謝龍寶, 張少凱, 李 靖, 冷冬梅, 李洪求

(北京維拓時(shí)代建筑設(shè)計(jì)股份有限公司，北京 100025)

0 引言

隨著國(guó)家各項(xiàng)政策與指導(dǎo)意見的陸續(xù)出臺(tái),裝配式建筑得到大力推動(dòng)與發(fā)展,也成為建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展的重要國(guó)策。近年來,各地區(qū)根據(jù)具體情況因地制宜發(fā)展裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)等裝配式建筑,國(guó)內(nèi)對(duì)多高層住宅裝配式建筑的裝配式結(jié)構(gòu)體系有著廣泛研究[1-4],在裝配式建筑設(shè)計(jì)階段,裝配式結(jié)構(gòu)體系選擇與建筑設(shè)計(jì)方案配合緊密、不可分開,既要實(shí)現(xiàn)建筑方案的多樣性和功能使用的舒適性,也要保證裝配式結(jié)構(gòu)體系的合理性、適應(yīng)性與經(jīng)濟(jì)性。賴忠毅[5]提出在裝配式建筑體系的發(fā)展過程中,綜合并充分利用裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)點(diǎn),避開各自的缺點(diǎn),根據(jù)建筑功能及造型要求,通過合理應(yīng)用一種或幾種形式的組合,使其性能、裝配率及造價(jià)達(dá)到一個(gè)最佳狀態(tài)。郭惠琴等[6]認(rèn)為裝配式結(jié)構(gòu)方案布置首先需要重視的是建筑功能需求,一是現(xiàn)有建筑方案設(shè)計(jì)使用要求,二是未來建筑使用功能變更的可能性,合理地布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件,既保證結(jié)構(gòu)安全,又能為后期發(fā)展預(yù)留靈活空間,應(yīng)根據(jù)平面特點(diǎn),將裝配式結(jié)構(gòu)布置在最有效的部位,既能節(jié)約材料,又能更好地保證建筑物的安全性。

本文以北京某一大型社區(qū)裝配式低層合院住宅實(shí)際工程為例,按北京市2018年預(yù)制率不低于40%的裝配式政策要求,結(jié)合建筑物功能需求較高、外立面較為豐富、傳統(tǒng)裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系適用性低等特點(diǎn),通過裝配式技術(shù)整體策劃,采用了現(xiàn)澆剪力墻、全預(yù)制實(shí)心樓板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系來實(shí)現(xiàn)裝配式結(jié)構(gòu)目標(biāo)。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系在國(guó)內(nèi)實(shí)踐較少,已通過專家論證,項(xiàng)目基本竣工,部分樓座已投入使用。

1 工程概況

本工程位于北京市順義區(qū),總建筑面積為42萬m2,其中含有700多戶低層合院住宅,地下三層,地上兩層,建筑總高度為6.8m,屋頂為單坡屋面。圖1為外部實(shí)景圖及效果圖,建筑物外立面豐富,外窗落地且窗洞口較大,內(nèi)部功能品質(zhì)要求高,室內(nèi)開間較大。

圖1 外部實(shí)景圖及效果圖

本工程抗震設(shè)防烈度8度,設(shè)計(jì)基本地震加速度0.20g,設(shè)計(jì)地震分組第二組,場(chǎng)地類別Ⅲ類,場(chǎng)地特征周期0.55s。

2 裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1 結(jié)構(gòu)體系布置

本工程結(jié)構(gòu)體系采用剪力墻結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)體系三維、立平面布置示意圖見圖2、圖3。由于建筑功能需求影響,除電梯筒圍合成兩向剪力墻外,多數(shù)剪力墻長(zhǎng)厚比為8～10,剪力墻整體布置分散,難以形成較長(zhǎng)剪力墻墻肢。墻厚為200mm,結(jié)構(gòu)樓板厚度為130～150mm。

圖2 結(jié)構(gòu)體系三維及立面布置示意圖

圖3 結(jié)構(gòu)體系平面布置示意圖

2.2 裝配式結(jié)構(gòu)體系選取策略

結(jié)構(gòu)各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。經(jīng)統(tǒng)計(jì),剪力墻、樓板的混凝土含量占比分別為38%、48%,樓板混凝土比重較大,因此,樓板的預(yù)制量對(duì)于規(guī)定預(yù)制率不低于40%的要求有著重要影響。

