装配式低层住宅全预制实心板结构设计

谢龙宝, 张少凯, 李 靖, 冷冬梅, 李洪求

(北京维拓时代建筑设计股份有限公司，北京 100025)

0 引言

随着国家各项政策与指导意见的陆续出台,装配式建筑得到大力推动与发展,也成为建筑行业转型升级和可持续发展的重要国策。近年来,各地区根据具体情况因地制宜发展装配式混凝土结构、钢结构和现代木结构等装配式建筑,国内对多高层住宅装配式建筑的装配式结构体系有着广泛研究[1-4],在装配式建筑设计阶段,装配式结构体系选择与建筑设计方案配合紧密、不可分开,既要实现建筑方案的多样性和功能使用的舒适性,也要保证装配式结构体系的合理性、适应性与经济性。赖忠毅[5]提出在装配式建筑体系的发展过程中,综合并充分利用装配式混凝土结构、钢结构、现浇混凝土结构各自的优点,避开各自的缺点,根据建筑功能及造型要求,通过合理应用一种或几种形式的组合,使其性能、装配率及造价达到一个最佳状态。郭惠琴等[6]认为装配式结构方案布置首先需要重视的是建筑功能需求,一是现有建筑方案设计使用要求,二是未来建筑使用功能变更的可能性,合理地布置结构构件,既保证结构安全,又能为后期发展预留灵活空间,应根据平面特点,将装配式结构布置在最有效的部位,既能节约材料,又能更好地保证建筑物的安全性。

本文以北京某一大型社区装配式低层合院住宅实际工程为例,按北京市2018年预制率不低于40%的装配式政策要求,结合建筑物功能需求较高、外立面较为丰富、传统装配式剪力墙结构体系适用性低等特点,通过装配式技术整体策划,采用了现浇剪力墙、全预制实心楼板结构设计体系来实现装配式结构目标。该结构设计体系在国内实践较少,已通过专家论证,项目基本竣工,部分楼座已投入使用。

1 工程概况

本工程位于北京市顺义区,总建筑面积为42万m2,其中含有700多户低层合院住宅,地下三层,地上两层,建筑总高度为6.8m,屋顶为单坡屋面。图1为外部实景图及效果图,建筑物外立面丰富,外窗落地且窗洞口较大,内部功能品质要求高,室内开间较大。

图1 外部实景图及效果图

本工程抗震设防烈度8度,设计基本地震加速度0.20g,设计地震分组第二组,场地类别Ⅲ类,场地特征周期0.55s。

2 装配式结构设计方案

2.1 结构体系布置

本工程结构体系采用剪力墙结构,结构体系三维、立平面布置示意图见图2、图3。由于建筑功能需求影响,除电梯筒围合成两向剪力墙外,多数剪力墙长厚比为8～10,剪力墙整体布置分散,难以形成较长剪力墙墙肢。墙厚为200mm,结构楼板厚度为130～150mm。

图2 结构体系三维及立面布置示意图

图3 结构体系平面布置示意图

2.2 装配式结构体系选取策略

结构各项计算指标均能满足现行规范要求。经统计,剪力墙、楼板的混凝土含量占比分别为38%、48%,楼板混凝土比重较大,因此,楼板的预制量对于规定预制率不低于40%的要求有着重要影响。

根据《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1—2014)[7]相关规定:当房屋层数不大于3层时,楼面可采用预制楼板。由于低层住宅建筑功能需求高、建筑立面丰富、竖向构件预制效率较低、楼板混凝土含量比重大等特点,本工程装配式结构体系选取了现浇剪力墙、全预制楼板结构体系。

2.3 全预制楼板选取

通常,全预制楼板可采用空心楼板、预应力空心板等,预制空心板应用于工业建筑、公共建筑较多,其板厚较厚,最小板厚为180mm,板跨越大发挥效率越高。由于本工程楼板跨度较小,基本为3～5m,通过与预制空心板对比,全预制楼板采用了预制实心板,表1为5m跨度下同工况预制空心板与预制实心板对比结果。从表1中可以看出,本工程预制实心板比预制空心板略有优势,造价较低,且有助于住宅室内净高提升,两种板型加工周期基本相同。

