預(yù)制裝配式電子廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計方法與應(yīng)用*

王建剛，張 清，李智軍，劉媛瑩，張心玥，梅 源

(1.陜西建工第五建設(shè)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710032； 2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引言

我國建筑業(yè)正處于快速發(fā)展的浪潮中，建筑結(jié)構(gòu)朝著復(fù)雜化、大規(guī)?；?、高層化和高效化的方向發(fā)展[1-2]。隨著建筑材料設(shè)計理論和設(shè)計方法的不斷優(yōu)化，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)通過組合發(fā)揮出了不同材質(zhì)體系的優(yōu)勢，克服了傳統(tǒng)意義上單一材質(zhì)體系的固有缺點，完美形成了一系列高效、新穎、裝配化程度高的結(jié)構(gòu)體系。預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)具備良好的建筑適應(yīng)性和潛在的高效節(jié)能性，不僅能充分發(fā)揮材料的機(jī)械性能，達(dá)到節(jié)約成本和縮短工期的效果，還能很好地滿足現(xiàn)代建筑要求的大空間、高強(qiáng)度、功能多樣化及施工高效率等[3]。這種結(jié)構(gòu)形式目前在倉庫、大型公共建筑、超高層和高精度電子工業(yè)廠房都很受青睞[4]，特別是具有多種新穎和組合設(shè)計的裝配式結(jié)構(gòu)。因此，在實際結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，很有必要突破原有設(shè)計理念，改變原有設(shè)計方法，運用各種創(chuàng)新手法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。但可借鑒的設(shè)計經(jīng)驗相對匱乏，且設(shè)計過程較復(fù)雜，因此，對預(yù)制裝配式精密電子廠房結(jié)構(gòu)體系及布置、關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計進(jìn)行研究具有重要意義。

1 工程概況

大型三星半導(dǎo)體精密電子廠房位于陜西省西安市，是國內(nèi)首個集生產(chǎn)、吊裝施工于一體的預(yù)制裝配式廠房。建筑面積29.5萬m2，建筑高度23.9m，地上3層結(jié)構(gòu)，核心區(qū)79.1t單榀鋼桁架一次起吊，4.3萬t(28 097吊次)鋼結(jié)構(gòu)全螺栓連接。廠房包含1個核心區(qū)(FAB)、2個支持區(qū)(SUP)，其中SUP為FAB服務(wù)。工程結(jié)構(gòu)類型為現(xiàn)澆混凝土(RC)結(jié)構(gòu)+預(yù)制混凝土(PC)結(jié)構(gòu)+鋼結(jié)構(gòu)+勁性混凝土(SRC)結(jié)構(gòu)，其中核心區(qū)預(yù)制混凝土部分應(yīng)用柱、梁、格構(gòu)梁、疊合板等預(yù)制構(gòu)件，是組成FAB棟核心區(qū)的最關(guān)鍵部分[5]。工程基礎(chǔ)形式為樁筏基礎(chǔ)，共計5 604根樁，樁長37m。螺栓總用量160萬套，單節(jié)點最大螺栓用量1 600套，單榀桁架跨度48m。

2 結(jié)構(gòu)體系

精密電子廠房用于加工生產(chǎn)高精密電子元件，不僅需要提供極高的潔凈度，還需滿足恒溫、恒濕、恒壓及微震動的生產(chǎn)環(huán)境[6-8]。相較于普通廠房，其核心區(qū)抗微振性要求更嚴(yán)格。針對裝配式精密電子廠房結(jié)構(gòu)工程要求，將廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計分為FAB，SUP 2個模塊，并通過結(jié)構(gòu)縫將2個模塊分開，成為獨立的結(jié)構(gòu)單元，如圖1所示。其中FAB為鋼管混凝土(CFT)柱+現(xiàn)澆混凝土(RC)柱+預(yù)制混凝土(PC)柱+鋼結(jié)構(gòu)屋架結(jié)構(gòu)體系；SUP為型鋼混凝土(SRC)柱+鋼柱+鋼筋桁架樓承板體系。每個模塊又有若干子模塊，各模塊為相互獨立的結(jié)構(gòu)單元，根據(jù)各結(jié)構(gòu)單元的不同特點有針對性地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。在結(jié)構(gòu)縱剖面中間位置設(shè)置1道結(jié)構(gòu)縫，結(jié)構(gòu)橫剖面如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)平面分區(qū)