根據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 1—2014)[7]相關(guān)規(guī)定:當(dāng)房屋層數(shù)不大于3層時(shí),樓面可采用預(yù)制樓板。由于低層住宅建筑功能需求高、建筑立面豐富、豎向構(gòu)件預(yù)制效率較低、樓板混凝土含量比重大等特點(diǎn),本工程裝配式結(jié)構(gòu)體系選取了現(xiàn)澆剪力墻、全預(yù)制樓板結(jié)構(gòu)體系。

2.3 全預(yù)制樓板選取

通常,全預(yù)制樓板可采用空心樓板、預(yù)應(yīng)力空心板等,預(yù)制空心板應(yīng)用于工業(yè)建筑、公共建筑較多,其板厚較厚,最小板厚為180mm,板跨越大發(fā)揮效率越高。由于本工程樓板跨度較小,基本為3～5m,通過與預(yù)制空心板對(duì)比,全預(yù)制樓板采用了預(yù)制實(shí)心板,表1為5m跨度下同工況預(yù)制空心板與預(yù)制實(shí)心板對(duì)比結(jié)果。從表1中可以看出,本工程預(yù)制實(shí)心板比預(yù)制空心板略有優(yōu)勢(shì),造價(jià)較低,且有助于住宅室內(nèi)凈高提升,兩種板型加工周期基本相同。

表1 預(yù)制空心板與預(yù)制實(shí)心板對(duì)比

3 現(xiàn)澆剪力墻、全預(yù)制實(shí)心板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程采用現(xiàn)澆剪力墻、全預(yù)制實(shí)心板結(jié)構(gòu)體系,其結(jié)構(gòu)整體計(jì)算方法與傳統(tǒng)現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法基本相同,而如何采取有效措施使全預(yù)制實(shí)心板在平面形成整體,是該結(jié)構(gòu)體系的重點(diǎn)。

為提高施工效率,減少全預(yù)制實(shí)心板板縫過大開裂風(fēng)險(xiǎn),本工程采用了板縫密縫拼接方式,豎縫寬度為10mm。各開間板塊全預(yù)制實(shí)心板構(gòu)件布置基本為1～3塊,樓板布置示意圖(圖中板編號(hào)含義以1YZB-4224為例,1YZB表示預(yù)制樓板編號(hào),相同樓板為同一編號(hào),42代表此預(yù)制樓板長(zhǎng)度為4200mm,24代表預(yù)制樓板寬度為2400mm)與現(xiàn)場(chǎng)拼裝圖如圖4所示。樓板在平面內(nèi)剛度計(jì)算較為復(fù)雜,國(guó)內(nèi)外對(duì)此有一定的相關(guān)研究[8-11],但目前設(shè)計(jì)上尚無高效計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)剛度分析。本工程為使預(yù)制實(shí)心板在平面內(nèi)保證整體剛度,在面內(nèi)實(shí)現(xiàn)按整塊板來設(shè)計(jì),各預(yù)制實(shí)心板側(cè)向板縫拼接處采用灌漿料澆筑,板端與現(xiàn)澆墻、梁混凝土一次性澆筑成形,同時(shí)沿預(yù)制樓板板縫方向每隔900mm設(shè)置六邊形抗剪槽,槽內(nèi)澆筑高強(qiáng)度灌漿料。板端支座上鐵正常伸入支座并設(shè)置牛腿,以此形成鍵槽。預(yù)制實(shí)心板整體連接示意圖如圖5所示。

圖4 預(yù)制實(shí)心板布置示意圖與現(xiàn)場(chǎng)拼裝圖

圖5 預(yù)制實(shí)心板整體連接示意圖

偏于安全,現(xiàn)澆梁設(shè)計(jì)時(shí),不考慮樓板翼緣對(duì)梁剛度及承載力的貢獻(xiàn),不考慮樓板對(duì)梁的抗扭約束作用。同時(shí),按樓板無縫與預(yù)制樓板板縫開裂兩種工況分別建立計(jì)算模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)包絡(luò)設(shè)計(jì),兩模型整體剛度主要計(jì)算指標(biāo)詳見表2。從表2可以分析,板縫開裂工況較樓板無縫工況整體剛度降低1%～3%,板縫開裂對(duì)整體剛度雖有減低,但減低有限,在采用六邊形抗剪槽加強(qiáng)板與板的連接后,對(duì)整體剛度減少有一定的幫助。

