浅谈装配式混凝土框架结构的深化设计基本原则及疑难分析-人工改重案例

发布日期:2022-04-01 08:59:16


  在国家政策的支持下,装配式建筑大力发展,但在建筑设计行业中依然存在各专业之间的沟通缺失,主体设计方的知识欠缺,使得装配式混凝土建筑项目无法高效顺利的进行。本文结合实际项目案例,对装配式混凝土框架结构各个构件的深化设计基本原则进行探讨;其次对其设计难点进行分析;最后对主体设计提出些许有利于预制框架结构深化设计的建议以供参考。研究表明:尽早将装配式专项考虑到项目前期准备工作中,保证各专业之间充分的沟通交流就能提前解决并消除绝大部分的深化设计难题,即可很大程度实现PC深化设计的便利性与高效性。


  装配式混凝土建筑具有施工效率高,现场粉尘少,施工噪音小,构件轻量化等优点。目前在日本、欧美、新加坡等国家,装配式建筑已被运用于高烈度地震区,其广泛的应用程度也侧面印证了装配式建筑的结构可靠性、便捷性及可持续发展性[1]。


  在国家大力推进建筑工业化道路的今天,通过各地方政府硬性要求或鼓励政策与各房地产开发商积极开发探索试点工程的各方协同努力帮助下,以及BIM技术在建筑行业领域中的日益完善[2],使得我国的装配式混凝土建筑技术逐步走向成熟,而装配式从业人员也能够更高效、精准、直观的对预制构件进行设计与深化。


  笔者作为一个上海建工设计研究总院——建筑工业化设计研究院的设计师,在从事装配式混凝土框架结构的深化设计工作的过程中发现,许多主体设计(包括建筑专业、结构专业等)并未亲身实际参与过装配式建筑的深化设计中,大多数的设计院接触现浇结构较多,而接触PC结构的机会少之又少,从而导致了主体设计与后期PC专业配合的经验匮乏,缺少针对PC所作的优化处理,甚至于不考虑PC深化设计的难度,这对于装配式混凝土建筑的PC深化设计工作造成了极大的影响。本论文将结合实际项目案例来阐述装配式混凝土框架结构的深化设计基本原则及存在的难点,并在最后对主体设计结构专业提出几点有助于PC深化设计的建议。


  1项目概况


  建设地点:上海市闵行区


  工程总称:闵行区浦江镇浦江社区MHPO-1307单元G03-04地块租赁住房项目


  项目名称:1#楼


  主要建筑功能:商业


  地上总建筑面积:3969.08m2


  具体项目信息详见表1:


  表1项目信息表


  层数 房屋平面尺寸 房屋高度


  (m) 结构类型 基础类型 预制梁


  地下 地上 长度(m) 宽度(m)


  2层 4层 53.38 28.87 17.95 装配整体式框架 桩基础 40.06%


  该项目的平面图由图1所示,可见其并非是方方正正的常规建筑单体,1-A轴与2-A轴存在约107°的夹角,这对装配式建筑的深化设计并不友好。


  该项目的主要预制范围包括预制柱,预制叠合梁及预制楼板。由于本项目地上层数为4层,而由于商业体的特性,每一层的楼梯布置均有差异,所以预制楼梯并不能做到统一,从而会产生不必要的模具费用及造价成本。而由于其建筑造型的特殊性,个别转角处的梁板不宜预制,为达到上海市规定的最低预制梁为40%,其余的梁板柱几乎均需预制。


  装配式框架结构更多的应用于商业综合体,并非像剪力墙结构较多运用于民用住宅,具有高度的标准化和模数化[3]。除此以外,装配式框架结构在考虑梁柱节点处、梁与梁交汇处钢筋避让的同时,还需仔细研究预制梁的吊装施工顺序,以避免在后期现场施工时造成无法吊装的麻烦。因此,相较于装配式剪力墙体系,装配式框架体系中各预制构件之间环环相扣,紧密联系,互相牵制,具有更大的深化设计难度,其对设计师的细心程度也有着更高的要求。


  图11#楼一层建筑平面图


  考虑到预制叠合楼板的深化设计难度较低,本文仅针对装配式框架结构中的预制柱与预制叠合梁的深化设计进行探讨和研究,对于预制叠合楼板而言,在楼板厚度正确的情况下不会对预制框架结构造成施工与吊装上的难度,对此后文也不再过多赘述。


