装配式混凝土建筑结构设计分析

【摘要】随着装配式建筑的发展，装配式混凝土建筑结构设计与现浇结构存在诸多不同之处，本文在介绍装配式混凝土建筑结构设计原理的基础上，重点分析了装配式结构布置、结构计算分析和预制构件设计及主要连接方式，以此为设计实践提供可靠的参考依据。

【关键词】预制装配式建筑；设计原理；结构布置；计算分析；预制构件设计；连接方式

装配式混凝土建筑是我国建筑业不断向现代化目标发展的重要产物，它的出现使建筑设计、建造都面临到前所未有的变革。由于装配式混凝土结构建造方式与现浇结构差别很大，目前很多设计采用了基于预制构件“拆分”的结构设计，以符合现行国家标准规定和政策规定为目标的设计方式，在很多方面存在着结构安全和建筑使用的隐患[1]。本文主要针对装配式混凝土结构区别于现浇结构进行阐述分析。

1、装配式混凝土结构设计原理

装配式建筑结构设计的基本原理是等同原理。也就是说，通过采用可靠的预制构件受力钢筋连接技术，采用预制构件与后浇混凝土相结合的方法和必要的结构与构造措施，保证其具有与现浇混凝土结构等同的延性、承载力和耐久性能，使装配整体式混凝土结构与现浇混凝土结构的效果基本等同。

实现等同效果，结构构件的连接方式是最重要最根本的。但并不是仅仅连接方式可靠就可以实现，必须对相关结构和构造做一些加强或调整，应用条件也会比现浇混凝土结构限制得更严。

装配式结构的设计应符合下列几个原则：

1） 应采取有效措施加强结构的整体性；

2）装配式结构宜采用高强混凝土、高强钢筋；

3）装配式结构的节点和接缝应受力明确、构造可靠，并应满足承载力、延性和耐久性等要求；

4）应根据连接节点和接缝的构造方式和性能，确定结构的整体计算模型。

2、装配式结构布置

装配式混凝土结构的平面及竖向布置要求，应适当严于现浇混凝土结构。在进行建筑方案设计时，需考虑装配式混凝土结构对规则性的要求，尽量避免采用不规则的平面、竖向布置。

高层装配整体式混凝土结构，当其房屋高度、规则性等超限时，需进行结构抗震性能化设计。

2.1结构平面布置要求

平面布置宜簡单、规则、均匀、对称；并尽可能使刚度中心与质量中心重合，以减少扭转；剪力墙应沿两个方向双向布置，使建筑物具有合理的双向刚度，且剪力墙结构中不宜采用转角窗。

对平面规则性的限制从结构抗震角度主要有两个目的：①控制结构扭转；②避免楼板中出现应力集中。结构在地震作用下的扭转对装配式混凝土结构尤其不利，会造成结构边缘的构件中剪力较大，预制构件水平接缝容易产生开裂和破坏；扭转还会在叠合楼板中产生较大的面内应力，在楼板与竖向构件的接缝处引起面内剪力，都容易造成破坏。对于平面较长外伸、角部重叠和细腰形的平面，凹角部位楼板内会产生应力集中，中央狭窄部分楼板内应力也很大。如果采用此种不规则的平面布置时，设计中应有针对性的进行分析和局部加强，如采用现浇楼板、加厚叠合楼板的现浇层及构造配筋，或者在外伸端部设置刚度较大的抗侧力构件等。

2.2结构竖向布置要求

装配式结构竖向布置应连续、均匀，应避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力沿竖向突变。

竖向不规则会造成结构地震力和承载力沿竖向的突变，装配式结构在突变处的构件接缝更容易发生破坏。如果发生竖向承载力或刚度突变的情况，突变位置可局部采用现浇结构。

高层装配整体式框架结构中，首层柱宜采用现浇混凝土。装配整体式剪力墙结构的底部加强区及其上一层、核心筒范围宜采用现浇混凝土墙体，其余部位根据需要采用预制剪力墙。

剪力墙布置时，外墙建议尽量采用预制剪力墙，能有效实现保温节能一体化并减少脚手架的搭设。

3、装配式结构计算分析

装配整体式混凝土结构的整体计算参数控制指标与现浇混凝土结构基本相同，区别于现浇混凝土结构主要有以下几个方面：

1）应根据连接点和接缝的构造方式和性能，确定结构的整体计算模型。

当预制构件之间采用后浇带连接且接缝构造及承载力均能够实现等同现浇的要求，可按现浇混凝土结构进行模拟。

对于不能实现等同现浇的连接节点及接缝形式，应按照实际情况模拟。如干式连接节点，一般应根据其实际受力状况模拟为刚接、铰接或者半刚接节点。从连接便利的角度，主次梁连接采用铰接的支座模型比较好。

