王 春，蘆靜夫

（中建科技有限公司深圳分公司 深圳518118）

0 引言

基于“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的五大發(fā)展理念，堅(jiān)持“綠色發(fā)展”、“以人為本”，裝配式建筑的出現(xiàn)不僅能滿足建筑的舒適性，也是目前及今后一段時期內(nèi)國家大力倡導(dǎo)的建筑建造方式。裝配式建筑的出現(xiàn)是人口增長對于住房需求提升的體現(xiàn)，現(xiàn)在的住房不僅要求要有足夠的舒適度，還要更加環(huán)保、綠色、節(jié)能。裝配式建筑與傳統(tǒng)方式相比，工廠生產(chǎn)不受惡劣天氣等自然環(huán)境的影響，工期更為可控，且生產(chǎn)效率遠(yuǎn)高于手工作業(yè)；具有精度高、質(zhì)量高、可大幅降低人工依賴、節(jié)水節(jié)電節(jié)材環(huán)保、有較完整的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)體系、結(jié)構(gòu)抗震性能好、建筑使用面積可增加等優(yōu)點(diǎn)。目前裝配式建筑在住宅建筑領(lǐng)域已經(jīng)有了較多的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)［1-5］；針對學(xué)校、醫(yī)院、展館等公共建筑的研究與項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)較少［6-7］?；诖?，對裝配式建筑大跨度快速建造體系進(jìn)行了探索，開發(fā)了裝配式鋼混組合結(jié)構(gòu)建筑體系，并在幾所學(xué)校項(xiàng)目工程中實(shí)踐應(yīng)用，取得了良好的實(shí)踐效果；探索表明裝配式鋼混組合體系可以縮短工期，節(jié)約成本，建筑質(zhì)量可靠。本文基于深圳市某學(xué)校工程項(xiàng)目，系統(tǒng)闡述裝配式鋼混組合框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)主體設(shè)計(jì)過程以及預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)方法。

1 工程概況

圖1 學(xué)校效果圖Fig.1 School Renderings

深圳市某學(xué)校工程項(xiàng)目（見圖1）位于坪山中心區(qū)，總建筑面積約10.2 萬m2，含2 棟6 層教學(xué)樓和1 棟14 層宿舍樓；本項(xiàng)目是采用設(shè)計(jì)-采購-施工總承包（EPC）模式承建的裝配式學(xué)校建筑項(xiàng)目。項(xiàng)目結(jié)構(gòu)體系采用裝配式鋼混組合框架結(jié)構(gòu)體系建造，預(yù)制構(gòu)件主要包括預(yù)制柱、預(yù)制鋼梁、預(yù)應(yīng)力帶肋疊合樓板、普通疊合樓板、預(yù)制陽臺與空調(diào)板、預(yù)制樓梯和預(yù)制隔墻等。學(xué)校預(yù)制率為66.5%，裝配率為86.5%。本項(xiàng)目是全國首個超短工期的裝配式學(xué)校建設(shè)項(xiàng)目，是華南地區(qū)首個采用PC 構(gòu)件與型鋼結(jié)構(gòu)組合體系的項(xiàng)目，是深圳市建設(shè)工程安全生產(chǎn)與文明施工優(yōu)良工地獎項(xiàng)目［8］。

2 裝配式學(xué)校結(jié)構(gòu)主體設(shè)計(jì)

中小學(xué)教學(xué)樓一般包括教學(xué)部分、辦公部分和生活輔助部分。教學(xué)部分包括普通教室、機(jī)動教室/選修課教室、專用教室、公共教學(xué)用房及相應(yīng)的輔助用房等，辦公部分包括教室辦公、行政辦公、會議室和廣播室等。基于教學(xué)樓建筑功能相對穩(wěn)定的特點(diǎn)，各功能區(qū)容易做到建筑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目學(xué)校教室空間跨度為橫縱向相鄰預(yù)制柱間距9 m，是典型的大跨度建筑項(xiàng)目。

2.1 裝配式學(xué)校裝配式設(shè)計(jì)組合方案

根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》，中小學(xué)教學(xué)樓的建筑工程抗震設(shè)防分類為乙類，且中小學(xué)教學(xué)樓一般層數(shù)為6 層，高度在24 m 以內(nèi)。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，中小學(xué)教學(xué)樓教室、走廊等功能區(qū)樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值在2.0～3.5 kN/m2之間。因此，教學(xué)樓可采用雙跨框架結(jié)構(gòu)體系。學(xué)校建筑采用鋼混組合框架結(jié)構(gòu)體系，由3 部分組成：預(yù)制鋼筋混凝土柱、鋼混組合梁及預(yù)制疊合樓板（見圖2）。預(yù)制柱采用600 mm×600 mm 矩形柱，預(yù)制柱豎向節(jié)點(diǎn)連接采用全灌漿套筒連接；樓蓋形式采用一跨內(nèi)一道次梁，主次梁均選用鋼梁，鋼梁通過預(yù)制柱內(nèi)預(yù)埋鋼構(gòu)節(jié)點(diǎn)（見圖3）與預(yù)制柱采用高強(qiáng)度螺栓干法連接（見圖4）［8］。大跨度樓面采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力帶肋疊合樓板（見圖5）、小跨度樓面采用普通疊合樓板，陽臺等采用預(yù)制陽臺板和預(yù)制空調(diào)板，預(yù)制樓面構(gòu)件與鋼梁搭接并綁扎板面鋼筋后采用混凝土整體澆筑。鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)體系承載能力和剛度高，截面面積?。讳摴浅惺苁芾奢d，混凝土承受壓力荷載，將材料的特性充分發(fā)揮了出來。