  2单个构件的基本设计原则


  2.1预制柱


  常规的预制柱构件如图2所示,其柱顶应设有键槽和吊环,柱底应设有键槽[4](图3、图4)与排气导管及防雷引线,柱的侧面设有斜撑埋件和脱模埋件。


  


   图3预制柱底部键槽

浅谈装配式混凝土框架结构的深化设计基本原则及疑难分析

  图2预制柱构件三维视图 图4预制柱顶部键槽


  预制柱的深化设计应特别注意以下两点:


  (1)纵筋净距不应小于25mm和钢筋直径的较大值,且间距不宜大于200mm[5];


  (2)预制柱采用灌浆套筒(全灌浆或半灌浆)连接,且套筒间的净距不应小于25mm[6]。


  本项目中,存在预制柱配筋过大,且无法满足灌浆套筒之间的最低净距要求,如图5所示,且纵筋过于密集,不利于避让预制梁的钢筋,此种情况下可考虑纵筋等面积代换以减小预制柱纵筋根数,增大灌浆套筒之间的净距。


  图5KZ8预制柱配筋详图


  (3)当存在预制梁需要搭在顶层预制柱上时,预制柱纵筋无法采用弯折锚固形式,而应当采用以下节点形式以防止预制梁无法吊装,当顶层边柱进行预制时势必会影响建筑外形,需经过主体设计同意并确认。此外,在通常情况下顶层框架柱的配筋较大,因此并不建议预制顶层框架柱。


  图6顶层中柱连接节点构造图7顶层边柱连接节点构造


  2.2预制叠合梁


  常规的预制框架梁构件如图8所示,其在梁端均需设置键槽与侧面支模螺栓套筒,顶部设置吊钉用以脱模和吊装,如遇到次梁搭在预制框架梁上的情况,次梁处宜开通槽并设置槽钢。


  图8预制框架梁构件是三维视图


  预制叠合梁的深化设计应特别注意以下两点:


  (1)当预制框架梁的纵筋锚固长度不够时宜采用锚固板或锚固头形式以缩短60%的锚固长度(0.4)。且受压钢筋不应采用末端弯钩和一侧贴焊的锚固形式。


  (2)当预制次梁的锚固长度不够时应采用135°弯钩形式,此时的锚固长度由原来的12d变为7.5d。


  (3)当楼板厚度,即预制叠合梁现浇层的厚度小于150mm时应设置顶部键槽,一方面是为了增强预制混凝土与现浇混凝土之间的结合,另一方面是保证楼板钢筋具有足够的空间向下弯折。


  (4)预制叠合梁在确保纵筋净距不小于25mm的同时,更应该考虑钢筋锚固接头之间的相互避让。


  (5)当预制框架梁配有梁高范围内的抗扭钢筋时,在次梁槽口处不能像构造钢筋钢筋一样断开,若该次梁也进行了预制,会导致次梁钢筋与主梁抗扭钢筋的碰撞,在此种情况下建议将次梁槽口扩大,断开抗扭钢筋并留出10d的距离用以现场后期焊接,具体节点做法如图9所示。


  


  图9主次梁交接处抗扭钢筋做法示意图 图10预制梁侧视图


  (6)大部分的项目都存在降板不降梁或者同一楼层板厚不统一的情况,从而导致梁两侧的楼板现浇高度不同,如图10所示的预制框架梁左边板厚为130mm,右边板厚为160mm,考虑到现场30mm的支模难度,此种情况不宜做成梁顶平齐,即取大值均做成160mm现浇高度。


  本项目有多处存在锚固长度不够的情况,如图11所示,次梁所需锚固程度应为12d=336mm,而主梁宽度仅为300mm。如果采用135°弯钩形式虽然可以减少锚固长度,但135度弯钩也会影响同一轴线相邻的预制次梁钢筋排布,所以通常采用等面积代换的形式,将4根直径为28的钢筋代换为8根直径为20的钢筋最为适当和经济,其在满足次梁底筋锚固长度要求的前提下,不会影响同一轴线相邻预制次梁的钢筋排布。


