shù)匮b配式混凝土建筑的構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸及現(xiàn)場裝配的技術(shù)要求，遵循“標(biāo)準(zhǔn)化、少類型、多組合”的基本原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)的梁系布置和板塊劃分等。在計(jì)算分析完成的基礎(chǔ)上，借助相關(guān)軟件完成裝配式混凝土建筑的結(jié)構(gòu)施工圖繪制。

（3）.構(gòu)件深化階段設(shè)計(jì)

構(gòu)件深化階段設(shè)計(jì)一般是由預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)廠家完成。生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)院提供的包含構(gòu)件尺寸、配筋及初步構(gòu)件拆分的結(jié)構(gòu)施工圖基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的深化和詳圖拆分。諸如生產(chǎn)運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝時(shí)的吊鉤、臨時(shí)固定設(shè)施安裝孔的預(yù)留預(yù)埋等細(xì)節(jié)問題也均在本設(shè)計(jì)階段完成。值得注意的是，構(gòu)件深化階段設(shè)計(jì)與施工圖階段設(shè)計(jì)往往會(huì)交叉進(jìn)行，只有兩階段互相配合方能使裝配式構(gòu)件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)順利完成。

3 裝配式混凝土建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）.結(jié)構(gòu)布置要點(diǎn)

結(jié)構(gòu)布置是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中至為關(guān)鍵的步驟，合理的結(jié)構(gòu)布置可使設(shè)計(jì)事半功倍，結(jié)構(gòu)布置主要可分為：豎向布置和平面布置。總體的布置原則是“受力明確、傳力直接、規(guī)整標(biāo)準(zhǔn)”。在豎向構(gòu)件的布置中，除滿足結(jié)構(gòu)剛度、整體穩(wěn)定及承載力等方面的要求外，更重要的是要提高結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力，減小豎向構(gòu)件在水平力作用下出現(xiàn)拉力的可能，避免預(yù)制豎向構(gòu)件在接縫處拉、剪應(yīng)力同時(shí)出現(xiàn)的不利情況。此外，應(yīng)盡可能減少同一位置豎向構(gòu)件沿樓層高度的截面變化，可優(yōu)先考慮調(diào)整混凝土強(qiáng)度等級(jí)的方式來滿足軸壓比等指標(biāo)的限值。此處理可減少因豎向構(gòu)件的尺寸變化造成疊合樓板類型的增加。在平面梁系布置時(shí)，要摒棄“逢墻布梁”的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)習(xí)慣，盡可能少布次梁，多做大板。使板格劃分的寬度不小于1200mm，長度不大于6600mm，以長寬在3300mm為宜。而混凝土梁截面尺寸的確定也應(yīng)少規(guī)格，其有利于減少預(yù)制疊合梁生產(chǎn)時(shí)的模板成本。

（2）.結(jié)構(gòu)計(jì)算要點(diǎn)

在各工況條件下，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)基本可采用與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相同的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即“等同現(xiàn)澆”原理。結(jié)構(gòu)計(jì)算主要包含承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩方面。目前，常用的結(jié)構(gòu)分析軟件，如PKPM、YJK和MIDAS等均有裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的分析功能。分析計(jì)算時(shí)采用的各種參數(shù)與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)基本相同，如周期折減系數(shù)、連梁剛度折減系數(shù)和樓面梁剛度放大系數(shù)等。值得注意的是，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)的劃分高度比現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)有所降低。當(dāng)然，兩者的異同也不僅局限以上幾點(diǎn)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，應(yīng)具體問題具體分析。此外，鑒于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的特殊性，對(duì)于不規(guī)則結(jié)構(gòu)或存在現(xiàn)澆與裝配構(gòu)件同時(shí)受力的復(fù)雜情況時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充驗(yàn)算，如進(jìn)行彈性時(shí)程分析、彈塑性分析和節(jié)點(diǎn)有限元分析等。

（3）.結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在裝配式混凝土建筑中，對(duì)于受力較大、抗震關(guān)鍵及建筑功能復(fù)雜的部位，比如：地下室、剪力墻結(jié)構(gòu)的底部加強(qiáng)區(qū)、框架結(jié)構(gòu)首層及頂層、轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層等，結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)其做現(xiàn)澆化處理。對(duì)預(yù)制結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，除進(jìn)行與現(xiàn)澆構(gòu)件相同的分析以外，尚須對(duì)其做制作、運(yùn)輸和吊裝工況下的驗(yàn)算。此外，預(yù)制構(gòu)件在保證截面尺寸少規(guī)格的情況下，優(yōu)先采用大直徑鋼筋，以利于減少節(jié)點(diǎn)連接處鋼筋數(shù)量，從而方便施工時(shí)節(jié)點(diǎn)的有效可靠連接。預(yù)制剪力墻板在豎向拼縫設(shè)置時(shí)應(yīng)避開邊緣構(gòu)件區(qū)域。預(yù)制疊合板的拆分應(yīng)盡量通過調(diào)整拼縫后澆帶的寬度來統(tǒng)一疊合板的幾何尺寸。最后，預(yù)制構(gòu)件的單個(gè)拆分重量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場施工單位的吊裝能力進(jìn)行控制。總言之，預(yù)制結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身的受力要求，還須考慮構(gòu)件生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化，施工安裝的可操作性等因素。

（4）.構(gòu)件連接設(shè)計(jì)要點(diǎn)

預(yù)制構(gòu)件的連接設(shè)計(jì)是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重中之重，其直接關(guān)系到各構(gòu)件能否形成整體、達(dá)到共同受力。正確的連接設(shè)計(jì)不僅能有效地傳遞結(jié)構(gòu)內(nèi)力，更應(yīng)有足夠的剛度和良好的抗震性能。裝配式建筑中常用的構(gòu)件連接方式有干式和濕式連接兩種，而濕式連接是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的主要連接型式，其指通過套筒、機(jī)械、焊接等方式連接鋼筋后再進(jìn)行灌漿料灌注或混凝土澆筑從而形成整體。構(gòu)件連接設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于連接部位的選取和連接節(jié)點(diǎn)的整合兩方面。連接部位盡可能地選取在受力較小、便于施工操作的地方。為使構(gòu)件有效連接和保證連接節(jié)點(diǎn)的整體性，節(jié)點(diǎn)處預(yù)制構(gòu)件的結(jié)合面應(yīng)做糙化處理，如鑿毛留鍵槽等；另二次澆筑混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)高于被連接構(gòu)件的強(qiáng)度，且采用微膨脹混凝土為宜。

目前，我國常用的構(gòu)件連接方式雖有多種，但均有不同程度的缺陷，工程技術(shù)人員在項(xiàng)目設(shè)計(jì)和建造時(shí)應(yīng)合理選取，取長補(bǔ)短，使預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)足夠可靠，真正做到“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的結(jié)構(gòu)目標(biāo)。

4 結(jié)語

裝配式混凝土建筑是裝配式建筑的重要組成部分，其是建筑工業(yè)化的必然選擇。而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又是裝配式建筑工程建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)。所以，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)積極響應(yīng)國家號(hào)召和行業(yè)需求，面對(duì)裝配式混凝土建筑存在的結(jié)構(gòu)問題，攻堅(jiān)克難、不斷創(chuàng)新，推動(dòng)裝配式建筑健康快速發(fā)展。