预制装配整体式混凝土框架_剪力墙结构设计.pdf

第 43 卷 第 2 期 2013 年 1 月下 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 2 Jan 2013 预制装配整体式混凝土框架-剪力墙结构设计 * 郑振鹏， 郑仁光， 李峰 ( 上海市城市建设设计研究总院， 上海 200125) 摘要以一栋框架-剪力墙结构住宅为工程背景， 对预制装配整体式框架-剪力墙结构的设计方法进行了详细论 述。由于国内尚没有相同结构形式工程的设计经验， 如何保证该结构达到等同现浇结构的性能是设计关键， 从结 构整体计算、 关键构件与节点的设计等几个方面进行了深入探索和研究， 相关方法与思路可为类似的结构设计提 供参考。 关键词预制结构;框架-剪力墙结构;等同现浇结构;整浇式节点;关键构件 中图分类号: TU375文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2013) 02- 0028- 05 Design on precast assembled monolithic reinforced concrete frame- shear wall structure Zheng Zhenpeng，Zheng Renguang，Li Feng ( Shanghai Urban Construction Design Research Institute，Shanghai 200125，China) Abstract: Based on a frame-shear wall building，design of the precast assembled monolithic reinforced concrete frame-shear wall structure was discussed in detail Due to the lack of the design experience of the structure，it is the key issue to ensure the structure to reach the performance of cast in-place equal structureSeveral aspects were explored and researched further，such as calculation of the whole structure，design of key members and joints，and so on The results could provide reference for similar structures Keywords: precast structure;frame-shear wall structure;cast-in-place equal structure;cast-in-place joint;key member * 上海市科学技术委员会科研计划项目( 10dz0583700) 。 作者简介: 郑振鹏， 高级工程师， 一级注册结构工程师， Email: z_z_p 163 com。 0前言 随着我国城市化进程的提速， 住宅建筑尤其是 保障性住房飞速发展， 但传统住宅普遍存在建造周 期长、 施工质量不稳定、 能源及原材料消耗大、 产业 化程度低等问题， 因此， 迫切需要采取工业化手段来 提高住宅建设的质量和效率， 加速推进以“节能、 节 地、 节水、 节材、 环保” 为着眼点的住宅产业化工作。 目前， 全国一些省市已经开始了住宅产业化的试点 和推广工作， 一批地方标准和奖励政策纷纷出台， 相 继建成了一批各种结构形式的预制装配式混凝土结 构试点工程; 然而， 国内现已建成的试点工程的预制 化程度普遍较低。上海市城市建设设计研究总院与 上海城建置业发展有限公司合作， 在其开发的上海 市保障性住房工程中选择了 5 栋高层住宅建筑作为 试点， 首次采用 50% 以上的预制率， 其中 1 栋 14 层 的住宅建筑预制率高达 70% ， 预制化程度在国内处 于领先水平。本文以试点工程中一栋 14 层的住宅 为例， 对预制装配整体式住宅的结构设计进行探讨。 1工程概况 本工程为上海市保障性住房工程浦江基地一栋 地上 14 层( 层高 2. 8m) 、 地下 1 层( 层高 3. 0m) 、 总 高度为 39. 65m、 建筑面积为 4 133m2的住宅， 采用装 配整体式钢筋混凝土框架-剪力墙结构， 结构标准层 平面布置见图 1。柱、 外墙板、 女儿墙、 空调板采用 图 1标准层结构平面布置图 预制， 1 层梁、 板及地下室、 0. 000 以上剪力墙( 包 括连梁、 剪力墙上框架梁与暗梁) 、 楼梯、 屋面板及 图 1 中注明的部分梁板采用现浇， 其余均为叠合构 件， 标准层预制率超过 70% 。图 1 中未注明主梁截 面为 300 500， 未注明次梁截面为 200 400， 叠合 楼板预制部分厚 75mm， 现浇部分厚 65 85mm， 框 架柱及端柱截面均为 600 600， 未注明剪力墙均为 200mm。地下 1 层 地上 4 层剪力墙及柱混凝土强 度等级为 C35， 4 层以上为 C30， 梁、 板混凝土强度等 级均为 C30。框架柱连接套筒采用球墨铸铁制作， 第 43 卷 第 2 期郑振鹏， 等 预制装配整体式混凝土框架-剪力墙结构设计 套筒内水泥基灌浆料采用无收缩砂浆， 28d 龄期立 方体抗压强度标准值不小于 85MPa。 工程抗震设防类别为丙类， 抗震设防烈度为 7 度， 设计基本地震加速度为 0. 10g， 设计地震分组为 第一组， 建筑场地类别为上海类， 特征周期 Tg= 0. 90s， 主体结构的设计使用年限为 50 年， 设计基准 期按 50 年采用。