  图11梁配筋图


  3构件与构件的连接深化设计及疑难分析


  众所周知,装配式框架结构相较于转配式剪力墙结构的难点就在于各构件之间的连接以及钢筋避让,其中各构件的连接包括预制柱与预制柱的连接,预制柱与现浇柱的连接。各构件的钢筋避让包括梁与梁之间的钢筋避让以及梁柱节点处的钢筋避让[7]。


  3.1柱与柱之间的连接


  以下列举三个本项目中的实例:


  (1)预制柱的定位,变截面形式以及各楼层柱配筋如图12所示,预制范围为一层~顶层。


  图12预制柱定位及配筋图-1


  1)首先,归并各个楼层预制柱的纵筋,尽量做到下柱的钢筋数量和直径大于等于上柱,图中,1F~3F柱配筋均为16根直径为25的钢筋,4F柱配筋数量较少,这种情况较有利于预制柱的深化设计。


  2)其次,预制柱变截面必将产生纵筋弯折,而设计人员应当尽量减少弯折钢筋的数量,且弯折的钢筋应设置在梁宽范围外,大部分的纵筋垂直向上延伸插入上一层预制柱的灌浆套筒。对于上图所示的情况,边界面发生在2F与3F交界处,具体的钢筋弯折如下图13所示:


  图13预制柱变截面钢筋分布情况-1


  3)柱纵筋在4F减少为12根,将3F多余的4根纵筋甚至上层柱底并添加锚固接头,如图14所示:


  图14预制柱下柱多余钢筋节点处理方法


  4)至此,该位置的预制柱深化难点均被解决,预制柱深化设计完成。


  (2)预制柱的定位,变截面形式以及各楼层柱配筋如图15所示,预制范围为一层~顶层。


  图15预制柱定位及配筋图-2


  如图所示,如遇此种情况的预制柱,需把预制柱纵筋等面积代换为大直径钢筋以减少钢筋数量,腾出更多空档预留给预制梁的甩出底筋,将1F~3F的柱纵筋归并为16根直径为28的钢筋(图中黄字),确保上下钢筋数量与直径相同。由于灌浆套筒的规格限制,套筒所能连接的钢筋直径只能相差一个等级,如28的钢筋只能连接32或25的钢筋,所以将4F预制柱钢筋等面积代换为12根直径25的钢筋即可,剩余的所有操作可参考上一项目实例。


  (3)1F~4F柱配筋图如图16所示,预制范围为1~2F与4F。


  图16预制柱配筋图-3


  如图所示,3F框架柱的抗震等级为二级,配筋较大,虽然为现浇柱,但其纵筋需同时向下插入2F预制柱和向上升入4F预制柱,所以在设计2F预制柱时上部需预留同等数量插筋并向上延伸至超过梁顶1.2lae,从而导致钢筋过密,难以保证钢筋净距要求;在设计4F预制柱时柱底需预留同等数量灌浆套筒,灌浆套筒上部钢筋长度不小于1.2lae,从而导致灌浆套筒过密,难以保证套筒净距要求。所以此种情况对PC结构十分不友好,建议取消4F预制柱;增加2F预制柱的现浇高度,使得所有上层框架柱插筋均处于现浇段内,由此来保证预制柱纵筋的合理排布。


  除此以外,当预制柱变截面无法满足时,纵筋无法弯折,需采用以下节点(图17),深化设计后的预制柱如图18所示。


  图17变截面预制柱的连接构造


  图18变截面预制柱钢筋排布图


  3.2梁与梁之间的连接


  对于预制梁之间的连接,G310-1~2图集上虽然给出了灌浆套筒连接的方案,但考虑到预制构件厂生产误差和现场施工误差,预制梁底筋难以对准,且灌浆套筒的成本相对较高,套筒直径较大,所以在PC深化设计时极少考虑采用灌浆套筒的节点。3当预制梁底筋数量较多时,考虑到钢筋净距要求以及锚固接头的承压面积影响,通常情况下无法做到钢筋之间的左右避让而选择上下避让,如图19所示,此时右侧预制梁底筋采用1:6弯折。


  图19梁钢筋的上下避让


  本项目中两个方向的预制梁高度大多相同,这对于装配式框架结构极其不友好,梁的底筋只能一层一层往上抬,当四个方向的梁均交汇于同一柱节点,就会形成下图所示的情景,对框架结构较为不利。所以在结构设计前期,应当避免XY方向梁高相同的情况。