圖2 結(jié)構(gòu)A—A′剖面

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 核心區(qū)

核心區(qū)預(yù)制構(gòu)件安裝施工屬于裝配式結(jié)構(gòu)施工范疇，裝配結(jié)構(gòu)建造廠房施工工藝及質(zhì)量控制與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆施工有顯著差異。

核心區(qū)1～2層采用鋼筋混凝土柱+PC梁(桁架相關(guān)柱為矩形鋼管柱)；3層采用鋼結(jié)構(gòu)柱+鋼桁架。

屋架結(jié)構(gòu)為連接復(fù)雜的大跨度超長屋蓋結(jié)構(gòu)，鋼桁架體系剛度大，自重小，受力簡單，采用擴(kuò)大拼裝單元安裝時，對易變形的鋼構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗算，必要時應(yīng)采取加固措施。核心區(qū)屬于生產(chǎn)區(qū)，對結(jié)構(gòu)本身的抗微振性較支持區(qū)要求嚴(yán)格，其結(jié)構(gòu)性能主要是消除整個建筑的抗微振性。

箱形柱(CFT)與1層鋼筋混凝土梁節(jié)點平面及剖面如3，4所示。在CFT柱牛腿處安放預(yù)制梁，二者通過預(yù)留孔螺栓連接。核心區(qū)結(jié)構(gòu)布置有288根大截面現(xiàn)澆混凝土獨立柱，截面如圖5所示，分為加密區(qū)和非加密區(qū)，1/3處為加密區(qū)，截面尺寸為 1 400mm×1 400mm， 高11.05m，內(nèi)配56根φ32 HRB500E鋼筋，箍筋為φ12@φ100(150)， 單根柱鋼筋籠整體重約6.5t。本廠房基礎(chǔ)筏板厚1 000mm，核心區(qū)基礎(chǔ)采用φ700現(xiàn)澆混凝土鉆孔灌注樁。

圖3 CFT柱與1層鋼筋混凝土梁節(jié)點平面

圖4 CFT柱與1層鋼筋混凝土梁節(jié)點剖面

圖5 核心區(qū)RC柱截面構(gòu)造

PC梁與RC柱牛腿上焊接承插鋼筋，安裝時插入梁上預(yù)留孔，兩側(cè)用泡沫棒封堵，外側(cè)打膠，中間采用C75無收縮灌漿料[9]，如圖6所示，PC梁只預(yù)制至板底，裸露箍筋與上層板筋固定。鋼結(jié)構(gòu)中，梁柱連接分為鉸接與剛接，鉸接用高強(qiáng)螺栓通過連接板摩擦型連接，剛接用栓焊連接。梁與柱剛性連接時，柱在梁翼緣上、下各500mm的節(jié)點范圍內(nèi)，柱翼緣與腹板、箱形柱壁板間應(yīng)采用全熔透坡口焊縫。

圖6 PC梁與RC柱連接

3.2 支持區(qū)

支持區(qū)1～3層均為鋼-混凝土組合框架，充分利用了混凝土的抗壓性能和鋼材的抗拉性能，鋼筋混凝土與型鋼形成整體，共同協(xié)調(diào)受力。其結(jié)構(gòu)承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出同截面鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力。因此，在滿足同等承載力設(shè)計要求的情況下，該結(jié)構(gòu)體系可大大減小構(gòu)件截面尺寸，減輕構(gòu)件自重，有效防止“肥梁胖柱”的現(xiàn)象，增加建筑物內(nèi)部使用空間。支持區(qū)屬于生活區(qū)，主要安置供水、供電、供氣等配套設(shè)備，較核心區(qū)對抗微振性要求較低。支持區(qū)SRC柱構(gòu)造剖面如圖7所示(“D-1”均為零件編號，A—A剖面距柱頂端1 300mm，B—B剖面距樁底端200mm，C—C剖面距柱頂端9 800mm)，鋼結(jié)構(gòu)樓承板鋪設(shè)如圖8所示。

