装配式钢混组合框架结构设计要点与分析

王 春，芦静夫

（中建科技有限公司深圳分公司 深圳518118）

0 引言

基于“创新、协调、绿色、开放、共享”的五大发展理念，坚持“绿色发展”、“以人为本”，装配式建筑的出现不仅能满足建筑的舒适性，也是目前及今后一段时期内国家大力倡导的建筑建造方式。装配式建筑的出现是人口增长对于住房需求提升的体现，现在的住房不仅要求要有足够的舒适度，还要更加环保、绿色、节能。装配式建筑与传统方式相比，工厂生产不受恶劣天气等自然环境的影响，工期更为可控，且生产效率远高于手工作业；具有精度高、质量高、可大幅降低人工依赖、节水节电节材环保、有较完整的标准设计体系、结构抗震性能好、建筑使用面积可增加等优点。目前装配式建筑在住宅建筑领域已经有了较多的项目经验［1-5］；针对学校、医院、展馆等公共建筑的研究与项目经验较少［6-7］。基于此，对装配式建筑大跨度快速建造体系进行了探索，开发了装配式钢混组合结构建筑体系，并在几所学校项目工程中实践应用，取得了良好的实践效果；探索表明装配式钢混组合体系可以缩短工期，节约成本，建筑质量可靠。本文基于深圳市某学校工程项目，系统阐述装配式钢混组合框架结构的结构主体设计过程以及预制构件设计方法。

1 工程概况

图1 学校效果图Fig.1 School Renderings

深圳市某学校工程项目（见图1）位于坪山中心区，总建筑面积约10.2 万m2，含2 栋6 层教学楼和1 栋14 层宿舍楼；本项目是采用设计-采购-施工总承包（EPC）模式承建的装配式学校建筑项目。项目结构体系采用装配式钢混组合框架结构体系建造，预制构件主要包括预制柱、预制钢梁、预应力带肋叠合楼板、普通叠合楼板、预制阳台与空调板、预制楼梯和预制隔墙等。学校预制率为66.5%，装配率为86.5%。本项目是全国首个超短工期的装配式学校建设项目，是华南地区首个采用PC 构件与型钢结构组合体系的项目，是深圳市建设工程安全生产与文明施工优良工地奖项目［8］。

2 装配式学校结构主体设计

中小学教学楼一般包括教学部分、办公部分和生活辅助部分。教学部分包括普通教室、机动教室/选修课教室、专用教室、公共教学用房及相应的辅助用房等，办公部分包括教室办公、行政办公、会议室和广播室等。基于教学楼建筑功能相对稳定的特点，各功能区容易做到建筑的标准化设计。本项目学校教室空间跨度为横纵向相邻预制柱间距9 m，是典型的大跨度建筑项目。

2.1 装配式学校装配式设计组合方案

根据《建筑工程抗震设防分类标准》，中小学教学楼的建筑工程抗震设防分类为乙类，且中小学教学楼一般层数为6 层，高度在24 m 以内。根据《建筑结构荷载规范》，中小学教学楼教室、走廊等功能区楼面活荷载标准值在2.0～3.5 kN/m2之间。因此，教学楼可采用双跨框架结构体系。学校建筑采用钢混组合框架结构体系，由3 部分组成：预制钢筋混凝土柱、钢混组合梁及预制叠合楼板（见图2）。预制柱采用600 mm×600 mm 矩形柱，预制柱竖向节点连接采用全灌浆套筒连接；楼盖形式采用一跨内一道次梁，主次梁均选用钢梁，钢梁通过预制柱内预埋钢构节点（见图3）与预制柱采用高强度螺栓干法连接（见图4）［8］。大跨度楼面采用预制预应力带肋叠合楼板（见图5）、小跨度楼面采用普通叠合楼板，阳台等采用预制阳台板和预制空调板，预制楼面构件与钢梁搭接并绑扎板面钢筋后采用混凝土整体浇筑。钢混凝土组合结构体系承载能力和刚度高，截面面积小；钢骨承受受拉荷载，混凝土承受压力荷载，将材料的特性充分发挥了出来。

图2 结构方案Fig.2 Structural Scheme

图3 预埋型钢柱头节点Fig.3 Embedded Steel Stud Head Node

图4 梁柱节点高强度螺栓干法连接Fig.4 Beam-column Joint High-strength Bolt Dry

图5 预应力倒双T形叠合楼板Fig.5 Prestressed Inverted Double T-shaped Laminated Slab

2.2 体系结构受力分析

组合结构是钢和混凝土通过某种构造方式组合成为整体共同工作的一种结构，兼具钢结构和混凝土结构的特性。组合梁是钢梁和混凝土板通过抗剪连接件连成整体而共同受力的横向承重构件，充分利用钢梁的抗拉性能和混凝土楼板的抗压性能；钢梁顶设置栓钉，使混凝土楼板和钢梁协同工作；腹板有规律开洞，便于机电内装一体化设计及安装；比同跨度、同荷载情况下混凝土梁截面更小、自重更轻；与混凝土梁同梁高情况下，组合梁跨度更大；工厂化生产，制作加工方便，现场施工效率高。

