装配式预应力组合结构体系的设计与工程应用_李真真.pdf

江苏建筑2022年第6期（总第225期）0引言随着城市化进程的加快，我国建筑业的发展正在全面进行转型升级、提质增效。装配式建筑持续快速发展，装配式混凝土结构体系自20世纪50年代进入我国市场后，已经成为全国装配式建筑的主要结构形式1。然而时至今日，其仍存在着构件装配难、施工质量检测难等诸多问题。如传统梁柱节点常采用湿法连接，节点区域钢筋复杂、密集，导致混凝土浇筑困难，施工质量难以保证；柱-柱连接采用灌浆套筒也存在对位困难、灌浆密实度不易检测等问题。这些问题不同程度上延误了装配式混凝土结构的工期，提高了综合成本。与之相对，装配式钢结构虽然安装方便高效、连接质量可控，但其耐火性能不佳、材料成本及维护费用居高不下，难以大规模推广。装配式预应力组合结构体系应用型钢节点连接混凝土构件，解决了传统装配式结构体系连接节点构造复杂、施工效率低下等问题2-4，节点区域后浇、包裹混凝土，也避免了型钢耐火性能不佳的问题。文章以城亿绿建PC构件厂工法楼项目为例，装配式预应力组合结构体系的设计与工程应用李真真1，施明哲1，满建政2，李国建2，谢超2，顾刘勇1（1苏州思萃融合基建技术研究所有限公司，江苏苏州215131；2中亿丰建设集团股份有限公司，江苏苏州215131）摘要装配式预应力组合结构体系作为一种新型装配式框架结构体系，具有整体性好、抗震性能好、耐火性能好、施工方便等优点。文章以城亿绿建PC构件厂工法楼项目为例，详细介绍了装配式预应力组合结构体系在多层框架工程中的应用情况，阐明了其设计方法、生产流程以及施工工艺，并对生产施工过程中的质量控制措施进行总结，为装配式建筑技术体系的进一步发展提供参考和借鉴。关键词装配式建筑；预制组合框架结构；施工工艺；质量控制中图分类号 TU378文献标志码 B文章编号1005-6270（2022）06-0031-06Design and Engineering Application of Fabricated Prestressed CompositeStructural SystemLI Zhen-zhen1SHI Ming-zhe1MAN Jian-zheng2LI Guo-jian2XIE Chao2GU Liu-yong1(1.Suzhou SITRI Integrated Infrastructure Technology Research Institute Co.，Ltd,Suzhou Jiangsu 215131 China；2.Zhongyifeng Construction Group Co.,Ltd,Suzhou Jiangsu 215131 China)Abstract：As a new type of fabricated frame structure system,the fabricated prestressed composite structuresystem has the advantages of fair integrity,excellent seismic resistance,outstanding fire resistance andconvenient construction.Taking the project of industrial fabrication building for PC component factory ofChengYi Eco-building Company as an example,this paper describes in detail the application of fabricatedprestressed combined structure system in multi-storey frame project,clarifies its design method,productionprocess and construction process,summarizes quality control measures in production and construction process,and provides reference for the further development of assembly building technical system.Key words：fabricated structure；prefabricated composite frame structure；construction technology；qualitycontrol收稿日期2022-06-20作者简介李真真，女（1996-），苏州思萃融合基建技术研究所有限公司，结构研发工程师，从事装配式结构体系研发工作。31江苏建筑2022年第6期（总第225期）介绍了装配式预应力组合结构体系的设计及工程应用，为装配式预应力组合结构体系进一步的推广发展提供思路。1装配式预应力组合结构体系简介装配式预应力组合结构是一种集钢结构、混凝土结构、预应力结构优点于一身的新型装配式框架结构体系，如图1所示，主要包括空心钢管外包满足防火要求厚度混凝土的预制组合柱、两端内插H型钢接头的预制预应力叠合梁、采用栓焊混合连接或全螺栓连接的高效干式连接节点2以及底板带肋、内部夹芯的大跨度预应力叠合楼板3。其中，柱-柱连接节点采用焊接连接，梁柱连接节点采用栓焊连接，如图2所示，连接完成后，叠合层与节点区浇筑混凝土，形成整体结构体系。该体系以钢结构的连接方式实现了大跨度混凝土结构的使用性能，其整体性好、刚度大、抗火性能好，又易于安装、抗震性能好，具有大规模应用建造的潜力。装配式预应力组合结构体系由中亿丰、城亿绿建联合东南大学在2017年进行合作研发，分别进行了节点试验5、楼板试验6、耐火性试验7，于2021年完成了子结构缩尺模型试验，充分验证了新型组合结构体系的可行性。