表2 樓板無縫與板縫開裂整體剛度對(duì)比

3.2 預(yù)制實(shí)心板構(gòu)件設(shè)計(jì)

相比于疊合預(yù)制樓板板縫處僅下排鋼筋伸出構(gòu)件,預(yù)制實(shí)心板板縫處上、下兩排均出筋,會(huì)大幅度增加現(xiàn)場(chǎng)施工難度,因此,預(yù)制實(shí)心板板縫處不出鋼筋,按單向板受力考慮。設(shè)計(jì)時(shí),預(yù)制實(shí)心板不考慮起拱作用,為保證樓板變形可控,撓度限值取《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[12]較高要求1/250。

3.3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要包括板縫節(jié)點(diǎn)、六邊形抗剪槽節(jié)點(diǎn)、板端節(jié)點(diǎn)。

板縫節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)板縫圖如圖6所示,預(yù)制樓板側(cè)板上部加工成斜面、下部加工成垂直面,板板拼接時(shí),上部形成V口,下部豎縫采用φ20聚乙烯圓棒封堵,豎縫寬度按10mm控制,預(yù)制實(shí)心板安裝到位后,V口與豎縫內(nèi)采用高強(qiáng)度灌漿料澆筑。

圖6 板縫節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)板縫圖

六邊形抗剪槽連接節(jié)點(diǎn)間距控制不大于900mm,每個(gè)連接處的預(yù)制樓板中預(yù)埋鋼板與V形鋼筋,預(yù)制實(shí)心板拼裝到位后,預(yù)埋鋼板上貼焊連接鋼板,并采用高強(qiáng)度灌漿料進(jìn)行澆筑。鋼板連接截面要求不小于900mm范圍內(nèi)樓板分布筋配筋量,實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”。六邊形抗剪槽節(jié)點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)施工澆筑圖見圖7。

圖7 六邊形抗剪槽節(jié)點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)施工澆筑圖

板端節(jié)點(diǎn)分為受力端與非受力端兩種。預(yù)制實(shí)心板板端截面采用鋸齒形,以增強(qiáng)現(xiàn)澆混凝土與預(yù)制樓板接觸面的咬合。受力板端處,預(yù)制實(shí)心板根據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 1—2014)[7]要求擱置于現(xiàn)澆墻或現(xiàn)澆梁的挑耳上,挑耳挑出60mm,板端上鐵出筋彎錨于墻或梁內(nèi);非受力板端處,預(yù)制實(shí)心板板底進(jìn)入墻或梁內(nèi)10mm,板端上鐵出筋直錨于墻或梁內(nèi)。受力板端節(jié)點(diǎn)見圖8,非受力板端節(jié)點(diǎn)見圖9。

圖8 受力板端節(jié)點(diǎn)圖

圖9 非受力板端節(jié)點(diǎn)圖

由于樓板底筋不伸出,板端直接擱置在挑耳上,可保證樓板吊裝時(shí)能夠一次安裝到位,有效解決了樓板鋼筋與梁鋼筋碰撞的問題。

3.4 樓板抗連續(xù)倒塌能力分析

在樓板抗連續(xù)倒塌計(jì)算分析時(shí),分別按各預(yù)制樓板獨(dú)立工作、部分樓板失效狀態(tài)兩種工況進(jìn)行大震靜力彈塑性分析,部分樓板失效如圖10所示。在各預(yù)制樓板獨(dú)立工作工況下,X向、Y向最大層間位移角分別為1/250、1/600;部分樓板失效狀態(tài)工況下,X向、Y向最大層間位移角分別為1/280、1/650,兩種工況均能滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[13]罕遇地震下最大層間位移角限值要求。

圖10 首層、二層部分樓板失效布置圖

在各預(yù)制樓板獨(dú)立工作工況與部分樓板失效狀態(tài)工況下,結(jié)構(gòu)最大位移分別為12、11mm,預(yù)制樓板在現(xiàn)澆混凝土挑耳上擱置長(zhǎng)度為60mm,可確保樓板在大震作用下不會(huì)發(fā)生樓板連續(xù)倒塌。

