预制装配式建筑结构体系与设计

刘红梁， 高 洁， 吴志平， 曲兆隆

（上海应用技术学院城市建设与安全工程学院，上海 201418）

预制装配式建筑结构体系与设计

刘红梁， 高 洁， 吴志平， 曲兆隆

（上海应用技术学院城市建设与安全工程学院，上海 201418）

预制装配式建筑在我国正受到业界的极大关注，政府出台了相关的政策，设计标准也已颁布，但结构工程师对相关的设计概念缺乏了解，阻碍了预制装配式建筑的发展.为此，在我国已有研究基础之上，结合现行标准对预制装配式建筑的结构体系做了系统阐述，提出将其按节点型式划分为（干式）铰接结构、（湿式）刚接结构、柔性连接结构和混合连接结构4大类；对各种结构体系的力学性能、抗震性能和经济性能做了比较研究，建议优先采用有明显优势的（干式）铰接结构和混合连接结构；依据JGJ1-2014《装配式混凝土结构技术规程》对预制装配式建筑的结构设计方法做了研究和讨论，提出了新的设计思想，也针对混合连接结构提出了设计方法.

预制装配式；结构体系；钢-木结构；干式连接；湿式连接；柔性连接

随着大气环境恶化、现浇混凝土施工质量不够稳定以及世界建筑工业化趋势等多种因素的叠加驱动，近些年预制装配式建筑在我国建筑行业受到极大的关注.中国建筑科学研究院、同济大学、哈尔滨工业大学、东南大学等单位均已积极开展相关研究工作，一些大型的著名施工企业也重视产品制造到施工技术等一揽子项目的研究工作.预制装配式建筑在政策上也受到极大支持.2013年9月，上海市政府办公厅转发由建设交通委等五部门制订的《关于本市进一步推进装配式建筑发展若干意见》（沪府办〔2013〕52号）中提出，下半年市各区、县政府在区域住宅供地面积总量中，应落实建筑面积不少于20%的装配式住宅，2014年应不少于25%，2015年应不少于30%.2013年11月26日，上海市建设交通委等五部门印发的《关于本市进一步推进装配式建筑发展的若干意见实施细则》的通知，加快了上海市预制装配式建筑的推进工作.

本文根据我国已有的与预制装配式结构相关的研究成果，结合我国现行规范，对预制装配式建筑结构体系与设计思想进行研究和探讨，以期促进预制装配式建筑的发展.

1 预制装配式建筑结构体系

1.1 结构体系及其力学与抗震性能分析

1.1.1 预制装配式建筑分类

我国20世纪七、八十年代采用的预制装配式混凝土结构主要为装配式大板住宅体系，以及预制圆孔板、大型屋面板、槽形板等预制构件的应用.由于在构件生产、安装施工及结构受力模型分析、构件连接方式等方面存在诸多问题，这些结构在抗震性能、建筑物理性能、建筑功能等方面不同程度地存在着一些不足，因此在20世纪90年代已经逐渐地被淘汰［］.

现在针对民用建筑可采用的预制装配式结构型式很多，如多层和低层住宅建筑可采用木结构、轻钢-木结构、轻钢-钢筋混凝土结构、轻钢结构和新型普通钢结构。随着我国经济水平的进一步发展和对节能环保的更高要求，这些结构类型是城镇建设必然的发展趋势.目前，因受建造成本的制约，开发商更青睐于预制装配式混凝土结构的建筑，钢木建筑仅在少数高档别墅中采用.

在钢木结构、轻钢-钢筋混凝土结构和轻钢-钢结构建筑方面，莱芜钢铁建设公司、马鞍山钢铁建设公司、天津第二建筑公司、清华大学、同济大学等进行了较为系统的研究.如莱钢进行了H型钢结构住宅建筑体系研究［2］；浙江精工钢结构公司在多高层钢结构住宅方面进行了技术开发；天津建筑设计院研究了高层钢结构住宅体系；天津建工集团总公司研发了钢砼组合结构住宅建筑体系；同济大学研究了高层钢混凝土混合结构住宅体系；清华大学开发了钢结构居住建筑成套技术；中巍钢结构设计公司开展了大空间高层钢结构住宅建筑研究；湖北昊角新材料公司开展了新型空腔结构板轻钢住宅体系研究；上海市建科院开展了钢结构住宅研究；太原理工大学研发了轻钢结构多层住宅［3］.由此可见，上述结构在工程中的应用主要以成套技术和成熟的建筑产品等形式出现，具有显著的工业化和商品化特征.

