裝配式低層住宅全預制實心板結(jié)構(gòu)設(shè)計

謝龍寶, 張少凱, 李 靖, 冷冬梅, 李洪求

(北京維拓時代建筑設(shè)計股份有限公司，北京 100025)

0 引言

隨著國家各項政策與指導意見的陸續(xù)出臺,裝配式建筑得到大力推動與發(fā)展,也成為建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級和可持續(xù)發(fā)展的重要國策。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,國內(nèi)對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)計階段,裝配式結(jié)構(gòu)體系選擇與建筑設(shè)計方案配合緊密、不可分開,既要實現(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,避開各自的缺點,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、裝配率及造價達到一個最佳狀態(tài)。郭惠琴等[6]認為裝配式結(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)展預留靈活空間,應(yīng)根據(jù)平面特點,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際工程為例,按北京市2018年預制率不低于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,通過裝配式技術(shù)整體策劃,采用了現(xiàn)澆剪力墻、全預制實心樓板結(jié)構(gòu)設(shè)計體系來實現(xiàn)裝配式結(jié)構(gòu)目標。該結(jié)構(gòu)設(shè)計體系在國內(nèi)實踐較少,已通過專家論證,項目基本竣工,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 外部實景圖及效果圖

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

2 裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

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)剪力墻長厚比為8～10,剪力墻整體布置分散,難以形成較長剪力墻墻肢。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)各項計算指標均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。經(jīng)統(tǒng)計,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,樓板的預制量對于規(guī)定預制率不低于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:當房屋層數(shù)不大于3層時,樓面可采用預制樓板。由于低層住宅建筑功能需求高、建筑立面豐富、豎向構(gòu)件預制效率較低、樓板混凝土含量比重大等特點,本工程裝配式結(jié)構(gòu)體系選取了現(xiàn)澆剪力墻、全預制樓板結(jié)構(gòu)體系。

2.3 全預制樓板選取

通常,全預制樓板可采用空心樓板、預應(yīng)力空心板等,預制空心板應(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,通過與預制空心板對比,全預制樓板采用了預制實心板,表1為5m跨度下同工況預制空心板與預制實心板對比結(jié)果。從表1中可以看出,本工程預制實心板比預制空心板略有優(yōu)勢,造價較低,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 預制空心板與預制實心板對比

3 現(xiàn)澆剪力墻、全預制實心板結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

為提高施工效率,減少全預制實心板板縫過大開裂風險,本工程采用了板縫密縫拼接方式,豎縫寬度為10mm。各開間板塊全預制實心板構(gòu)件布置基本為1～3塊,樓板布置示意圖(圖中板編號含義以1YZB-4224為例,1YZB表示預制樓板編號,相同樓板為同一編號,42代表此預制樓板長度為4200mm,24代表預制樓板寬度為2400mm)與現(xiàn)場拼裝圖如圖4所示。樓板在平面內(nèi)剛度計算較為復雜,國內(nèi)外對此有一定的相關(guān)研究[8-11],但目前設(shè)計上尚無高效計算方法實現(xiàn)剛度分析。本工程為使預制實心板在平面內(nèi)保證整體剛度,在面內(nèi)實現(xiàn)按整塊板來設(shè)計,各預制實心板側(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,同時沿預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。預制實心板整體連接示意圖如圖5所示。

圖4 預制實心板布置示意圖與現(xiàn)場拼裝圖

圖5 預制實心板整體連接示意圖

偏于安全,現(xiàn)澆梁設(shè)計時,不考慮樓板翼緣對梁剛度及承載力的貢獻,不考慮樓板對梁的抗扭約束作用。同時,按樓板無縫與預制樓板板縫開裂兩種工況分別建立計算模型進行結(jié)構(gòu)包絡(luò)設(shè)計,兩模型整體剛度主要計算指標詳見表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%,板縫開裂對整體剛度雖有減低,但減低有限,在采用六邊形抗剪槽加強板與板的連接后,對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比

3.2 預制實心板構(gòu)件設(shè)計

相比于疊合預制樓板板縫處僅下排鋼筋伸出構(gòu)件,預制實心板板縫處上、下兩排均出筋,會大幅度增加現(xiàn)場施工難度,因此,預制實心板板縫處不出鋼筋,按單向板受力考慮。設(shè)計時,預制實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)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[12]較高要求1/250。

