装配式混凝土建筑的结构设计浅析

浏览160次 时间:2019年6月19日 16:03
1 引言
近年来,传统的建筑行业正面临着人口红利减弱、环境污染严重、建安工期限制及建筑工程质量等诸多问题。为此,装配式建筑以工业化、绿色化、高效化和质量化的优势得到我国从业人员和政府部门的认可和推广,因其能较好地解决传统建筑行业面临的难题。装配式混凝土建筑是指以工厂化生产的混凝土预制构件(图1~3)为主,通过现场装配的方式建造而成的混凝土结构类房屋建筑。根据结构类型,可分为装配式框架结构、装配式框剪结构和装配式剪力墙结构。
相比传统的混凝土建筑结构设计而言,装配式混凝土结构的设计既有许多与其相似相通之处,也有不少特有的要求和规定。两者的异同基本贯穿于整个结构设计过程中,只有对此均有清晰的认识和理解,方可在装配式混凝土建筑的结构设计中做到“安全适用、经济合理和确保质量”的要求。
2 装配式混凝土建筑的结构设计步骤
装配式混凝土结构的设计步骤大致分为方案阶段设计、施工图阶段设计和构件深化阶段设计。相比传统的钢筋混凝土结构设计,主要多了一个构件深化阶段设计步骤。
(1).方案阶段设计
方案阶段设计是装配式混凝土结构设计的关键环节。该阶段设计直接控制着整个工程的建设成本、施工图阶段的工作量及施工过程中的难易程度。为了避免以上问题的出现,结构设计时必须与相关专业密切配合,尤其是应同建筑专业加强沟通协调。在满足使用功能的前提下,尽量使建筑平面、竖向布置和功能安排规则化,避免由于复杂的造型和不合理的布置造成结构的平面和竖向不规则。
本阶段主要工作是根据建筑高度、设防烈度和建筑功能等确定好结构类型,做好初步的结构构件布置。
(2).施工图阶段设计
施工图阶段设计是装配式混凝土结构设计中承上启下的一步。
在方案阶段结构类型、大体结构布置已基本确定的条件下,进一步细化构件截面尺寸、调整结构整体指标及优化结构含钢量等。该设计阶段除与建筑、设备及装饰等专业保持密切配合外,更应发挥结构本专业的能动性。充分了解当地装配式混凝土建筑的构件生产、运输及现场装配的技术要求,遵循“标准化、少类型、多组合”的基本原则进行结构的梁系布置和板块划分等。在计算分析完成的基础上,借助相关软件完成装配式混凝土建筑的结构施工图绘制。
(3).构件深化阶段设计
构件深化阶段设计一般是由预制构件生产厂家完成。生产厂家在设计院提供的包含构件尺寸、配筋及初步构件拆分的结构施工图基础上,进行结构构件的深化和详图拆分。诸如生产运输和现场安装时的吊钩、临时固定设施安装孔的预留预埋等细节问题也均在本设计阶段完成。值得注意的是,构件深化阶段设计与施工图阶段设计往往会交叉进行,只有两阶段互相配合方能使装配式构件的设计和生产顺利完成。
3 装配式混凝土建筑的结构设计要点
(1).结构布置要点
结构布置是结构设计中至为关键的步骤,合理的结构布置可使设计事半功倍,结构布置主要可分为:竖向布置和平面布置。总体的布置原则是“受力明确、传力直接、规整标准”。在竖向构件的布置中,除满足结构刚度、整体稳定及承载力等方面的要求外,更重要的是要提高结构的抗倾覆能力,减小竖向构件在水平力作用下出现拉力的可能,避免预制竖向构件在接缝处拉、剪应力同时出现的不利情况。此外,应尽可能减少同一位置竖向构件沿楼层高度的截面变化,可优先考虑调整混凝土强度等级的方式来满足轴压比等指标的限值。此处理可减少因竖向构件的尺寸变化造成叠合楼板类型的增加。在平面梁系布置时,要摒弃“逢墙布梁”的现浇混凝土结构设计习惯,尽可能少布次梁,多做大板。使板格划分的宽度不小于1200mm,长度不大于6600mm,以长宽在3300mm为宜。而混凝土梁截面尺寸的确定也应少规格,其有利于减少预制叠合梁生产时的模板成本。
