鄭茂金 李龍
四川省建筑設(shè)計(jì)研究院 四川成都 610000
正文:
近年來(lái),傳統(tǒng)的建筑行業(yè)正面臨著人口紅利減弱、環(huán)境污染嚴(yán)重、建安工期限制及建筑工程質(zhì)量等諸多問(wèn)題。為此,裝配式建筑以工業(yè)化、綠色化、高效化和質(zhì)量化的優(yōu)勢(shì)得到我國(guó)從業(yè)人員和政府部門(mén)的認(rèn)可和推廣,因其能較好地解決傳統(tǒng)建筑行業(yè)面臨的難題。裝配式混凝土建筑是指以工廠化生產(chǎn)的混凝土預(yù)制構(gòu)件(圖1~3)為主,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)裝配的方式建造而成的混凝土結(jié)構(gòu)類(lèi)房屋建筑。根據(jù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型,可分為裝配式框架結(jié)構(gòu)、裝配式框剪結(jié)構(gòu)和裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)。
圖1 預(yù)制疊合梁
圖2 預(yù)制疊合樓板
圖3 預(yù)制墻板
相比傳統(tǒng)的混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言,裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)既有許多與其相似相通之處,也有不少特有的要求和規(guī)定。兩者的異同基本貫穿于整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中,只有對(duì)此均有清晰的認(rèn)識(shí)和理解,方可在裝配式混凝土建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中做到“安全適用、經(jīng)濟(jì)合理和確保質(zhì)量”的要求。
裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟大致分為方案階段設(shè)計(jì)、施工圖階段設(shè)計(jì)和構(gòu)件深化階段設(shè)計(jì)。相比傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主要多了一個(gè)構(gòu)件深化階段設(shè)計(jì)步驟。
(1).方案階段設(shè)計(jì)
方案階段設(shè)計(jì)是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該階段設(shè)計(jì)直接控制著整個(gè)工程的建設(shè)成本、施工圖階段的工作量及施工過(guò)程中的難易程度。為了避免以上問(wèn)題的出現(xiàn),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須與相關(guān)專(zhuān)業(yè)密切配合,尤其是應(yīng)同建筑專(zhuān)業(yè)加強(qiáng)溝通協(xié)調(diào)。在滿(mǎn)足使用功能的前提下,盡量使建筑平面、豎向布置和功能安排規(guī)則化,避免由于復(fù)雜的造型和不合理的布置造成結(jié)構(gòu)的平面和豎向不規(guī)則。本階段主要工作是根據(jù)建筑高度、設(shè)防烈度和建筑功能等確定好結(jié)構(gòu)類(lèi)型,做好初步的結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置。
(2).施工圖階段設(shè)計(jì)
施工圖階段設(shè)計(jì)是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中承上啟下的一步。在方案階段結(jié)構(gòu)類(lèi)型、大體結(jié)構(gòu)布置已基本確定的條件下,進(jìn)一步細(xì)化構(gòu)件截面尺寸、調(diào)整結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)及優(yōu)化結(jié)構(gòu)含鋼量等。該設(shè)計(jì)階段除與建筑、設(shè)備及裝飾等專(zhuān)業(yè)保持密切配合外,更應(yīng)發(fā)揮結(jié)構(gòu)本專(zhuān)業(yè)的能動(dòng)性。充分了解當(dāng)?shù)匮b配式混凝土建筑的構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)裝配的技術(shù)要求,遵循“標(biāo)準(zhǔn)化、少類(lèi)型、多組合”的基本原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)的梁系布置和板塊劃分等。在計(jì)算分析完成的基礎(chǔ)上,借助相關(guān)軟件完成裝配式混凝土建筑的結(jié)構(gòu)施工圖繪制。
(3).構(gòu)件深化階段設(shè)計(jì)
構(gòu)件深化階段設(shè)計(jì)一般是由預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)廠家完成。生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)院提供的包含構(gòu)件尺寸、配筋及初步構(gòu)件拆分的結(jié)構(gòu)施工圖基礎(chǔ)上,進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的深化和詳圖拆分。諸如生產(chǎn)運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)的吊鉤、臨時(shí)固定設(shè)施安裝孔的預(yù)留預(yù)埋等細(xì)節(jié)問(wèn)題也均在本設(shè)計(jì)階段完成。值得注意的是,構(gòu)件深化階段設(shè)計(jì)與施工圖階段設(shè)計(jì)往往會(huì)交叉進(jìn)行,只有兩階段互相配合方能使裝配式構(gòu)件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)順利完成。
(1).結(jié)構(gòu)布置要點(diǎn)
結(jié)構(gòu)布置是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中至為關(guān)鍵的步驟,合理的結(jié)構(gòu)布置可使設(shè)計(jì)事半功倍,結(jié)構(gòu)布置主要可分為:豎向布置和平面布置。總體的布置原則是“受力明確、傳力直接、規(guī)整標(biāo)準(zhǔn)”。在豎向構(gòu)件的布置中,除滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)剛度、整體穩(wěn)定及承載力等方面的要求外,更重要的是要提高結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力,減小豎向構(gòu)件在水平力作用下出現(xiàn)拉力的可能,避免預(yù)制豎向構(gòu)件在接縫處拉、剪應(yīng)力同時(shí)出現(xiàn)的不利情況。此外,應(yīng)盡可能減少同一位置豎向構(gòu)件沿樓層高度的截面變化,可優(yōu)先考慮調(diào)整混凝土強(qiáng)度等級(jí)的方式來(lái)滿(mǎn)足軸壓比等指標(biāo)的限值。此處理可減少因豎向構(gòu)件的尺寸變化造成疊合樓板類(lèi)型的增加。在平面梁系布置時(shí),要摒棄“逢墻布梁”的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)習(xí)慣,盡可能少布次梁,多做大板。使板格劃分的寬度不小于1200mm,長(zhǎng)度不大于6600mm,以長(zhǎng)寬在3300mm為宜。而混凝土梁截面尺寸的確定也應(yīng)少規(guī)格,其有利于減少預(yù)制疊合梁生產(chǎn)時(shí)的模板成本。