1.1.2 预制装配式混凝土结构体系及其抗震性能

关于预制装配式混凝土建筑的结构型式，从国内外的研究和应用经验来看，可采用框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙（核心筒）等结构体系［1］.因此，从结构型式而言，预制装配式混凝土建筑和现浇混凝土建筑并无区别，但预制装配式结构在构件连接上的技术运用比较复杂，对于同样的结构布置，采用不同连接技术的最终结果使结构可能具有不同的力学和抗震性能，或者在相似的力学和抗震性能条件下，采用不同的连接技术，可使结构具有不同的经济性能，这正是结构设计师和设计院难以把握的技术关键，因而可能影响预制装配式混凝土结构的推广和应用.此外，郭兆军等［4］介绍了装配式整体预应力板柱体系（IMS体系），以及我国一些单位将整块板改成多块板的装配式预应力板柱体系.后者的优点是将预制板尺度和重量变小了，有利于吊装.笔者认为，装配式整体预应力板柱体系和装配式预应力板柱体系现场安装时都需要设置比较多的斜撑以帮助形成稳定体系，因此没有预制装配式框架施工方便.但是，由于装配式预应力板柱体系兼具板柱体系和装配式结构的共同特点，因此，在预制装配式建筑领域，装配式整体预应力板柱体系和装配式预应力板柱体系也必将被广泛应用.

预制装配式混凝土结构依据装配化程度的高低又可分为全装配式和部分装配式2大类.预制装配式混凝土结构的整体刚度与装配化程度高低没有直接的关系，只与受力构件刚度与节点刚度有关.预制装配式混凝土结构的节点分为干式连接的铰接连接节点（见图1、2）、湿式连接的刚性连接节点（见图3～6）和柔性连接节点（见图7～9）.干式连接的铰接连接节点不存在转动刚度，因此纯粹的（干式）铰接连接框架结构只适合承受以竖向荷载为主的情况，如不考虑抗震设防且基本风压很小（建议w0在0.3kPa以下）的低层建筑；湿式连接的刚性连接节点，其转动刚度接近现浇混凝土梁柱节点，因此，（湿式）刚性连接混凝土框架结构在力学性能上与现浇混凝土框架结构接近，适合建造从低层到高层的所有结构类型；柔性连接节点介于铰接连接节点和刚性连接节点之间，其存在转动刚度，但究竟如何取值缺乏依据.

图1 暗牛腿连接［5］Fig.1 Hidden corbel connection［5］

图2 型钢暗牛腿连接［5］Fig.2 Hidden corbel connection with section steel［5］

图3 中柱顶节点［6］Fig.3 The top node of stele［6］

图4 中柱中节点［6］Fig.4 The middle node of stele［6］

图5 边柱端节点［6］Fig.5 The end node of side column［6］

图6 边柱中节点［6］Fig.6 The middle node of side column［6］

图7 香港CPPCC2003规范推荐的梁柱节点［5］Fig.7 Eeam column joint recommended by Hongkong CPPCC2003 standard［5］

图8 带橡胶垫的螺栓连接节点［5］Fig.8 Connection node by bolt with a rubber pad［5］

图9 预应力混合装配式连接节点［5］Fig.9 Hybrid connection node both assembled and prestressed［5］

由以上分析可知，预制装配式混凝土结构不同的节点型式具有不同的刚度及耗能性能，因此采用不同节点连接技术的结构具有不同的力学和抗震性能.尤其装配式建筑可供选择的节点形式较多，同一结构使用何种节点以及每种节点按多大比例使用，都会使结构在力学和抗震性能上具有较大的差异.

现浇混凝土剪力墙结构是我国目前住宅的主要结构型式，因此预制装配式剪力墙结构将可能成为我国住宅建造工业化的主要结构型式.预制装配式剪力墙既可用于纯粹的预制装配式剪力墙结构，也可用于预制装配式框架-剪力墙结构中.预制装配式剪力墙包括外部叠合现浇墙和内部部分现浇剪力墙、外部挂板和轻质填充墙体系以及全预制装配或大部分预制装配剪力墙结构体系、简化连接（上下墙板和相邻楼板伸出钢筋焊接，墙与楼板的四边带有齿槽以增加接缝传递剪力的能力，用混凝土将接缝浇成整体.）的多层预制装配式大板结构体系等.有关预制装配式剪力墙的研究相对复杂，因为与装配式框架结构相比，装配式剪力墙结构中存在更大量的水平和竖向接缝，这些接缝的受力性能直接决定结构的整体性能，因此接缝的设计方法、构造要求、施工工法都需要进行系统的研究.此外，墙体单元率与墙体连接部位现浇率的比例也对装配式剪力墙结构的整体和抗震性能有很大影响.黄小坤等在文献［1］中就装配式剪力墙的研究关键做了详细论述.