對(duì)全預(yù)制樓板板縫間節(jié)點(diǎn)抗剪按等效抗側(cè)剛度分配方式進(jìn)行罕遇地震作用下驗(yàn)算,經(jīng)計(jì)算,板縫最大剪力為290kN。板縫節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí),偏于安全,由板縫處每900mm一處的連接鋼板承擔(dān)罕遇地震下的剪力,并按最大剪力配置鋼板截面,單個(gè)連接鋼板截面為100×8可確保全預(yù)制樓板板縫節(jié)點(diǎn)在罕遇地震作用下不發(fā)生破壞。

3.5 設(shè)備管線預(yù)留銜接設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)預(yù)制疊合樓板,設(shè)備管線基本布置在疊合現(xiàn)澆層內(nèi),現(xiàn)場(chǎng)做好預(yù)留即可。而預(yù)制實(shí)心板無現(xiàn)澆層,管線需在工廠加工時(shí)埋入預(yù)制實(shí)心板內(nèi),并做好六邊形抗剪槽內(nèi)預(yù)留接口,待預(yù)制實(shí)心板吊裝完成后,將板間管線銜接后再澆筑灌漿料,確保管線在全預(yù)制實(shí)心板中貫通。圖11為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管線預(yù)留銜接圖。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管線預(yù)留銜接圖

4 與裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系對(duì)比

4.1 裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)布置

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí),將現(xiàn)澆剪力墻、全預(yù)制實(shí)心板新型方案,與裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)方案做了對(duì)比。裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)采用預(yù)制剪力墻與預(yù)制疊合樓板,預(yù)制剪力墻墻厚為200mm,樓板厚度為130mm,預(yù)制疊合板板厚為60mm,具體布置如圖12(圖中板編號(hào)含義以DBS1-67-4214為例,DBS1表示預(yù)制樓板編號(hào),相同樓板為同一編號(hào),67表示60mm厚預(yù)制樓板、70mm厚現(xiàn)澆混凝土層,42代表此預(yù)制疊合樓板長(zhǎng)度4200mm,14代表預(yù)制疊合樓板寬度為1400mm)。

圖12 裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)布置圖

4.2 造價(jià)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

現(xiàn)澆剪力墻、全預(yù)制實(shí)心板新型方案與裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)方案預(yù)制率均能到達(dá)規(guī)定要求,兩方案造價(jià)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見表3。從表3可以分析,新型方案預(yù)制樓板類構(gòu)件相比傳統(tǒng)方案的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件種類大幅減少,適宜標(biāo)準(zhǔn)化,同時(shí),新型方案因無傳統(tǒng)方案的預(yù)制墻豎向構(gòu)件工藝,其加工、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)施工措施費(fèi)成本等各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都有一定幅度降低,綜合造價(jià)比傳統(tǒng)方案節(jié)省約16%。新型方案在低層建筑中比傳統(tǒng)方案經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)較為明顯。

表3 兩種方案造價(jià)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

4.3 施工差異性對(duì)比分析

現(xiàn)澆剪力墻、全預(yù)制實(shí)心板新型方案與裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)方案的施工差異性對(duì)比見表4。從表4可以看出,新型方案較傳統(tǒng)方案在低層建筑施工速度優(yōu)勢(shì)非常顯著,不僅構(gòu)件加工速度快,因其吊次數(shù)量少、臨時(shí)支撐量少且無豎向構(gòu)件工藝,構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)施工周期減少近一半,施工更為便捷。

表4 兩種方案施工差異性對(duì)比

5 結(jié)論

(1)現(xiàn)澆剪力墻、全預(yù)制實(shí)心板結(jié)構(gòu)體系可實(shí)現(xiàn)裝配式低層住宅工程較高預(yù)制率,且對(duì)建筑外立面豐富與高功能要求受限影響較小。

(2)在住宅工程中,預(yù)制實(shí)心板比預(yù)制空心板有一定優(yōu)勢(shì),更為適用。

(3)通過有效措施,可實(shí)現(xiàn)全預(yù)制實(shí)心板在其平面內(nèi)形成整體,保證其整體剛度。

(4)在裝配式低層住宅中,現(xiàn)澆剪力墻、全預(yù)制實(shí)心板結(jié)構(gòu)體系較傳統(tǒng)裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系具有更顯著優(yōu)勢(shì)。