圖2 結(jié)構(gòu)方案Fig.2 Structural Scheme

圖3 預(yù)埋型鋼柱頭節(jié)點(diǎn)Fig.3 Embedded Steel Stud Head Node

圖4 梁柱節(jié)點(diǎn)高強(qiáng)度螺栓干法連接Fig.4 Beam-column Joint High-strength Bolt Dry

圖5 預(yù)應(yīng)力倒雙T形疊合樓板Fig.5 Prestressed Inverted Double T-shaped Laminated Slab

2.2 體系結(jié)構(gòu)受力分析

組合結(jié)構(gòu)是鋼和混凝土通過某種構(gòu)造方式組合成為整體共同工作的一種結(jié)構(gòu)，兼具鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的特性。組合梁是鋼梁和混凝土板通過抗剪連接件連成整體而共同受力的橫向承重構(gòu)件，充分利用鋼梁的抗拉性能和混凝土樓板的抗壓性能；鋼梁頂設(shè)置栓釘，使混凝土樓板和鋼梁協(xié)同工作；腹板有規(guī)律開洞，便于機(jī)電內(nèi)裝一體化設(shè)計(jì)及安裝；比同跨度、同荷載情況下混凝土梁截面更小、自重更輕；與混凝土梁同梁高情況下，組合梁跨度更大；工廠化生產(chǎn)，制作加工方便，現(xiàn)場施工效率高。

結(jié)構(gòu)整體計(jì)算采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件建模（見圖6），連接節(jié)點(diǎn)采用有限元軟件補(bǔ)充計(jì)算，并進(jìn)行足尺寸抗震性能實(shí)驗(yàn)。通過分析計(jì)算與實(shí)驗(yàn)，得出整體結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的結(jié)論。

在盈建科模型中梁柱節(jié)點(diǎn)簡化為固接，梁柱節(jié)點(diǎn)各節(jié)點(diǎn)構(gòu)件尺寸根據(jù)節(jié)點(diǎn)有限元計(jì)算得出。在整體計(jì)算中，與現(xiàn)澆建筑計(jì)算無異；梁柱節(jié)點(diǎn)為剛接；主梁與次梁節(jié)點(diǎn)為鉸接；在梁計(jì)算中設(shè)定梁為組合梁，次梁的翼緣寬度根據(jù)《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：JGJ 138-2016》12.1.1 條取值，主梁的翼緣寬度取柱寬，并在柱寬范圍內(nèi)增加板附加筋（見圖7）［8］。

圖6 盈建科計(jì)算模型Fig.6 Calculation Model of YJK

圖7 梁柱安裝節(jié)點(diǎn)做法Fig.7 The Method of Beam-column Joint Installation

3 預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本項(xiàng)目預(yù)制構(gòu)件平面布置如圖8 所示，預(yù)制構(gòu)件主要有預(yù)制柱、鋼梁、預(yù)制預(yù)應(yīng)力帶肋疊合樓板（綠色部分）、普通疊合樓板（紫色部分），預(yù)制樓梯（斜杠開洞處），預(yù)制陽臺和空調(diào)板（黃色部分）。

圖8 預(yù)制構(gòu)件平面布置Fig.8 The Plan of Prefabricated Components

3.1 預(yù)制柱的設(shè)計(jì)

預(yù)制框架柱（見圖9a）是結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件，傳遞豎向荷載、抵抗水平力，是最重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。預(yù)制柱通過預(yù)埋鋼節(jié)點(diǎn)，與鋼梁通過高強(qiáng)螺栓連接；預(yù)制柱的上部留有插筋，在安裝時將插筋插入上層柱的灌漿套筒，預(yù)制柱定位對接后通過灌漿孔注漿進(jìn)行連接。