(2).結(jié)構(gòu)計(jì)算要點(diǎn)
在各工況條件下,裝配式混凝土結(jié)構(gòu)基本可采用與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相同的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),即“等同現(xiàn)澆”原理。結(jié)構(gòu)計(jì)算主要包含承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩方面。目前,常用的結(jié)構(gòu)分析軟件,如PKPM、YJK和MIDAS等均有裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的分析功能。分析計(jì)算時(shí)采用的各種參數(shù)與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)基本相同,如周期折減系數(shù)、連梁剛度折減系數(shù)和樓面梁剛度放大系數(shù)等。值得注意的是,裝配式混凝土結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)的劃分高度比現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)有所降低。當(dāng)然,兩者的異同也不僅局限以上幾點(diǎn),在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí),應(yīng)具體問(wèn)題具體分析。此外,鑒于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的特殊性,對(duì)于不規(guī)則結(jié)構(gòu)或存在現(xiàn)澆與裝配構(gòu)件同時(shí)受力的復(fù)雜情況時(shí),應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充驗(yàn)算,如進(jìn)行彈性時(shí)程分析、彈塑性分析和節(jié)點(diǎn)有限元分析等。
(3).結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)要點(diǎn)
在裝配式混凝土建筑中,對(duì)于受力較大、抗震關(guān)鍵及建筑功能復(fù)雜的部位,比如:地下室、剪力墻結(jié)構(gòu)的底部加強(qiáng)區(qū)、框架結(jié)構(gòu)首層及頂層、轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層等,結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)其做現(xiàn)澆化處理。對(duì)預(yù)制結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì),除進(jìn)行與現(xiàn)澆構(gòu)件相同的分析以外,尚須對(duì)其做制作、運(yùn)輸和吊裝工況下的驗(yàn)算。此外,預(yù)制構(gòu)件在保證截面尺寸少規(guī)格的情況下,優(yōu)先采用大直徑鋼筋,以利于減少節(jié)點(diǎn)連接處鋼筋數(shù)量,從而方便施工時(shí)節(jié)點(diǎn)的有效可靠連接。預(yù)制剪力墻板在豎向拼縫設(shè)置時(shí)應(yīng)避開(kāi)邊緣構(gòu)件區(qū)域。預(yù)制疊合板的拆分應(yīng)盡量通過(guò)調(diào)整拼縫后澆帶的寬度來(lái)統(tǒng)一疊合板的幾何尺寸。最后,預(yù)制構(gòu)件的單個(gè)拆分重量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工單位的吊裝能力進(jìn)行控制??傃灾?,預(yù)制結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí),不僅要滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身的受力要求,還須考慮構(gòu)件生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化,施工安裝的可操作性等因素。
(4).構(gòu)件連接設(shè)計(jì)要點(diǎn)
預(yù)制構(gòu)件的連接設(shè)計(jì)是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重中之重,其直接關(guān)系到各構(gòu)件能否形成整體、達(dá)到共同受力。正確的連接設(shè)計(jì)不僅能有效地傳遞結(jié)構(gòu)內(nèi)力,更應(yīng)有足夠的剛度和良好的抗震性能。裝配式建筑中常用的構(gòu)件連接方式有干式和濕式連接兩種,而濕式連接是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的主要連接型式,其指通過(guò)套筒、機(jī)械、焊接等方式連接鋼筋后再進(jìn)行灌漿料灌注或混凝土澆筑從而形成整體。構(gòu)件連接設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于連接部位的選取和連接節(jié)點(diǎn)的整合兩方面。連接部位盡可能地選取在受力較小、便于施工操作的地方。為使構(gòu)件有效連接和保證連接節(jié)點(diǎn)的整體性,節(jié)點(diǎn)處預(yù)制構(gòu)件的結(jié)合面應(yīng)做糙化處理,如鑿毛留鍵槽等;另二次澆筑混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)高于被連接構(gòu)件的強(qiáng)度,且采用微膨脹混凝土為宜。
目前,我國(guó)常用的構(gòu)件連接方式雖有多種,但均有不同程度的缺陷,工程技術(shù)人員在項(xiàng)目設(shè)計(jì)和建造時(shí)應(yīng)合理選取,取長(zhǎng)補(bǔ)短,使預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)足夠可靠,真正做到“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的結(jié)構(gòu)目標(biāo)。
裝配式混凝土建筑是裝配式建筑的重要組成部分,其是建筑工業(yè)化的必然選擇。而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又是裝配式建筑工程建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)。所以,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召和行業(yè)需求,面對(duì)裝配式混凝土建筑存在的結(jié)構(gòu)問(wèn)題,攻堅(jiān)克難、不斷創(chuàng)新,推動(dòng)裝配式建筑健康快速發(fā)展。