(2).结构计算要点
在各工况条件下,装配式混凝土结构基本可采用与现浇混凝土结构相同的方法进行结构设计,即“等同现浇”原理。结构计算主要包含承载能力极限状态和正常使用极限状态两方面。目前,常用的结构分析软件,如PKPM、YJK和MIDAS等均有装配式混凝土结构的分析功能。分析计算时采用的各种参数与现浇混凝土结构基本相同,如周期折减系数、连梁刚度折减系数和楼面梁刚度放大系数等。值得注意的是,装配式混凝土结构抗震等级的划分高度比现浇混凝土结构有所降低。当然,两者的异同也不仅局限以上几点,在进行结构计算时,应具体问题具体分析。此外,鉴于装配式混凝土结构的特殊性,对于不规则结构或存在现浇与装配构件同时受力的复杂情况时,应加强结构的补充验算,如进行弹性时程分析、弹塑性分析和节点有限元分析等。
(3).结构构件设计要点
在装配式混凝土建筑中,对于受力较大、抗震关键及建筑功能复杂的部位,比如:地下室、剪力墙结构的底部加强区、框架结构首层及顶层、转换结构转换层等,结构构件设计时应对其做现浇化处理。对预制结构构件的设计,除进行与现浇构件相同的分析以外,尚须对其做制作、运输和吊装工况下的验算。此外,预制构件在保证截面尺寸少规格的情况下,优先采用大直径钢筋,以利于减少节点连接处钢筋数量,从而方便施工时节点的有效可靠连接。预制剪力墙板在竖向拼缝设置时应避开边缘构件区域。预制叠合板的拆分应尽量通过调整拼缝后浇带的宽度来统一叠合板的几何尺寸。
最后,预制构件的单个拆分重量应根据现场施工单位的吊装能力进行控制。总言之,预制结构构件设计时,不仅要满足结构构件本身的受力要求,还须考虑构件生产的标准化,施工安装的可操作性等因素。
(4).构件连接设计要点
预制构件的连接设计是装配式混凝土结构设计中的重中之重,其直接关系到各构件能否形成整体、达到共同受力。正确的连接设计不仅能有效地传递结构内力,更应有足够的刚度和良好的抗震性能。装配式建筑中常用的构件连接方式有干式和湿式连接两种,而湿式连接是装配式混凝土结构的主要连接型式,其指通过套筒、机械、焊接等方式连接钢筋后再进行灌浆料灌注或混凝土浇筑从而形成整体。构件连接设计关键在于连接部位的选取和连接节点的整合两方面。连接部位尽可能地选取在受力较小、便于施工操作的地方。为使构件有效连接和保证连接节点的整体性,节点处预制构件的结合面应做糙化处理,如凿毛留键槽等;另二次浇筑混凝土强度等级应高于被连接构件的强度,且采用微膨胀混凝土为宜。
目前,我国常用的构件连接方式虽有多种,但均有不同程度的缺陷,工程技术人员在项目设计和建造时应合理选取,取长补短,使预制混凝土结构的节点足够可靠,真正做到“强节点弱构件”的结构目标。
4 结语
装配式混凝土建筑是装配式建筑的重要组成部分,其是建筑工业化的必然选择。而结构设计又是装配式建筑工程建设中的重要环节。所以,结构设计人员应积极响应国家号召和行业需求,面对装配式混凝土建筑存在的结构问题,攻坚克难、不断创新,推动装配式建筑健康快速发展。
参考文献:
[1]JGJ 1-2014装配式混凝土结构技术规程[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2014.
[2]肖芳,王景梅,李明. 装配式建筑预制混凝土外墙结构设计[J]. 广东土木与建筑, 2018(12):17-19.
[3]王亚超,李俊峰,蒋世林等. 装配式混凝土结构设计关键连接技术研究[J]. 建筑结构, 2016(10):91-94.  

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