裝配式混凝土建筑結構設計分析

【摘要】隨著裝配式建筑的發(fā)展，裝配式混凝土建筑結構設計與現(xiàn)澆結構存在諸多不同之處，本文在介紹裝配式混凝土建筑結構設計原理的基礎上，重點分析了裝配式結構布置、結構計算分析和預制構件設計及主要連接方式，以此為設計實踐提供可靠的參考依據(jù)。

【關鍵詞】預制裝配式建筑；設計原理；結構布置；計算分析；預制構件設計；連接方式

裝配式混凝土建筑是我國建筑業(yè)不斷向現(xiàn)代化目標發(fā)展的重要產物，它的出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)行國家標準規(guī)定和政策規(guī)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(qū)別于現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)澆混凝土結構的效果基本等同。

實現(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)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(jié)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(jù)連接節(jié)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(xiàn)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(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構，當其房屋高度、規(guī)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(guī)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(guī)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(xiàn)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(guī)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(xiàn)澆樓板、加厚疊合樓板的現(xiàn)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(xù)、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(guī)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(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)澆結構。

高層裝配整體式框架結構中，首層柱宜采用現(xiàn)澆混凝土。裝配整體式剪力墻結構的底部加強區(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(xiàn)保溫節(jié)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(shù)控制指標與現(xiàn)澆混凝土結構基本相同，區(qū)別于現(xiàn)澆混凝土結構主要有以下幾個方面：

1）應根據(jù)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(xiàn)等同現(xiàn)澆的要求，可按現(xiàn)澆混凝土結構進行模擬。

對于不能實現(xiàn)等同現(xiàn)澆的連接節(jié)點及接縫形式，應按照實際情況模擬。如干式連接節(jié)點，一般應根據(jù)其實際受力狀況模擬為剛接、鉸接或者半剛接節(jié)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(xiàn)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(xiàn)澆墻肢也有預制墻肢的裝配整體式剪力墻結構，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(shù)。

對現(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(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(shù)。

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(shù)，考慮到裝配整體式框架節(jié)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(shù)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(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(qū)別與現(xiàn)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(guī)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(guī)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(huán)節(jié)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(xiàn)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(qū)，現(xiàn)場澆筑混凝土進行連接，包括梁柱現(xiàn)澆節(jié)點、預制剪力墻之間現(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，疊合構件的下層為預制構件，上層為現(xiàn)澆層。

結語：

裝配式結構設計不是簡單的在現(xiàn)澆結構基礎上進行預制構件“拆分”，而是應以工業(yè)化、產業(yè)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(xiàn)真正合理的裝配式混凝土結構設計 。

參考文獻：

[1]住房和城鄉(xiāng)建設部住宅產業(yè)化促進中心.大力推廣裝配式建筑必讀—技術.標準.成本和效益.中國建筑工業(yè)出版社.2016：45～47.

[2]中國有色工程有限公司.混凝土結構構造手冊（第五版）.中國建筑工業(yè)出版社，2016，346.

作者簡介：

張忠喜（1984-），男，工程師，研究生，主要從事結構設計工作。