鋼筋混凝土結構的建筑工業(yè)化及其抗震設計

李本悅 樊啟廣 徐 成

(浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

鋼筋混凝土結構的建筑工業(yè)化及其抗震設計

李本悅 樊啟廣 徐 成

(浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

根據(jù)我國建筑工業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀，詳細介紹了現(xiàn)場現(xiàn)澆的主體抗震結構和預制樓板的抗震設計方法及其他抗震措施，提出鋼筋混凝土結構是我國建筑工業(yè)化發(fā)展的主要方向，指出主體抗震結構現(xiàn)場現(xiàn)澆、樓板和其他輔助構件工廠預制的鋼筋混凝土結構為建筑工業(yè)化推廣應用的重點。

鋼筋混凝土結構，建筑工業(yè)化，結構抗震，抗震措施

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的推進，建筑工業(yè)化以其節(jié)能、節(jié)材、節(jié)地、保護環(huán)境等特點將逐漸成為建筑市場的主力軍，逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)建筑業(yè)中分散的、低水平的、低效率的手工作業(yè)生產方式。建筑工業(yè)化按建筑材料可分為木結構、鋼結構和鋼筋混凝土結構等種類[1]。因我國木材資源貧乏，木結構無法滿足建筑市場的需求；鋼結構為國外建筑工業(yè)化的主要模式，但因其耐火性能不高、后期防腐維護成本較高等特點，在我國市場占有率不高；鋼筋混凝土結構具有堅固、耐久、防火性能好等優(yōu)點，是我國建筑工業(yè)化發(fā)展的主要方向，特別是主體抗震結構現(xiàn)場現(xiàn)澆、樓板和其他輔助構件工廠預制的鋼筋混凝土結構，因其抗震性能好、耗能機制完善、與當前建筑市場能緊密銜接等特點，應為建筑工業(yè)化應用推廣的重點。我國處于環(huán)太平洋地震帶和亞歐地震帶，是世界上地震災害最嚴重的國家之一，地震強度大、范圍廣、頻率高、損失重，新中國成立以來，地震造成的死亡人數(shù)遠高于其他各類自然災害造成死亡人數(shù)的總和。根據(jù)我國的實際情況，為減輕建筑物震害，建筑結構設計應滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標[2]。確保結構設計滿足抗震設防目標是鋼筋混凝土建筑工業(yè)化推廣應用的前提。本文主要介紹了現(xiàn)場現(xiàn)澆的主體抗震結構和預制樓板的抗震設計方法以及其他抗震措施。

1 現(xiàn)場現(xiàn)澆主體結構的抗震設計

傳統(tǒng)意義上鋼筋混凝土結構建筑工業(yè)化的施工方式主要采用預制裝配式，即所有構件在工廠先制作好，然后運輸至施工現(xiàn)場進行安裝，這種方式雖然節(jié)省了模板、改善了施工條件、加快了施工進度，但結構的整體性不強，結構剛度偏弱，抗震性能較差。為確?？拐鹦Ч?，主體結構(包括梁、柱和剪力墻)應采用現(xiàn)場澆筑的方式施工，通過采用工具式腳手架、整體式模板、預制鋼筋骨架等方式深化施工技術的建筑工業(yè)化，而樓板和其他輔助構件工廠預制，現(xiàn)場安裝，在深化建筑工業(yè)化進程的同時確保建筑物的抗震性能?，F(xiàn)場澆筑的主體抗震結構其設計可分為以下兩個階段[3]，第一階段：計算“小震”時結構在彈性狀態(tài)下的地震作用，并與重力、風等荷載組合，進行構件截面設計，從而滿足“小震不壞”的要求，應注意在設計時不應考慮剛性樓板假定，不考慮樓板對梁剛度的放大作用，簡支在梁上的預制樓板，僅考慮傳遞豎向荷載作用。同時控制“小震”時層間位移角并采取相應的抗震構造措施，保證結構具有足夠的延性、變形能力和塑性耗能機制，達到“中震可修”的目標；第二階段：控制“大震”時結構的彈塑性層間位移角并采取相應的抗震構造措施，確?！按笳鸩坏埂?。“大震不倒”是保證人員生命安全的紅線，全結構現(xiàn)場澆筑的鋼筋混凝土結構因現(xiàn)澆樓板的存在，無法切實做到“強柱弱梁、強剪弱彎”，過多的調整系數(shù)增加了結構抗震設計的不安定因素。主體抗震結構現(xiàn)場澆筑、樓板及其他輔助構件工廠預制的鋼筋混凝土結構實際受力狀態(tài)更符合結構計算軟件的假定，結構計算準確可靠，并且工廠預制的結構樓板與主體結構柔性連接，在“大震”時能有效消耗地震能量，減少建筑物震害。

2 預制樓板的抗震設計

預制樓板不考慮參與地震時水平力的傳遞，僅按承受豎向荷載(含豎向地震)設計，只要滿足正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)就能達到“小震不壞”的要求。預制樓板的抗震設計重點在于加強預制樓板與支撐梁的節(jié)點連接，典型的預制樓板與主體結構的連接節(jié)點如圖1所示：預制樓板擱置在現(xiàn)澆梁側的牛腿上，并通過預埋在梁頂?shù)穆菟ㄅc梁實現(xiàn)柔性螺桿連接，其中擱置長度l需滿足式(1)的要求。

l≤[ue]