在設(shè)計(jì)預(yù)制柱時，為了減少預(yù)制柱的種類，將預(yù)制柱的縱筋歸并為直徑φ25和φ32兩種，箍筋采用全長加密形式（見圖9b）。

圖9 預(yù)制柱Fig.9 Prefabricated Column

為了方便生產(chǎn)，矩形柱直角改為半徑40 mm 的倒角；為了保證套筒灌漿質(zhì)量，在預(yù)制柱側(cè)壁留有排氣孔（見圖10）。

圖10 導(dǎo)氣管示意圖Fig.10 Sketch of Windpipe

3.2 預(yù)應(yīng)力帶肋疊合樓板的設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力帶肋疊合樓板主要有2 種尺寸：1 200 mm（寬）×4 375 mm（長）和1 375 mm（寬）×4 375 mm（長）；板底縱向鋼筋1 號鋼筋采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線（見圖11）；預(yù)制板厚度為50 mm；肋高為45 mm 和60 mm，其中45 mm 肋高用于中間樓層，板現(xiàn)澆層為80 mm；其中60 mm 肋高用于屋面層和有覆土區(qū)域，板現(xiàn)澆層為120 mm。預(yù)應(yīng)力帶肋疊合樓板與現(xiàn)澆部分連接節(jié)點(diǎn)如圖12所示。

圖11 預(yù)制力帶肋板配筋詳圖Fig.11 The Reinforcement in Prestressed Ribbed Plate

圖12 板連接節(jié)點(diǎn)Fig.12 Node in Plate

3.3 普通疊合樓板的設(shè)計(jì)

普通疊合樓板主要應(yīng)用于衛(wèi)生間等小板跨區(qū)域，采用聶建國院士專利技術(shù)（專利號CN107246105B），疊合板板端不出筋，板端支座處開有楔形槽孔，槽孔均勻分布于混凝土預(yù)制板內(nèi)受力鋼筋之間，槽孔深度小于混凝土預(yù)制板厚度，混凝土預(yù)制板通過楔形槽孔內(nèi)的后澆混凝土與后澆層及相鄰構(gòu)件牢固連接（見圖13）。楔形槽孔的開孔尺寸計(jì)算公式為：min｛2bh（0.7ft），ahft｝≥T/n，b為孔長，h為開孔深度，a為孔口寬度，ft為后澆混凝土抗拉強(qiáng)度，T為根據(jù)與胡子筋拉拔力等強(qiáng)原則確定的板端所受拉拔力，n為開孔數(shù)量。預(yù)制板厚度為60 mm，現(xiàn)澆層厚度為70 mm，槽口連接筋直徑8 mm，鋼筋等級為HRB400。

圖13 普通不出筋預(yù)制疊合板Fig.13 Ordinary Unreinforced Prefabricated Laminated Slab

3.4 預(yù)制樓梯的設(shè)計(jì)

預(yù)制樓梯采用上端固定下端滑動的板式樓梯，樓梯邊帶反坎，預(yù)埋錨板用于安裝欄桿（見圖14）。樓梯的上端采用固定連接（見圖15a），下端采用滑動接連（見圖15b）。

圖14 預(yù)制樓梯Fig.14 Prefabricated Stairs

3.5 預(yù)制陽臺與空調(diào)板的設(shè)計(jì)

圖15 預(yù)制樓梯固定端及滑動端節(jié)點(diǎn)Fig.15 Prefabricated Stair Fixed End and Sliding End Node

預(yù)制陽臺（見圖16a）與空調(diào)板（見圖16b）采用整體預(yù)制懸挑板式預(yù)制構(gòu)件，在預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆部分留有500 mm 疊合層，以防現(xiàn)澆樓板在支座接縫處開裂，增加安全性。預(yù)制陽臺與空調(diào)板通過預(yù)留鋼筋錨入現(xiàn)澆樓板，與現(xiàn)澆樓板形成整體（見圖17）。預(yù)制陽臺與空調(diào)板采用相同模數(shù)，提高標(biāo)準(zhǔn)化程度，達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)效益。在預(yù)制時將安裝百葉的反坎一起預(yù)制，使建筑外立面看起來美觀，施工方便，節(jié)省后期裝修人工。

圖16 預(yù)制陽臺及空調(diào)板Fig.16 Prefabricated Balcony and Air Condition Slab

圖17 預(yù)制陽臺、空調(diào)板與現(xiàn)澆部分的連接節(jié)點(diǎn)Fig.17 Connection Node of Prefabricated Balcony，Air Condition Slab and Cast-in-place Part

4 結(jié)語

通過深圳市某學(xué)校工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)主體設(shè)計(jì)以及預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地闡述了鋼混組合框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程。結(jié)合項(xiàng)目施工過程中實(shí)際遇到問題，進(jìn)一步完善了設(shè)計(jì)理念，尤其預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)過程中不斷得到改善。此次探索與實(shí)踐表明以裝配式鋼混組合框架結(jié)構(gòu)體系既能滿足建筑使用功能的舒適性，保證結(jié)構(gòu)的安全性，又能縮短工期，節(jié)省材料，達(dá)到綠色環(huán)保的要求。本次探索與實(shí)踐為今后類似裝配式建筑設(shè)計(jì)與建造做出了積極探索，可以為以后同類項(xiàng)目提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)［9，10］。