结构整体计算采用盈建科建筑结构设计软件建模（见图6），连接节点采用有限元软件补充计算，并进行足尺寸抗震性能实验。通过分析计算与实验，得出整体结构安全稳定的结论。

在盈建科模型中梁柱节点简化为固接，梁柱节点各节点构件尺寸根据节点有限元计算得出。在整体计算中，与现浇建筑计算无异；梁柱节点为刚接；主梁与次梁节点为铰接；在梁计算中设定梁为组合梁，次梁的翼缘宽度根据《组合结构设计规范：JGJ 138-2016》12.1.1 条取值，主梁的翼缘宽度取柱宽，并在柱宽范围内增加板附加筋（见图7）［8］。

图6 盈建科计算模型Fig.6 Calculation Model of YJK

图7 梁柱安装节点做法Fig.7 The Method of Beam-column Joint Installation

3 预制构件设计要点

本项目预制构件平面布置如图8 所示，预制构件主要有预制柱、钢梁、预制预应力带肋叠合楼板（绿色部分）、普通叠合楼板（紫色部分），预制楼梯（斜杠开洞处），预制阳台和空调板（黄色部分）。

图8 预制构件平面布置Fig.8 The Plan of Prefabricated Components

3.1 预制柱的设计

预制框架柱（见图9a）是结构竖向构件，传递竖向荷载、抵抗水平力，是最重要的结构构件。预制柱通过预埋钢节点，与钢梁通过高强螺栓连接；预制柱的上部留有插筋，在安装时将插筋插入上层柱的灌浆套筒，预制柱定位对接后通过灌浆孔注浆进行连接。

在设计预制柱时，为了减少预制柱的种类，将预制柱的纵筋归并为直径φ25和φ32两种，箍筋采用全长加密形式（见图9b）。

图9 预制柱Fig.9 Prefabricated Column

为了方便生产，矩形柱直角改为半径40 mm 的倒角；为了保证套筒灌浆质量，在预制柱侧壁留有排气孔（见图10）。

图10 导气管示意图Fig.10 Sketch of Windpipe

3.2 预应力带肋叠合楼板的设计

预应力带肋叠合楼板主要有2 种尺寸：1 200 mm（宽）×4 375 mm（长）和1 375 mm（宽）×4 375 mm（长）；板底纵向钢筋1 号钢筋采用预应力钢绞线（见图11）；预制板厚度为50 mm；肋高为45 mm 和60 mm，其中45 mm 肋高用于中间楼层，板现浇层为80 mm；其中60 mm 肋高用于屋面层和有覆土区域，板现浇层为120 mm。预应力带肋叠合楼板与现浇部分连接节点如图12所示。

图11 预制力带肋板配筋详图Fig.11 The Reinforcement in Prestressed Ribbed Plate

图12 板连接节点Fig.12 Node in Plate

3.3 普通叠合楼板的设计

普通叠合楼板主要应用于卫生间等小板跨区域，采用聂建国院士专利技术（专利号CN107246105B），叠合板板端不出筋，板端支座处开有楔形槽孔，槽孔均匀分布于混凝土预制板内受力钢筋之间，槽孔深度小于混凝土预制板厚度，混凝土预制板通过楔形槽孔内的后浇混凝土与后浇层及相邻构件牢固连接（见图13）。楔形槽孔的开孔尺寸计算公式为：min｛2bh（0.7ft），ahft｝≥T/n，b为孔长，h为开孔深度，a为孔口宽度，ft为后浇混凝土抗拉强度，T为根据与胡子筋拉拔力等强原则确定的板端所受拉拔力，n为开孔数量。预制板厚度为60 mm，现浇层厚度为70 mm，槽口连接筋直径8 mm，钢筋等级为HRB400。

图13 普通不出筋预制叠合板Fig.13 Ordinary Unreinforced Prefabricated Laminated Slab

3.4 预制楼梯的设计

预制楼梯采用上端固定下端滑动的板式楼梯，楼梯边带反坎，预埋锚板用于安装栏杆（见图14）。楼梯的上端采用固定连接（见图15a），下端采用滑动接连（见图15b）。

图14 预制楼梯Fig.14 Prefabricated Stairs

3.5 预制阳台与空调板的设计

图15 预制楼梯固定端及滑动端节点Fig.15 Prefabricated Stair Fixed End and Sliding End Node

预制阳台（见图16a）与空调板（见图16b）采用整体预制悬挑板式预制构件，在预制构件与现浇部分留有500 mm 叠合层，以防现浇楼板在支座接缝处开裂，增加安全性。预制阳台与空调板通过预留钢筋锚入现浇楼板，与现浇楼板形成整体（见图17）。预制阳台与空调板采用相同模数，提高标准化程度，达到良好的经济效益。在预制时将安装百叶的反坎一起预制，使建筑外立面看起来美观，施工方便，节省后期装修人工。

图16 预制阳台及空调板Fig.16 Prefabricated Balcony and Air Condition Slab

图17 预制阳台、空调板与现浇部分的连接节点Fig.17 Connection Node of Prefabricated Balcony，Air Condition Slab and Cast-in-place Part

4 结语

通过深圳市某学校工程项目结构主体设计以及预制构件设计，系统地阐述了钢混组合框架结构的设计过程。结合项目施工过程中实际遇到问题，进一步完善了设计理念，尤其预制构件设计在实际生产过程中不断得到改善。此次探索与实践表明以装配式钢混组合框架结构体系既能满足建筑使用功能的舒适性，保证结构的安全性，又能缩短工期，节省材料，达到绿色环保的要求。本次探索与实践为今后类似装配式建筑设计与建造做出了积极探索，可以为以后同类项目提供宝贵的经验［9，10］。