预制构件拆分是装配整体式混凝土结构设计的核心过程,具体拆分工艺由建筑功能、结构体系、构件预制条件及现场安装能力等决定,并且直接影响结构的可靠性、经济性以及预制率、装配率等控制指标的实现。因此,预制构件拆分是一项综合性极强的工作,需要建筑、结构、预制工厂、施工单位乃至项目预算部门的共同参与。
对于典型的非结构构件,如楼梯、空调板等,一般采用全预制构件,示例见图6-3。
图6-3 典型预制非结构构件
针对预制构件拆分过程中与结构可靠性相关的问题,做出详细论述。
1)基本原则
从结构角度看,预制构件拆分将直接决定预制构件设计与连接节点设计,为确保结构的整体性能与抗震性能,其应遵循的基本原则包括:
(1)拆分应尽量遵循少规格、多组合原则,统一和减少构件规格。
(2)尽量选择应力较小或变形不集中的部位进行构件拆分,当无法避免时,应采取有效加强措施。
(3)相邻构件拆分应考虑构件连接处构造的合理性。
(4)某些结构抗震重要部位及关键构件,要求采用现浇混凝土:
①地下室;
②剪力墙结构底部加强部位的剪力墙;
③框架结构首层柱及顶层楼盖;
④平面复杂或开洞较大的楼层楼盖;
⑤高层建筑电梯井筒及框-剪结构的剪力墙构件等重要抗侧力构件;
⑥转换层的转换梁柱、部分框支剪力墙结构的框支层及上一层等。
2)剪力墙结构拆分方案
(1)基本原则
对装配整体式混凝土剪力墙结构的拆分,主要集中于预制墙板的拆分,除要求现浇的剪力墙外,其拆分过程应遵循的基本原则为:
①预制剪力墙板宜全部为规整的一字形截面的平板类构件;
②预制墙板沿竖向宜按楼层高度拆分,接缝设置于楼板标高处;
③预制墙板沿水平方向拆分宜根据剪力墙位置(拐角处、相交处等)进行确定,并充分考虑非结构构件(填充墙、分隔墙等)及建筑构件(门窗等)的设计要求;
④预制墙板与预制楼板的拆分应相协调。
(2)具体方案
由于装配整体式剪力墙结构缺乏在高层建筑中的应用经验和灾害检验,对其技术性能,尤其是抗震性能,国内仍然持相对审慎的态度,剪力墙关键部位仍然推崇现浇结构,这直接影响到结构构件布置与拆分方案。对国内常用做法进行归类分析,按照现浇量由大到小分3种构件拆分方案进行论述。
①外墙全预制或半预制、内墙全现浇
此构件拆分方案即第一章提到的“内浇外挂”体系,其外墙采用全预制构件或PCF构件,而内墙全部采用现浇混凝土。
作为一种比较保守的方案,其在结构设计中仅考虑内部现浇剪力墙的抗水平荷载作用贡献,可以被认为完全符合现浇结构的所有原则与规定,因此,其本质就是现浇混凝土结构,在装配式混凝土结构在我国的推广初期得到了较广泛的应用。但是,分析认为,该方案对现浇混凝土结构突破有限,很难充分发挥预制混凝土优势,且在当前对预制率、装配率要求越来越高的行业背景下,该方案将越来越不适宜采用。
为提高结构预制率与装配率,同时保证结构整体性能与抗震性能,提出了外墙全预制或半预制、内墙部分预制部分现浇方案(图6-4),而内墙预制或现浇方案则可参考后述两种方案。
图6-4 “外墙全预制、内墙部分预制”方案施工照片
②剪力墙边缘构件全现浇
考虑到剪力墙边缘构件是剪力墙关键受力部位,对剪力墙构件的延性及耗能能力等抗震指标影响显著,其可靠性将直接决定剪力墙的力学性能及整体结构的抗震性能。因此,剪力墙边缘构件全部现浇(图6-5),使得该部位完全满足现浇混凝土结构的相关规定与要求,且通高设置的现浇边缘构件可发挥对中部预制墙板的约束作用,则认为该方案下的装配式剪力墙结构可基本达到“等同现浇”性能目标,也成为我国相关国家与行业标准主推的做法。
由于剪力墙边缘构件尺寸较大,且有时需要进一步加大现浇带长度以满足水平钢筋锚固要求,造成现场施工量较大。
图6-5 “剪力墙边缘构件全现浇”方案施工照片
图6-6 “剪力墙边缘构件部分预制”方案施工照片
③剪力墙边缘构件部分预制
为有效减少现场施工量,提出剪力墙边缘构件部分预制方案(图6-6),现浇带仅设置在墙端。该方案是基于第3章相关试验研究成果的基础上提出的,通过合理的钢筋配置与合适的现浇带长度与位置设置,认为该方案下结构仍能保证整体性与抗震性能。
由于剪力墙边缘构件部分预制、部分现浇,其受力整体性仍然受到质疑,但由于其有效提高了预制效率、大大降低了现场工作量,常受到应用单位的青睐。
剪力墙结构中的连梁由于跨度一般较小,且常与门窗等洞口一起,一般有条件均将连梁与剪力墙板整体预制;当无法实现时,则将连梁单独预制,现场再与剪力墙连接。两种拆分方案见图6-7。
图6-7 连梁拆分方案施工照片