表1 预制空心板与预制实心板对比

3 现浇剪力墙、全预制实心板结构设计

3.1 整体结构设计

本工程采用现浇剪力墙、全预制实心板结构体系,其结构整体计算方法与传统现浇剪力墙结构设计方法基本相同,而如何采取有效措施使全预制实心板在平面形成整体,是该结构体系的重点。

为提高施工效率,减少全预制实心板板缝过大开裂风险,本工程采用了板缝密缝拼接方式,竖缝宽度为10mm。各开间板块全预制实心板构件布置基本为1～3块,楼板布置示意图(图中板编号含义以1YZB-4224为例,1YZB表示预制楼板编号,相同楼板为同一编号,42代表此预制楼板长度为4200mm,24代表预制楼板宽度为2400mm)与现场拼装图如图4所示。楼板在平面内刚度计算较为复杂,国内外对此有一定的相关研究[8-11],但目前设计上尚无高效计算方法实现刚度分析。本工程为使预制实心板在平面内保证整体刚度,在面内实现按整块板来设计,各预制实心板侧向板缝拼接处采用灌浆料浇筑,板端与现浇墙、梁混凝土一次性浇筑成形,同时沿预制楼板板缝方向每隔900mm设置六边形抗剪槽,槽内浇筑高强度灌浆料。板端支座上铁正常伸入支座并设置牛腿,以此形成键槽。预制实心板整体连接示意图如图5所示。

图4 预制实心板布置示意图与现场拼装图

图5 预制实心板整体连接示意图

偏于安全,现浇梁设计时,不考虑楼板翼缘对梁刚度及承载力的贡献,不考虑楼板对梁的抗扭约束作用。同时,按楼板无缝与预制楼板板缝开裂两种工况分别建立计算模型进行结构包络设计,两模型整体刚度主要计算指标详见表2。从表2可以分析,板缝开裂工况较楼板无缝工况整体刚度降低1%～3%,板缝开裂对整体刚度虽有减低,但减低有限,在采用六边形抗剪槽加强板与板的连接后,对整体刚度减少有一定的帮助。

表2 楼板无缝与板缝开裂整体刚度对比

3.2 预制实心板构件设计

相比于叠合预制楼板板缝处仅下排钢筋伸出构件,预制实心板板缝处上、下两排均出筋,会大幅度增加现场施工难度,因此,预制实心板板缝处不出钢筋,按单向板受力考虑。设计时,预制实心板不考虑起拱作用,为保证楼板变形可控,挠度限值取《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[12]较高要求1/250。

3.3 关键节点设计

本项目关键节点设计主要包括板缝节点、六边形抗剪槽节点、板端节点。

板缝节点与现场板缝图如图6所示,预制楼板侧板上部加工成斜面、下部加工成垂直面,板板拼接时,上部形成V口,下部竖缝采用φ20聚乙烯圆棒封堵,竖缝宽度按10mm控制,预制实心板安装到位后,V口与竖缝内采用高强度灌浆料浇筑。

图6 板缝节点与现场板缝图

六边形抗剪槽连接节点间距控制不大于900mm,每个连接处的预制楼板中预埋钢板与V形钢筋,预制实心板拼装到位后,预埋钢板上贴焊连接钢板,并采用高强度灌浆料进行浇筑。钢板连接截面要求不小于900mm范围内楼板分布筋配筋量,实现“强节点、弱构件”。六边形抗剪槽节点及现场施工浇筑图见图7。

图7 六边形抗剪槽节点及现场施工浇筑图

板端节点分为受力端与非受力端两种。预制实心板板端截面采用锯齿形,以增强现浇混凝土与预制楼板接触面的咬合。受力板端处,预制实心板根据《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1—2014)[7]要求搁置于现浇墙或现浇梁的挑耳上,挑耳挑出60mm,板端上铁出筋弯锚于墙或梁内;非受力板端处,预制实心板板底进入墙或梁内10mm,板端上铁出筋直锚于墙或梁内。受力板端节点见图8,非受力板端节点见图9。

