预制装配整体式混凝土框架结构研究

向渊明，罗昭军，金山

（中机中联工程有限公司，重庆400039）

预制装配整体式混凝土框架结构研究

向渊明，罗昭军，金山

（中机中联工程有限公司，重庆400039）

该文以一栋六层宿舍楼为例，对预制装配整体式混凝土框架结构的结构设计方法、楼板选择、连接节点、设计和施工中应注意的事项等进行了详细论述。由于国内类似工程的设计和施工经验不足，对这种新型技术的研究，旨在推动这种结构的发展，相关方法和思路可为类似的工程提供参考。

预制混凝土；装配；框架结构；连接节点；叠合楼板

0 引言

预制装配式混凝土结构作为建筑工业化的一种重要方式，萌芽于20世纪二三十年代，兴起于第二次世界大战后的英、法、苏联等国家。由于其节约劳动力成本、建造速度快、生产效率高、产品质量控制较好、材料利用率高等优点，经过几十年的发展，目前欧洲各国、美国、日本、新西兰等都建立了较成熟的预制装配式混凝土结构体系[1]。

我国在20世纪50年代提出了建筑工业化的发展方向，在全国推广工厂化、装配化、标准化的建造方式。近10年来，随着我国城市化进程的提速，一系列国家政策、地方标准和奖励政策纷纷出台，我国在装配混凝土建筑方面的研究逐步升温，为提高预制装配式结构性能提供了重要的技术基础。该文以设计施工完成的某宿舍楼为例，对预制装配整体式混凝土框架结构在设计和施工中应注意的问题进行研究。

1 工程概况

该工程为地上6层宿舍楼，建筑平面尺寸为58.0m×18.0m，层高3.3m，主要柱网为4.2m×8.3m，结构采用装配整体式混凝土框架结构，结构标准层平面布置图如图1所示。除室内地面标高以下构件采用现浇施工外，地面以上的柱、梁、楼梯和外墙板均采用预制构件，楼板和屋面板采用叠合楼板。预制框架柱主要截面尺寸为500mm×500mm，预制框架梁截面尺寸为：X向300mm×650mm，Y向300mm×700mm。柱混凝土强度等级：1层-2层为C35，2层以上为C30；梁板混凝土强度等级均为C30。预制框架柱的钢筋连接采用一端机械连接，一端灌浆的球墨铸铁半灌浆套筒，套筒内水泥基灌浆料采用无收缩砂浆，28d龄期立方体抗压强度标准值不小于85MPa。

图1 标准层结构平面布置图

工程抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，设计地震分组为第三组，建筑场地类别为Ⅲ类，主体结构的设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，框架抗震等级为三级。工程按等同现浇设计，按现浇结构进行整体计算，并采取针对性的补充计算以及相适应的抗震措施来保证结构具有良好的整体性，并保证预制构件及其连接部位的承载力与变形满足要求。

2 结构设计

工程按等同现浇设计，在各种设计状况下，装配整体式结构可采用与现浇混凝土结构相同的方法进行结构分析[2]。结构计算分析采用PKPM系列软件中的SATWE软件。考虑到预制结构与现浇结构存在的差异性，为保证预制结构的安全性和计算模型与预制结构实际受力情况相符，在整体计算时采取以下措施。

（1）预制外墙板与结构采用铰接形式连接，整体计算时可不考虑外墙板对其支承梁的刚度贡献[3]。

（2）宿舍中非承重墙体较多、外挂墙板较重，整体计算时周期折减系数取为0.6，适当放大地震作用，以保证结构的抗震性能。

（3）根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010[4]，装配整体式框架梁端负弯矩调幅系数可取为0.7～0.8，工程叠合梁板施工时均采取临时支撑，节点区混凝土强度等级提高一级，负弯矩调幅系数取0.8，以防止梁端负弯矩取值偏低。

（4）对于梁柱节点核心区抗震受剪承载力进行特别验算。接缝位置内力增大系数：抗剪情况取值1.2，其余情况取值1.1。接缝强度连接增大系数：抗剪连接取值1.3，其余连接取值1.1。

（5）预制构件考虑脱模、翻转、起吊堆放和使用等各个阶段的不同工况，分别进行各个阶段的承载力、变形及裂缝控制验算。

3 楼板选择

装配整体式建筑的楼盖可采用预制叠合楼盖或现浇楼盖，该项目选用预制叠合楼盖。叠合楼板与现浇楼板相比，优点在于其机械化程度高，制造质量容易保证，简化了模板工程，施工速度快。《装配式混凝土结构技术规程》JGJ1-2014中对于装配整体式楼盖的叠合板有下列要求：叠合板的预制板厚度不宜小于60mm，现浇层厚度不应小于60mm；跨度大于3m的叠合板，宜采用桁架钢筋混凝土叠合板。

工程根据板的受力情况，并在保证构件稳定性的情况下，对不同厚度和支承情况的叠合楼板进行了经济性对比（如表1所示），最终采用4.2m×8.3m的四边支承双向板结构，板厚130mm（如图2）。