为减少现场砌筑作业,剪力墙结构中的填充墙一般均采用预制构件。与剪力墙同平面的填充墙,一般与剪力墙整体预制;与剪力墙垂直的填充墙,则单独预制,现场与剪力墙连接。两种拆分方案见图6-8。(www.daowen.com)
图6-8 填充墙拆分方案施工照片
3)框架结构拆分方案
(1)基本原则
对装配整体式混凝土框架结构的拆分,主要集中于预制柱、梁的拆分,除要求现浇的框架柱、梁外,拆分过程应遵循的基本原则为:
①预制柱一般按楼层高度进行拆分,其长度可为1层、2层或3层高,也可在水平荷载作用效应较小的柱高中部进行拆分;
②预制梁可按其跨度拆分,即在梁端拆分,也可在水平荷载作用效应较小的梁跨中进行拆分;
③预制柱、梁与预制楼板的拆分应相协调。
(2)具体方案
与剪力墙结构不同,装配整体式框架结构在国外已有大量研究基础和应用经验,对其构件拆分方案已基本成熟和定型,根据预制构件形式,选取几种有代表性的方案进行具体论述。
①单/多层预制柱、整跨预制梁
柱按楼层进行预制,可视情况单层预制或多层预制;梁从端部分割,整跨预制;柱、梁节点处现浇,其方案施工照片见图6-9。该方案构件形式简单、预制方便,在多种技术体系中得到采用。
图6-9 “单/多层预制柱、整跨预制梁”拆分方案施工照片
②单层预制柱、莲藕梁
框架结构中,梁、柱构件的纵向受力钢筋在连接节点区汇集,且由于受力需要,节点区往往箍筋较多,导致梁、柱节点区钢筋密集,现场施工难度较大。特别在装配式混凝土框架结构中,采用现浇方式的预制梁、柱节点区的连接施工往往成为影响结构施工效率的主要因素之一,且质量难以保证,存在着降低节点结构性能的风险。
为了提高节点区的质量,减少现场“湿”作业量,可将梁、柱节点进行预制。在装配式混凝土框架结构拆分时,将梁在跨中进行拆分,形成“莲藕梁”的形式,如图6-10(a)所示。这种拆分方案中,梁、柱节点与梁作为预制整体,柱一般按照单层楼进行拆分,预制柱混凝土高度为单层楼高减去节点区高度,但应该保证预制柱纵向受力钢筋伸出。
图6-10 “单层预制柱、莲藕梁”拆分方案施工照片
这种拆分方式保证了节点区的制造质量,实现“强连接”形式,结构性能优越。但莲藕梁的节点区需要留设孔道,便于预制柱纵向钢筋穿过,对制造和施工的精度要求较高,同时莲藕梁形状相对不规则,制作和运输难度也相对较高。
③十字形预制梁柱体方案
框架结构的梁柱节点在地震荷载下往往是受力最大的部分,上述两种装配式混凝土框架结构拆分方案均在节点区或者紧靠节点区的位置进行连接,在该处存在着天然拼缝,在一定程度上会影响到结构性能。为进一步提高梁、柱节点区的质量和性能,可将框架梁、柱均在中间弯矩较小处进行拆分,形成类似“十字形”的整体预制梁柱体,现场连接时在梁、柱的中部进行连接,连接区域往往留有缺口,通过现场浇筑混凝土形成整体,如图6-11所示。
图6-11 “十字形预制梁柱体方案”拆分方案施工照片
4)叠合楼板拆分方案
(1)基本原则
作为传递结构竖向与水平荷载的重要构件,一般通过叠合现浇层保证结构水平荷载的传递,而竖向荷载的传递则与其拆分方案密切相关。为保证竖向荷载的有效传递,除要求现浇楼板外,其拆分过程应遵循的基本原则为:
①叠合楼板宜按墙、柱、梁等竖向构件结构平面位置进行拆分;
②拼缝宜设置在受力较小处,即拼缝方向宜与楼板短边方向平行;
③注意与剪力墙、框架柱、框架主次梁等其他构件拆分的协调性。
(2)具体方案
叠合楼板拆分方案相对简单,但应注意板宽的规格化以及拼缝方向,以免板块型号过多影响经济性或拼缝交错带来施工不便。叠合楼板拆分方案示例见图6-12。
5)预制外挂墙板拆分方案
(1)基本原则
作为框架结构重要的围护构件,一般采用预制构件,满足特殊的建筑外形要求及与主体结构的连接要求,其拆分过程应遵循的基本原则为:
①在满足运输与安装能力的前提下,应尽量增大墙板尺寸、减少节点数量;
②应合理考虑窗口位置及其对窗洞口的处理;
③拼缝宜处于梁轴线或柱轴线位置;
④注意与作为支座的剪力墙、框架柱、框架梁等主体构件拆分的协调性。
图6-12 叠合楼板拆分方案示例
(2)具体方案
由于建筑外墙一般形式多变且窗口较多,根据窗洞口及柱梁位置进行预制外挂墙板的拆分,形成了多种组合形式方案[图6-13(a)],而我国装配式混凝土建筑中较常采用最后两种方案[图6-13(b)]。
图6-13 预制外挂墙板拆分方案示例
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