正是由于预制装配式剪力墙结构的研究涉及的问题多且复杂，因此，成熟且多样化的预制装配式剪力墙产品尚需时日.但经过多年对国外技术的吸收和发展，目前我国黑龙江宇辉建设集团、中南控股集团有限公司、天津住宅集团、黑龙江建设集团、南通建筑工程总承包有限公司等已有相对成熟的装配式剪力墙结构技术［6-7］.

由于我国基本建设已经经历了20年的高速发展，我国的施工企业在剪力墙现浇施工技术方面积累了相当丰富的经验.对一幢高层剪力墙结构而言，机构化的滑模装置可以重复利用，在提高施工效率的同时大大降低了施工成本.如果将剪力墙结构中的梁和板预制装配化，还能使剪力墙滑模施工工法的优越性得到进一步拓展.因此，对于高层框架-核心筒结构和超高层以剪力墙作为筒体的建筑结构，目前仍然采用现浇施工技术施工剪力墙部分.

1.2 结构体系新划分方法的提出及其对比研究

根据上述分析可知，仅仅将预制装配式混凝土结构依据装配化程度的高低划分为全装配式和部分装配式2大类是不够的，这样的划分过于笼统，不便于在设计院推广.因此，将预制装配式混凝土结构依据节点型式划分为干式连接的铰接连接结构、湿式连接的刚性连接结构、柔性连接结构以及由多种连接混合形成的混合连接结构4大类，分别简称为（干式）铰接结构、（湿式）刚接结构、柔性连接结构和混合连接结构.此类划分，结构概念更加明确，且计算简图清晰，便于理解和具体运用.（干式）铰接结构、（湿式）刚接结构和柔性连接结构属于基本的预制装配式混凝土结构类型，混合连接结构属于由基本结构类型衍生出来的结构型式.受结构力学性能和抗震性能、现场施工方便性和经济合理性等诸多因素驱动，今后大部分的预制装配式混凝土结构可能都属于混合连接结构.

上述划分和将预制装配式混凝土结构按框架结构、框-剪结构和剪力墙结构的划分并不矛盾，它们属于不同的划分方法，而且彼此还可以统一.如预制装配式混凝土框架结构可分成（干式）铰接框架结构、（湿式）刚接框架结构、柔性连接框架结构和混合连接框架结构，预制装配式混凝土框-剪结构也可进行类似划分.

2 预制装配式建筑结构设计

2.1 设计标准与设计思想

2014年，JGJ1-2014《装配式混凝土结构技术规程》［8］（以下简称规程）正式颁布.装配式混凝土结构的设计有了依据.规程对装配式和装配整体式的框架结构、剪力墙结构及框架-剪力墙结构从建筑材料-建筑设计-结构设计-安装施工-工程验收做了系统的规定.在使用规程时需注意如下问题：

（1）规程只对装配式和装配整体式的框架结构、剪力墙结构及框架-剪力墙结构做了规定.因装配式混凝土结构的主要特色在于构件质量好、施工安装方便，如果过多地使用现浇刚性节点或叠合技术，将会使装配式混凝土结构的优势大打折扣.因此，对于低层以受竖向荷载为主、不考虑抗震设防的结构，可选择全铰接框架结构，即（干式）铰接结构，可凸显预制装配式的优越性；对于低层需要考虑抗震设防的结构，可选择以铰接为主的框架结构，即混合连接结构，刚节点的数量以满足位移1／550为目标（通过计算确定），或者采用柔性连接结构，最大程度地利用预制装配式的特色和优势；对于小高层结构，可选择铰接+刚接+耗能减震元件的组合（也可部分设计成柔性连接节点），此种组合同属于混合连接结构，既可充分发挥预制装配式的优势，也能使结构具有很好的抗风抗震性能，且合理地考虑了结构的经济性；对于高层和超高层结构，适合部分采用预制装配式，主要的抗侧力构件应该采用现浇混凝土.总之，结构工程师在决定设计方案时，既要看到预制装配式的优势和特色，又要防止过度使用，以防止成本过高.特别是预制装配式剪力墙构造复杂会较大程度增加用钢量，施工时有较高的安装成本，而且受力学性能要求边缘构件需要现浇，因此与当前设计院已熟练掌握且经济指标较好的习惯做法以及施工单位具有丰富经验的机构式滑模施工工法相比，究竟有多大的优势，值得深入研究和探讨.

（2）预制装配式是在我国经济得到较大发展的前提下，以提高工程质量和改善环境作为追求目标而提出和推广的，这也说明我国的建筑结构设计进入到全新的时代.虽然从单体造价而言，预制装配式比现浇混凝土更贵，但结构设计师必须打破以往追求设计经济性的设计思路，解放思想，以追求结构性能和技术先进作为目标去指导设计，在这个目标下去追求最佳的经济性能.