2工程概况城亿绿建PC构件厂工法楼项目位于江苏省苏州市，该建筑地下1层为机动车库，地上4层为办公楼，建筑面积9 063.02 m2，地上建筑面积5 883.5 m2，建筑高度19.80 m，建筑立面效果如图3所示。本项目为多层框架结构，其中1至3层采用装配式预应力组合结构，4层采用装配式钢结构。主要采用的预制构件包括梁、柱、叠合楼板、楼梯、墙板等，预制装配率高达90.3%。3设计方法3.1设计思路本项目主体结构采用装配式预应力组合结构体系，属于装配式框架结构体系，主要构件为钢-混凝土组合构件，是传统技术与新工艺相结合的新型组合结构体系。其传统技术部分可采用现有标准规范进行计算、设计，对于暂时无法用现有规范解释的新工艺部分，可通过数值模拟和力学分析进行补充验算。3.2整体分析新结构体系主要构件均为组合结构构件，故依据组合结构设计规范（JGJ 1382016）8规定，确定抗震等级、阻尼比等参数；其力学模型仍然为框架结构，故整体抗震设计思路沿用建筑抗震设计规范（GB 500112010）（2016年版）9相关规定进行设计验算。与此同时，装配式预应力组合结构体系作为一种新体系、新技术，还需要结合有限元分析软件和力学计算方法对新结构体系进行数值模拟和受力分析。针对整体结构体系，采用有限元计算软件进行动力弹塑性时程分析，进行大震下的结构计算，保证结构在罕遇地震作用下，整体安全，不存在倒塌危险，抗震性能满足“大震不倒”。3.3构件分析针对采用预应力技术的叠合梁和空心叠合楼板，依据预应力混凝土结构设计规范（JGJ 3692016）10相关规定，通过受力分析编制相应的构件计算书，进行预制预应力构件的承载能力极限状态、正常使用极限状态验算。针对大跨度预应力叠图1装配式预应力组合结构体系示意图图2梁柱连接节点分解图图3城亿绿建PC构件厂工法楼建筑效果图32江苏建筑2022年第6期（总第225期）图6预制预应力叠合梁生产过程图4预制钢管组合柱生产过程合楼板，通过数值模拟进行新工艺楼板的有限元分析，明确其双向受力发展情况及导荷方式，从而进一步指导构件设计。4预制构件生产工艺4.1生产准备本项目预制构件生产包括钢构件制作、普通PC构件生产以及预应力张拉，涉及多专业、多工厂的协同工作。所以，生产前根据各专业、各环节的综合要求做好构件深化设计，是保证项目生产和施工质量的关键，包括确定好构件的材料、尺寸、配筋和预埋件的位置、钢筋与钢构件的连接方式等，防止安装时出现各种偏差。同时，设计单位在生产前做好技术交底，确保构件生产厂家能够合理规划生产设备和资源，制作出符合设计要求、质量合格的预制构件。此外，在混凝土浇筑前，仔细检查预制构件的隐蔽工程并做好记录。4.2生产流程4.2.1预制钢管组合柱预制钢管组合柱由钢管柱和外包混凝土两部分组成，先由钢结构加工厂按深化图纸加工预制组合柱的钢结构部分，包括矩形焊管、柱端型钢接头，后由预制PC构件生产厂家布置柱四角构造钢筋并绑扎钢筋网片，如图4（a）所示，浇筑柱外包混凝土后养护成形，拆模后成品如图4（b）所示。4.2.2预制预应力叠合梁预制预应力叠合梁在预应力长线台座上采用先张法制作而成，整个制作过程如图5所示，部分生产过程如图6所示。4.2.3大跨度预应力叠合楼板大跨度预应力叠合楼板同样在预应力长线台座上采用先张法制作而成，整个制作工艺流程如图7所示，部分生产过程如图8所示。4.3质量控制在装配式项目中，预制构件的生产质量对施工安装的质量有很大影响，故从预制构件的生产开始，就应该对每一道工序进行严格的质量控制。由于本体系的节点连接与钢节点的连接方式相同，对预制构件的精度要求比普通PC构件更为严格。若预制叠合梁两端的型钢接头误差过大，会导致预制构件在梁柱栓焊连接时无法准确对位，从而降低节点连接质量。为解决此问题，生产单位通图5预制预应力叠合梁生产流程33江苏建筑2022年第6期（总第225期）过定制夹具固定预制梁梁端型钢接头的位置，保证两端型钢接头标高差、垂直度以及叠合梁长度的允许误差均满足 钢结构工程施工质量验收标准（GB 502052020）11的有关规定。此外，在大跨度预应力叠合楼板的生产过程中，板内钢筋的位置应当尽可能准确，特别是要保持在同一设计高度上，否则后期的钢筋可能发生碰撞，造成安装不便。为保证底板部分区域混凝土保护层厚度满足要求，在钢筋网片放置到位后，采用间隔件将网片垫高至同一设计高度。5现场施工工艺5.1施工准备装配式结构的施工过程主要是吊运和安装构件的工作，构件的存放场地和吊装工作将直接影响施工的进度和质量。预制构件应堆放在起重设备的有效起重范围内，在预制构件下合理布置方木垫块保护预制构件钢结构外露部分。叠合楼板水平叠放，便于吊装，每层叠合板间的垫块应上下对齐。本项目预制构件中，预制柱和预制梁在构件深化图中均布置了吊点，可直接利用钢丝绳和卸扣进行吊装；为避免大跨度预应力叠合楼板在吊装过程中受到弯折，采用大跨度叠合板配套平衡吊具，并选择暗梁两端作为起吊点吊装。5.2施工流程本项目装配式预应力组合结构现场装配的具体流程如图9所示。预制钢管组合柱构件出厂时钢管内不浇筑混凝土，单层柱重量比PC柱减少50%左右，本项目二三层组合柱在工厂预制为一节，吊装过程如图图7大跨度预应力叠合楼板生产流程图8大跨度预应力叠合楼板生产过程图9现场施工流程34江苏建筑2022年第6期（总第225期）10（a）所示，减少了一层柱构件的吊装和焊接工作量。梁柱节点采用栓焊连接，无支架安装，如图10（b）所示，大幅减少施工人员，提高了施工质量。同时，得益于生产阶段对预制梁精度的严格控制，叠合梁的型钢接头与钢管柱的牛腿在安装过程中实现了精准连接，大大提高了现场施工效率，并有效保证了梁柱节点的连接质量。大跨度预应力叠合楼板采用密拼连接，免模板作业，叠合板间通过拼缝处的拼缝钢筋和暗梁焊接实现可靠连接，如图10（c）所示。为保证叠合楼板在施工阶段始终处于零应力状态，板下间隔2 m3 m布置临时支撑，与满堂脚手架相比支撑数量大大减少，现场施工更为便捷。5.3质量