圖7 SRC柱構(gòu)造剖面

圖8 支持區(qū)鋼結(jié)構(gòu)樓承板鋪設(shè)

4 構(gòu)件連接設(shè)計

4.1 大體量鋼結(jié)構(gòu)裝配化全螺栓連接設(shè)計

三星半導(dǎo)體二期FAB廠房工程全螺栓連接采用10.9s級扭剪型高強(qiáng)螺栓連接副，摩擦型連接，總用量約150萬套。摩擦型連接設(shè)計分為2個階段：①按設(shè)計內(nèi)力進(jìn)行彈性設(shè)計，要求摩擦面不滑移；②進(jìn)行極限承載力計算，此時考慮摩擦面已滑移。螺栓連接時，桿件上開螺栓孔對截面有一定削弱，需核算削弱后的截面對結(jié)構(gòu)安全是否有影響，若凈截面承載力不滿足要求，需替換大規(guī)格材料。由于螺栓孔的影響，桿件截面往往需放大15%左右。

4.2 預(yù)制女兒墻構(gòu)件連接設(shè)計

主廠房支持區(qū)屋面設(shè)女兒墻，女兒墻位于鋼梁頂部。斷面為[形。原設(shè)計圖紙女兒墻厚350mm、高1 140mm；將單個女兒墻優(yōu)化為長度≤3 700mm、 重≤4t，參照建筑模數(shù)，預(yù)制女兒墻優(yōu)化尺寸為 3 580mm×350mm×1 140mm，如圖9所示。特殊部位構(gòu)件利用標(biāo)準(zhǔn)模具改造后特殊生產(chǎn)加工，外圍女兒墻按使用功能，設(shè)計為上沿口向內(nèi)3%坡面，考慮沿口排水；女兒墻安裝前應(yīng)依據(jù)鋼梁上部定位控制線焊接承插鋼筋于懸挑梁上，鋼筋與鋼梁相互垂直。構(gòu)件底部粘貼雙面膠海綿條密封，防止?jié)仓r漏漿。構(gòu)件吊裝完成后，進(jìn)行螺栓連接，構(gòu)件內(nèi)側(cè)與鋼梁采用M20螺栓與 ∟100×12 墊片相互連接，鋼梁一側(cè)與角鋼墊片焊接，構(gòu)件一側(cè)與預(yù)埋M20內(nèi)絲連接。本工程深化設(shè)計全過程采用BIM技術(shù)，使整個裝配式精密電子廠房工程以深化為核心，將設(shè)計、構(gòu)件加工、施工吊裝通過BIM技術(shù)有機(jī)銜接。預(yù)制女兒墻構(gòu)件連接如圖10所示[10-12]。

圖9 預(yù)制女兒墻

圖10 預(yù)制女兒墻構(gòu)件連接

5 結(jié)語

1)核心區(qū)采用鋼管混凝土(CFT)柱+現(xiàn)澆混凝土(RC)柱+預(yù)制混凝土(PC)柱+鋼結(jié)構(gòu)屋架結(jié)構(gòu)體系，支持區(qū)采用型鋼混凝土(SRC)柱+鋼柱+鋼筋桁架樓承板體系，針對核心區(qū)及支持區(qū)的結(jié)構(gòu)布置及結(jié)構(gòu)縫等進(jìn)行專門研究和合理設(shè)計。

2)針對構(gòu)件不同位置的節(jié)點連接，詳細(xì)分析了典型節(jié)點的連接設(shè)計，確保預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的安全性，同時也提出實際工程施工中的解決措施，采取相應(yīng)措施使各裝配式構(gòu)件的連接滿足使用要求。

3)對于預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，通過采用BIM可視化設(shè)計，使整個預(yù)制裝配式精密電子廠房工程以深化為核心，將各專業(yè)設(shè)計、構(gòu)件加工、施工吊裝等良好地銜接在一起，使之更符合裝配式結(jié)構(gòu)的發(fā)展規(guī)律。