（3）相比常规的现浇混凝土结构，预制装配式结构设计技术要求更高.设计师必须有很好的结构概念和力学知识，同时通过学习充分了解预制装配式结构的技术要点，才能设计出技术先进、经济合理的预制装配式结构，这给结构工程师提出了更高的要求.

2.2 设计方法

规程对装配式和装配整体式的框架结构、剪力墙结构及框架-剪力墙结构设计做了详细规定，内容涵盖计算分析方法和构造设计.

混合连接结构的主要优势是结构工程师可以利用所学专业知识灵活地使用（干式）铰接节点、（湿式）刚接节点和柔性连接节点以及耗能减震产品，对结构进行科学设计，获得更高的结构性能和经济性能.设计这种结构时无法直接套用规程，但设计的技术关键均可在现行规范中找到依据，主要包含以下几点：

（1）设计带（干式）铰接节点的构件时，杆端没有弯矩，因此不需要考虑杆端延性设计，即无需设置杆端加密箍筋，杆端箍筋按斜截面承载力计算设计即可.由于水平地震作用下，受力边柱会以轴力形式承受地震作用，故柱子的承载力设计仍需考虑抗震调整系数rRE.

（2）柔性连接节点的刚度降低系数可以参照规程［5］表6.3.3并结合柔性连接节点构造情况取值，有条件时可以通过试验确定.

（3）耗能减震产品设计可以依据现行抗震规范及有关的耗能减震技术规程进行.

3 结 语

本文对预制装配式建筑的结构体系做了系统阐述，提出将预制装配式混凝土结构按节点型式划分成（干式）铰接结构、（湿式）刚接结构、柔性连接结构和混合连接结构4大类.对各种结构体系的力学性能、抗震性能和经济性能做了比较研究.对预制装配式建筑的结构设计方法和设计思想，依据规程做了研究和讨论.

［1］ 黄小坤，田春雨.预制装配式混凝土结构研究［J］.住宅产业，2010（9）：28-32.

［2］ 何道伟，张道富.马钢光明新村H型钢小高层住宅楼结构体系的设计与施工［J］.安徽建筑，2003（4）：60-62.

［3］ 涂虎强，刘景园，陈康.新型装配式结构体系的发展与住宅产业化［J］.科技资讯，2011（4）：212-213.

［4］ 郭兆军，胡克旭，郭朋，等.装配式板柱结构住宅建筑合理高度和跨度分析［J］.结构工程师，2008，24（5）：18-20.

［5］ 武江传.混凝土预制装配框架结构梁柱柔性连接初探［J］.安徽建筑，2011（4）：159-161.

［6］ 陈建伟，苏幼坡.预制装配式剪力墙结构及其连接技术［J］.世界地震工程，2013，29（1）：38-48.

［7］ 陈耀钢，郭正兴，董年才，等.全预制装配整体式剪力墙结构构件工厂化生产技术［J］.施工技术，2011，40（342）：6-9.

［8］ 中华人民共和国行业标准.装配式混凝土结构技术规程［M］.北京：中国建筑工业出版社，2014.

（编辑 俞红卫）

Structural System and Design of Prefabricated Building

LIU Hongliang， GAO Jie， WU Zhiping， QU Zhaolong
（School of Urban Construction and Safety Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

Prefabricated buildings are attracting great attention in the construction industry in China. Government has introduced the relevant policies.Design standard has also been promulgated.However，structural engineers have little knowledge about the design concept of prefabricated buildings，which hampers the development of prefabricated buildings.Thus，a systematic explanation was conducted on the structural systems of prefabricated buildings based on research foundation and combined with the current standard in China.A new classification for prefabricated concrete structure was put forward according to the node type，including the dry-type hinge structure，the wet-type rigid structure，the flexible connection structure and the hybrid structure，respetively.The mechanical properties，seismic performance and economic performance were comparatively studied between above four types of structures.Dry-type hinge structure and hybrid structure were first suggested because of their obvious advantages.Structural design method of prefabricated buildings was studied and discussed according to code JGJ1-2014.New design consideration was put forward.Design method for hybrid structure was put forward as well.

prefabricated；structural system；steel-wood structure；dry-type connection；wet-type connection；flexible connection

TU 375

A

1671-7333（2015）04-0357-05

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.04.009

2014-08-28

上海应用技术学院人才引进基金资助项目（YJ2011-77）

刘红梁（1970-），男，副教授，博士，主要研究方向为结构可靠度、结构抗震.E-mail：hgdlhl＠163.com