表1 不同厚度和支承的叠合楼板用料对比

叠合楼板与梁的连接应保证楼盖或屋盖能够起到为结构整体传递水平力和连接竖向构件的作用。项目设计时由于采用了大板结构，避免了预制板在房间内的拼接，提高了楼板的整体性。预制板在组装时在节点处伸入梁30mm放置固定，板端支座处预制板内的纵向受力钢筋应从板端伸出并锚入支承梁的后浇混凝土中，锚固长度不应小于5d且应过梁中心线。由于存在70mm的现浇层，所以板的上部钢筋设置在现浇层内且应贯通节点，其数量按照计算结果确定，构造要求与现浇板的负弯矩钢筋相同（如图3）。除了叠合板正常的底板钢筋外，预制板中另设置了间距不大于600mm的V型桁架筋，桁架筋使预制部分板与叠合层混凝土连接更好，且保证其在施工阶段不需要模板而能够承受施工荷载，在使用阶段桁架钢筋的下弦钢筋亦可作为叠合楼板的下部纵向配筋（如图4）。

图2 楼板布置平面图

图3梁板节点大样

图4 V型桁架筋和其在板中的布置

4 梁柱节点连接技术

梁柱节点是预制装配整体式框架结构的重要部分，节点把梁和柱连接成整体并传递荷载，工程框架的梁柱节点采用整体性能较好的后浇整体式节点。1995年，新西兰的Resreepo、Jose I和Robert Park等人针对这种框架节点的抗震性能，进行了6个节点足尺试件的反复加载试验研究，试验表明，这种节点的抗震性能可靠，从总体上能够与相应的现浇节点相媲美[5]。因此构造上能够与计算模型的假设相符。

该工程室内地面标高以下构件采用现浇，现浇部分顶面预留插筋与预制柱连接，插筋预留长度由连接钢筋及套筒规格确定。进行上部构件设计时，为方便施工，加快施工速度，下柱纵筋的顶部预先放置好灌浆套筒并穿过节点区（如图5），预制梁端的底筋伸入柱锚固（如图6），锚固长度满足《混凝土结构设计规范》规定的要求，为避免纵横两方向梁底纵筋在核芯区节点内碰撞，工程框架梁在纵横两方向采用不同的截面高度，高度相差50mm。待预制框架柱四周预制框架梁安装完成后，现场放置柱核芯区箍筋，并将上层预制柱纵筋穿入与之对应的下层柱纵筋顶部的钢套筒孔洞，并灌浆连接成整体，则可支模板浇筑梁柱节点混凝土形成节点（如图7）。

图5 柱顶纵筋构造

图6 梁柱节点构造

图7 梁柱节点施工过程

5 设计和施工注意事项

5.1 荷载因素

由于工程采用预制结构，不可能按照现浇框架结构根据隔墙来布置次梁，所以房间内的隔墙荷载大部分需要楼板来承担。因此，楼板设计的经济性是必须考虑的。在满足建筑外观、使用功能的前提下，就应尽可能的使用轻质材料进行房间隔断。

5.2 耐久性要求

采用装配整体式结构存在很多拼接缝。如果拼缝位置的构造措施处理不当就会使建筑的防水、防潮等存在严重问题，直接影响建筑物的使用寿命。因此，拼缝位置的处理应该特别注意。

5.3 稳定及平衡要求

各种工况下设计都应考虑结构和构件的稳定和平衡。例如梁承受荷载时会受到扭转，此时，装配式结构中梁端的连接就必须考虑扭转作用，在预制构件定位后而现浇层未浇筑时，必须采用临时构件来协助梁抗扭[6]。同时，在施工吊装过程中也应考虑预制构件的吊装平衡和稳定问题。工程针对这一情况，设计了专门的支撑和吊装系统，既保证了施工过程中结构构件的安全和稳定性，也在提高支撑系统重复利用率的情况下极大地节约了施工成本。

5.4 制作要求

装配整体式结构最大的优点在于减少了现场作业量，节约劳动力成本，产品质量控制较好，建造速度快，生产效率高，材料利用率高。尽管大部分构件能在工厂制作完成，但是不可避免的会在现场进行拼接，因此连接节点的设计不仅关系到整个结构的安全性和稳定性，也关系到现场施工速度与造价等。当连接构造简单时，预制混凝土可能获得良好的经济效益。复杂的连接构造在施工中难以控制并将使操作繁琐，会减慢预制结构的安装，因而结构中应尽量不采用。

6 结论

该文通过对一栋6层宿舍楼的预制装配整体式混凝土框架结构的设计进行探讨，提出了预制结构在设计时需要采取的技术措施，并对关键连接节点的构造和设计施工中应注意的事项进行了介绍，其中的相关方法和思路可为类似的工程提供参考。

[1]崔健宇，孙建刚，王博，等.装配式预制混凝土结构在日本的应用[J].大连民族学院学报，2009，11（1）：67-70.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ1-2014装配式混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[3]Resreepo，Jose I，Robert Park，et al.Design of ConnectionsofEarthquakeResistingPrecastReinforcedConcrete Perimeter Frames[J].PCI Journal，1995b（5）：68-76.

[4]本书编写组.建筑结构设计资料集-混凝土结构分册[M].北京.中国建筑工业出版社，2007：184-206.

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[6]刘正勇，应惠清.装配式混凝土框架结构节点构造方法简介[J].施工技术，2008（S2）：26-29.

责任编辑：孙苏,李红

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

向渊明（1979-），男，重庆人，本科，高级工程师，主要从事结构设计工作。