2）现浇墙地震力放大。

预制剪力墙的接缝对其抗侧刚度有一定的削弱作用，应考虑对弹性计算的内力进行调整。对同一层内既有现浇墙肢也有预制墙肢的装配整体式剪力墙结构，现浇墙肢水平地震作用弯矩、剪力宜乘以不小于1.1的增大系数。放大系数宜根据现浇墙肢与预制墙肢弹性剪力的比例确定。

3）楼盖面内刚度假定和梁刚度增大系数。

对现浇楼盖和叠合楼盖，梁的刚度放大需要考虑叠合板底板是预制的，预制部分和梁的连接处有缝，计算时预制底板不适合完全考虑平面内无限刚性假定的，规范也给出参考数据，增大系数1.3～2.0比现浇混凝土的系数要小。

无后浇层的装配式楼盖对梁刚度增大作用较小，设计中可以忽略。

4）框架梁端负弯矩调幅系数。

在竖向荷载作用下，考虑框架梁端塑性变形内力重分布对梁端负弯矩乘以调幅系数，考虑到装配整体式框架节点刚性降低对框架内力的影响，装配整体式框架梁端负弯矩调幅系数适当降低，取0.7～0.8[2]。

5）楼板的布置方式与荷载传递路径。

根据楼板的拆分设计和相应的连接构造，确定荷载传递方式。如果完全布置成单向板，对结构传力路径还是有影响的。

6）混凝土保护层厚度。

现浇混凝土结构的钢筋保护层厚度应当从受力钢筋的箍筋算起，装配式结构连接部位的钢筋保护层厚度应当从套筒的箍筋算起。由于连接套筒的直径都比较大，钢筋会向构件内部偏移，而且偏移数据还不小，若计算模型中混凝土保护层厚度取值不当，构件就会存在安全隐患。

4、预制构件設计及主要连接方式

预制构件设计及连接方式是装配式建筑结构设计区别与现浇结构的主要部分，主要需要考虑以下几个方面。

1） 预制构件应遵循少规格、多组合的原则，综合建筑的功能要求进行标准化设计，减少构件的规格种类及提高构件模板的重复利用率，利于构件的生产制造与施工，从而控制造价。

2） 预制构件的形状、尺寸、重量等应满足制作、运输、安装等各个环节的要求，合理控制构件尺寸。

① 考虑到吊装的要求，单个构件的重量不宜过重，宜控制在6吨以内；

② 目前预制构件生产厂家的生产台模一般为3.6m、4.0m两种宽度，应以台模的宽度为控制指标，相对应的构件短边的尺寸不超过3.2m和3.6m；

③ 叠合板的运输为平放，受运输车辆限制，其短边宽度不宜超过2.4m。

3）构件在安装过程中，钢筋对位直接制约构件的连接效率，故预制构件的配筋设计宜采用大直径、大间距的配筋方式，以便于工厂化生产、现场钢筋的对位和连接。

4）主要连接方式。

① 后浇混凝土连接。在预制构件结合部留出后浇区，现场浇筑混凝土进行连接，包括梁柱现浇节点、预制剪力墙之间现浇连接段等。

② 套筒灌浆连接和浆锚搭接。套筒灌浆连接和浆锚搭接是用于受力钢筋的连接。

③ 叠合连接。叠合连接是预制板（梁）与现浇混凝土叠合的连接方式，包括楼板、梁和悬挑板等，叠合构件的下层为预制构件，上层为现浇层。

结语：

装配式结构设计不是简单的在现浇结构基础上进行预制构件“拆分”，而是应以工业化、产业化、信息化的思维重新建立装配式建筑设计理念，以满足建筑的适用性、结构的安全性为需求，只有对装配式结构体系有比较全面的了解和技术掌握，才能实现真正合理的装配式混凝土结构设计 。

参考文献：

[1]住房和城乡建设部住宅产业化促进中心.大力推广装配式建筑必读—技术.标准.成本和效益.中国建筑工业出版社.2016：45～47.

[2]中国有色工程有限公司.混凝土结构构造手册（第五版）.中国建筑工业出版社，2016，346.

作者简介：

张忠喜（1984-），男，工程师，研究生，主要从事结构设计工作。