图8 受力板端节点图

图9 非受力板端节点图

由于楼板底筋不伸出,板端直接搁置在挑耳上,可保证楼板吊装时能够一次安装到位,有效解决了楼板钢筋与梁钢筋碰撞的问题。

3.4 楼板抗连续倒塌能力分析

在楼板抗连续倒塌计算分析时,分别按各预制楼板独立工作、部分楼板失效状态两种工况进行大震静力弹塑性分析,部分楼板失效如图10所示。在各预制楼板独立工作工况下,X向、Y向最大层间位移角分别为1/250、1/600;部分楼板失效状态工况下,X向、Y向最大层间位移角分别为1/280、1/650,两种工况均能满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[13]罕遇地震下最大层间位移角限值要求。

图10 首层、二层部分楼板失效布置图

在各预制楼板独立工作工况与部分楼板失效状态工况下,结构最大位移分别为12、11mm,预制楼板在现浇混凝土挑耳上搁置长度为60mm,可确保楼板在大震作用下不会发生楼板连续倒塌。

对全预制楼板板缝间节点抗剪按等效抗侧刚度分配方式进行罕遇地震作用下验算,经计算,板缝最大剪力为290kN。板缝节点设计时,偏于安全,由板缝处每900mm一处的连接钢板承担罕遇地震下的剪力,并按最大剪力配置钢板截面,单个连接钢板截面为100×8可确保全预制楼板板缝节点在罕遇地震作用下不发生破坏。

3.5 设备管线预留衔接设计

传统预制叠合楼板,设备管线基本布置在叠合现浇层内,现场做好预留即可。而预制实心板无现浇层,管线需在工厂加工时埋入预制实心板内,并做好六边形抗剪槽内预留接口,待预制实心板吊装完成后,将板间管线衔接后再浇筑灌浆料,确保管线在全预制实心板中贯通。图11为现场设备管线预留衔接图。

图11 现场设备管线预留衔接图

4 与装配式剪力墙结构体系对比

4.1 装配式剪力墙结构布置

本项目设计时,将现浇剪力墙、全预制实心板新型方案,与装配式剪力墙结构传统方案做了对比。装配式剪力墙结构采用预制剪力墙与预制叠合楼板,预制剪力墙墙厚为200mm,楼板厚度为130mm,预制叠合板板厚为60mm,具体布置如图12(图中板编号含义以DBS1-67-4214为例,DBS1表示预制楼板编号,相同楼板为同一编号,67表示60mm厚预制楼板、70mm厚现浇混凝土层,42代表此预制叠合楼板长度4200mm,14代表预制叠合楼板宽度为1400mm)。

图12 装配式剪力墙结构布置图

4.2 造价经济性对比分析

现浇剪力墙、全预制实心板新型方案与装配式剪力墙结构传统方案预制率均能到达规定要求,两方案造价经济性对比见表3。从表3可以分析,新型方案预制楼板类构件相比传统方案的标准构件种类大幅减少,适宜标准化,同时,新型方案因无传统方案的预制墙竖向构件工艺,其加工、运输、现场施工措施费成本等各项经济指标都有一定幅度降低,综合造价比传统方案节省约16%。新型方案在低层建筑中比传统方案经济性优势较为明显。

表3 两种方案造价经济性对比

4.3 施工差异性对比分析

现浇剪力墙、全预制实心板新型方案与装配式剪力墙结构传统方案的施工差异性对比见表4。从表4可以看出,新型方案较传统方案在低层建筑施工速度优势非常显著,不仅构件加工速度快,因其吊次数量少、临时支撑量少且无竖向构件工艺,构件现场施工周期减少近一半,施工更为便捷。

表4 两种方案施工差异性对比

5 结论

(1)现浇剪力墙、全预制实心板结构体系可实现装配式低层住宅工程较高预制率,且对建筑外立面丰富与高功能要求受限影响较小。

(2)在住宅工程中,预制实心板比预制空心板有一定优势,更为适用。

(3)通过有效措施,可实现全预制实心板在其平面内形成整体,保证其整体刚度。

(4)在装配式低层住宅中,现浇剪力墙、全预制实心板结构体系较传统装配式剪力墙结构体系具有更显著优势。