(1)

其中，[ue]為“中震”時，相鄰主體結構間的最大相對位移。預制板的擱置長度根據(jù)抗震設計設防目標應滿足“中震可修”的要求，如擱置長度不足，導致“中震”時預制板脫落，雖然由于柔性螺栓的存在不致于倒塌，但預制板脫落的維修需要小型吊裝機械和施工場地，實施起來相對困難，不符合“中震可修”的目標；如按“大震不倒”設計擱置長度，擱置長度會較長，影響建筑使用。

柔性螺栓連接需按“大震不倒”的要求設計，“大震”時允許預制樓板因滑出擱置牛腿而發(fā)生脫落，柔性螺栓和螺桿拉住預制板而不發(fā)生倒塌，以實現(xiàn)“大震不倒”的目標。單根螺栓所受拉力可由式(2)計算。

Nt=Geb/n

(2)

其中，Geb為單塊預制板的重力荷載代表值；n為單塊預制板所使用的連接螺栓個數(shù)。柔性螺栓按“大震不倒”的要求設置，“小震中震”時不參與結構受力，螺桿需要有足夠的富余長度，使其在“小震中震”時自由變形，富余部分螺桿可彎折埋入板端縫中，并用建筑密封膠保護；預制板底部的螺帽需防水、防腐，并應采取防脫落措施；為方便施工，柔性螺桿應在現(xiàn)澆梁的梁頂預埋，在預制板的板底固定；柔性螺桿應使用屈服臺階長、屈強比低、總伸長率大的材料制作，并在可能受混凝土剪切處采取剛性套筒保護，以防止在預制板脫落過程中被混凝土尖角剪斷。

3 其他抗震措施

3.1 加強相鄰預制板之間的連接及密封措施

相鄰預制板間的連接能協(xié)調預制板間的差異變形，增強預制板的整體性，降低單塊板擱置端破壞后預制板發(fā)生倒塌的風險。相鄰預制板間通常采用螺栓連接，施工簡單方便，質量穩(wěn)定可靠。預制板與主體結構間以及相鄰預制板間還需采用高效、穩(wěn)定、變形能力強的建筑膠密封，以滿足建筑物隔音、防水和私密性的要求，密封效果的好壞對住宅工業(yè)化建筑尤為重要。

3.2 采用預制空心樓板或預制帶肋樓板

采用預制空心樓板或預制帶肋樓板可有效減輕結構自重，減輕建筑物震害的同時又可增強預制板剛度、減少變形、降低造價，通過采用高強鋼筋或施加預應力等措施可進一步節(jié)省結構鋼筋用量，使建筑物達到節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保的要求。

3.3 在預制構件和主體抗震構件之間安裝耗能元件

在預制構件和主體抗震構件之間安裝耗能元件如阻尼器、減震墊等，能有效利用預制構件在“中震大震”時變形能力強的特性進行建筑物耗能，減少主體抗震結構所吸收的地震能量，降低建筑物震害。

4 結語

建筑工業(yè)化是我國建筑業(yè)發(fā)展的必然趨勢，是實現(xiàn)綠色建筑的必由之路[5]，本文提出了主體抗震結構現(xiàn)場現(xiàn)澆、樓板和其他輔助構件工廠預制是鋼筋混凝土結構建筑工業(yè)化的主要方向，討論了主體抗震結構和預制樓板的結構抗震設計要點和注意事項以實現(xiàn)我國的抗震設防目標，并提出通過加強相鄰預制板間連接及密封措施、采用預制空心樓板或預制帶肋樓板和在預制構件和主體抗震構件之間安裝耗能元件等抗震措施以降低建筑物的震害。

[1] 張曉平.建筑工業(yè)化設計要點探討[J].科技探索,2011(2):268-269.

[2] GB 50011-2010,建筑抗震設計規(guī)范[S].

[3] 國家標準建筑抗震設計規(guī)范管理組.建筑抗震設計規(guī)范統(tǒng)一培訓教材[M].北京:地震出版社,2010.

[4] 侯艷斌.談鋼筋混凝土結構基于性能的抗震設計理論[J].山西建筑，2013，39(20)：31-32.

[5] 曾令榮,吳雪樵,張彥林.建筑工業(yè)化——我國綠色建筑發(fā)展的主要途徑與必然選擇[J].居業(yè),2012(3):94-96.

The construction industrialization and seismic design of reinforced concrete structure

LI Ben-yue FAN Qi-guang XU Cheng

(TheArchitecturalDesign&ResearchInstituteCo.,LtdofZhejiangUniversity,Hangzhou310028,China)

According to the current situation of construction industrialization, discusses the seismic design methods and some seismic measures of this structure. The main development direction is the application of the reinforced concrete structure, in which, the chief anti-seismic structure casting-in-scene, floor slab and other auxiliary components fabricated in factory should be emphasized and preferred.

reinforced concrete structure, construction industrialization， anti-seismic structure， anti-seismic measures

1009-6825(2014)11-0064-02

2014-01-25

李本悅(1979- )，男，工程師； 樊啟廣(1977- )，男，工程師； 徐 成(1976- )，男，工程師

TU375

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