3.3 關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計

本項目關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計主要包括板縫節(jié)點、六邊形抗剪槽節(jié)點、板端節(jié)點。

板縫節(jié)點與現(xiàn)場板縫圖如圖6所示,預制樓板側(cè)板上部加工成斜面、下部加工成垂直面,板板拼接時,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,預制實心板安裝到位后,V口與豎縫內(nèi)采用高強度灌漿料澆筑。

圖6 板縫節(jié)點與現(xiàn)場板縫圖

六邊形抗剪槽連接節(jié)點間距控制不大于900mm,每個連接處的預制樓板中預埋鋼板與V形鋼筋,預制實心板拼裝到位后,預埋鋼板上貼焊連接鋼板,并采用高強度灌漿料進行澆筑。鋼板連接截面要求不小于900mm范圍內(nèi)樓板分布筋配筋量,實現(xiàn)“強節(jié)點、弱構(gòu)件”。六邊形抗剪槽節(jié)點及現(xiàn)場施工澆筑圖見圖7。

圖7 六邊形抗剪槽節(jié)點及現(xiàn)場施工澆筑圖

板端節(jié)點分為受力端與非受力端兩種。預制實心板板端截面采用鋸齒形,以增強現(xiàn)澆混凝土與預制樓板接觸面的咬合。受力板端處,預制實心板根據(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,預制實心板板底進入墻或梁內(nèi)10mm,板端上鐵出筋直錨于墻或梁內(nèi)。受力板端節(jié)點見圖8,非受力板端節(jié)點見圖9。

圖8 受力板端節(jié)點圖

圖9 非受力板端節(jié)點圖

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)倒塌計算分析時,分別按各預制樓板獨立工作、部分樓板失效狀態(tài)兩種工況進行大震靜力彈塑性分析,部分樓板失效如圖10所示。在各預制樓板獨立工作工況下,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

在各預制樓板獨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,預制樓板在現(xiàn)澆混凝土挑耳上擱置長度為60mm,可確保樓板在大震作用下不會發(fā)生樓板連續(xù)倒塌。

對全預制樓板板縫間節(jié)點抗剪按等效抗側(cè)剛度分配方式進行罕遇地震作用下驗算,經(jīng)計算,板縫最大剪力為290kN。板縫節(jié)點設(shè)計時,偏于安全,由板縫處每900mm一處的連接鋼板承擔罕遇地震下的剪力,并按最大剪力配置鋼板截面,單個連接鋼板截面為100×8可確保全預制樓板板縫節(jié)點在罕遇地震作用下不發(fā)生破壞。

3.5 設(shè)備管線預留銜接設(shè)計

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

圖11 現(xiàn)場設(shè)備管線預留銜接圖

4 與裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系對比

4.1 裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)布置

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

圖12 裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)布置圖

4.2 造價經(jīng)濟性對比分析

現(xiàn)澆剪力墻、全預制實心板新型方案與裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)方案預制率均能到達規(guī)定要求,兩方案造價經(jīng)濟性對比見表3。從表3可以分析,新型方案預制樓板類構(gòu)件相比傳統(tǒng)方案的標準構(gòu)件種類大幅減少,適宜標準化,同時,新型方案因無傳統(tǒng)方案的預制墻豎向構(gòu)件工藝,其加工、運輸、現(xiàn)場施工措施費成本等各項經(jīng)濟指標都有一定幅度降低,綜合造價比傳統(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)濟性優(yōu)勢較為明顯。

表3 兩種方案造價經(jīng)濟性對比

4.3 施工差異性對比分析

現(xiàn)澆剪力墻、全預制實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)勢非常顯著,不僅構(gòu)件加工速度快,因其吊次數(shù)量少、臨時支撐量少且無豎向構(gòu)件工藝,構(gòu)件現(xiàn)場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比

5 結(jié)論

(1)現(xiàn)澆剪力墻、全預制實心板結(jié)構(gòu)體系可實現(xiàn)裝配式低層住宅工程較高預制率,且對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,預制實心板比預制空心板有一定優(yōu)勢,更為適用。

(3)通過有效措施,可實現(xiàn)全預制實心板在其平面內(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、全預制實心板結(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。