  图20梁柱节点钢筋避让-1


  在深化设计预制梁时需考虑施工吊装顺序,笔者建议在深化设计前先确定好预制梁的吊装顺序,秉持先框架梁后非框架梁,先高粱后低梁,先主梁后次梁的吊装顺序原则,基于该原则给予其特定的构件编号,则BIM建模顺序即为吊装顺序。方便记忆的同时也给后期施工带来了极大的便利。


  3.3梁柱连接


  在考虑梁柱钢筋避让时,应调整预制柱钢筋的间距以尽量减少梁钢筋的水平弯折;在梁宽范围内尽量的少布置柱纵筋;尽量避开梁的左右两根底筋(见图21)。通过笔者的深化设计经验,可事先深化设计第一层预制梁后调整好预制柱钢筋,因为在通常情况下,第一层梁配筋会大于第二层及以上的梁配筋,如果预制柱钢筋排布能保证较大配筋的预制梁底筋避让,则对于第二层及以上配筋较小的梁也能大概率满足钢筋避让需求。当预制梁底筋分布过密,可适当等面积代换成较大直径的钢筋以减少钢筋根数,或者代换成较小直径的钢筋后双排布置[8]。当调整完第一层预制柱纵筋排布后,固定该纵筋间距,直至顶层预制柱深化设计完成后再进行除第一层以外的预制梁深化设计工作。


  


  图21梁柱节点钢筋避让-2 图22结构模板图


  本项目的梁大多为贴柱边布置(见图23),这就意味着梁底筋和侧面的抗扭钢筋必须水平弯折以避开柱的角筋,为原本就不充裕的梁钢筋水平间距制造了更多麻烦。相比之下,梁居中布置的情况下,会留给设计人员更多的操作空间排布钢筋,留给现场及构件厂更大的误差允许范围(见图21)。因此,在装配式框架建筑结构设计前期,除边梁以外的梁,不宜贴柱边布置,尽量采用居中布置的方案,可大幅降低PC深化设计难度,提高效率,在一定程度上也有效避免了现场因施工误差和生产误差所引起的吊装困难。


  图23梁柱节点钢筋避让-3


  4建议与展望


  装配式框架结构的难点在于各构件之间的连接以及节点交汇处的钢筋避让,但进过长期的项目实际操作和经验发现,在PC深化设计前期,只要尽早参与到项目前期准备工作中,与主体设计进行深入的沟通交流,绝大部分的难题都能提前解决并消除,极大程度地降低PC深化设计难度,使得PC设计人员更高效快递的进行构件深化工作。通过本文的探讨与分析,总结归纳,对项目前期主体设计提出以下几点建议:


  (1)相同位置的各楼层预制柱纵筋应尽量归并,宜采用大直径钢筋以减少钢筋数量,且不建议预制顶层框架柱。


  (2)预制柱变截面时应尽量采用1:6弯折钢筋的形式,尽量避免。


  (3)考虑到屋面荷载及防水要求,不建议预制屋面楼板。


  (4)两个不同方向的预制梁不宜同高,宜设置100mm的梁高度差以减少钢筋抬起的情况。


  (5)预制梁不宜贴柱边布置,尽量采用居中布置的形式。


  (6)应充分考虑满足预制梁节点处钢筋锚固长度的要求。


  框架结构的问世不同于剪力墙结构,除了具有自重轻,省材料的优点,其在一定程度上也满足了建筑师天马星空的艺术思维,不在受限于呆板方正的建筑外形,赋予了建筑本身更灵活的空间分隔,但在极力推广“绿色建筑”的道路上,也给装配式深化设计带来了极大的挑战[9],对此,笔者有以下三点展望:


  (1)对于复杂造型的建筑,希望能够改善预制率计算方法,或允许在一定程度上降低预制率要求。


  (2)各规范和图集所提供的构造节点尚有不完备的地方,希望在今后的科研中,能够走出传统思维理念,提出更优更便捷的新型构造节点做法。


  (3)装配式框架结构的构件深化设计,需要各方共同努力协作,真正做到构件标准化、定型化、模数化。


  


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