结构、 地基基础安全等级均为二 级， 框架、 剪力墙抗震等级分别为三级、 二级。本工 程按等同现浇设计， 按现浇结构进行整体计算， 但必 须采取针对性的补充计算以及相适应的抗震措施来 保证结构具有良好的整体性， 并保证预制构件及其 连接部位的承载力与变形满足要求。 2结构设计 2. 1 结构体系选择 目前， 高层住宅建筑绝大部分采用的是现浇剪 力墙结构体系， 其特点是住宅平面形状布置较为灵 活， 可根据采光通风的需求形成凹凸的平面布置， 达 到室内空间规整、 无外露梁柱的效果， 适合当前大多 以毛坯交房的消费习惯。但从住宅产业化角度来 看， 这种结构体系由于构件数量多， 不利于工业化生 产， 特别是国家的预制结构体系相关标准还未发行。 若剪力墙采用全预制形式， 由于水平及竖向接缝过 多、 过长， 结构的整体性难以得到保证， 相应的整体 计算方法也有待于进一步研究， 且当前国内相关的 研究及试验较少， 特别是此类结构还未经受过大震 的检验。相对于剪力墙结构， 框架-剪力墙结构具有 如下优点: 梁、 柱等预制构件为线性构件， 可以控制 自重， 有利于现场吊装， 节点连接区域采用现浇， 能 够保证结构的整体性， 比较适合装配式结构。室内 可采用轻质隔断， 形成灵活多变的布局形式， 对住宅 内部进行精装修处理， 可有效避免外露梁、 柱造成的 影响。基于对上述因素及业主要求的综合考虑， 决 定选用框架-剪力墙结构体系。 2. 2 结构分析计算 本工程按等同现浇设计， 整体计算采用和现浇 结构相同的方法， 考虑到预制结构与现浇结构存在 差异， 为了保证预制结构的整体性、 安全性及计算模 型与预制结构实际受力情况相符， 在整体计算时采 取了以下措施: ( 1) 次梁采用牛担板企口梁的方式与主梁连 接， 由于主次梁节点的接触面小、 传递弯矩能力有 限， 因此在计算模型中设定为铰接。 ( 2) 预制外挂墙板与结构上下均采用铰接形 式， 墙板自重由上部连接悬挂承重， 外墙板底部在墙 平面内可水平滑动， 因此， 整体计算时不考虑外墙板 对其支撑梁的刚度贡献。预制外挂墙板的大样见图 2， 图中 la为接缝钢筋的锚固长度。 图 2预制外挂墙板大样图 ( 3) 考虑到住宅建筑非承重墙体较多、 外挂墙 板较重， 本工程周期折减系数取 0. 7， 即在较合理的 取值范围内适当地放大地震作用， 以保证结构的抗 震性能。 ( 4) 根据高层建筑混凝土结构技术规程 ( JGJ 32010) 1， 装配整体式框架结构梁端负弯矩调幅 系数可取 0. 7 0. 8。本工程叠合梁板施工时均采 取临时支撑， 节点区混凝土强度等级提高一级， 负弯 矩调幅系数取 0. 8， 以防止梁端负弯矩取值偏低。 本工程属于采用新技术的高层建筑， 根据相关 规定进行了抗震设防专项审查， 结构计算分析采用 PKPM 系列软件中的 SATWE 和 PMSAP 软件， 主要 计算结果见表 1， 22。 由表 1， 2 可知结构各计算指标均满足规范要 求， 每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不小于 振型分解反应谱法求得的底部剪力的 65% ， 且 3 条 时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值不小于 振型分解反应谱法求得的底部剪力的 80% ， 满足规 范要求; 3 条时程曲线计算得到的层间位移角均满 扭转耦联振型分解反应谱法( CQC) 计算结果表 1 计算指标 计算结果 SATWEPMSAP 规范 控制值 T11. 0371. 039 周期 /sT2 1. 0011. 030 T30. 8920. 915 周期比 Tt/T1 0. 860. 880. 9 剪重比 /% 有效质量系数 /% 地震作用层间位移角 最大层间位移比 底层框架承担的 倾覆力矩比例 /% X 向 5. 875. 688 Y 向 5. 945. 891 X 向 99. 591. 5 Y 向 99. 592. 9 X 向1 /1 077 1 /1 052 Y 向1 /1 054 1 /1 099 X 向 1. 171. 18 Y 向 1. 181. 19 X 向 21. 0722. 5 Y 向 11. 8211. 7 1. 6 90 1 /800 1. 5 50 92 建筑结构2013 年 弹性时程分析计算结果表 2 软 件 时程 曲线 X 向地震作用 Y 向地震作用 嵌固端 剪力 /kN 与 CQC 比值 /% 最大层间 位移角 嵌固端 剪力 /kN 与 CQC 比值 /% 最大层间 位移角 CQC4 2381001 /1 0774 2841001 /1 054 RH2TG0904 23399. 91 /1 2963 86690. 21 /1 285 SATWE TH1TG0903 93792. 91 /1 2263 85590. 01 /1 204 TH3TG0904 06195. 81 /1 2403 99093. 11 /1 105 平均4 07796. 21 /1 2533 90491. 11 /1 186 CQC4 0721001 /1 0524 2211001 /1 099 RH2TG0903 67190. 11 /1 2503 74388. 71 /1 231 PMSAPTH1TG0903 77092. 61 /1 1423 80290. 11 /1 171 TH3TG0903 81993. 81 /1 0483 93693. 21 /1 026 平均3 75392. 21 /1 1413 82790. 71 /1 136 足规范要求。 2. 3 抗震措施 为确保本工程结构的抗震性能， 结构设计时采 取了以下抗震措施: ( 1) 在结构整体布置上尽量做到符合抗震设计 要求， 遵循“强柱弱梁、 强剪弱弯、 强连接弱构件、 节 点更强” 的理念。设计时， 使建筑平面规则、 对称， 竖向抗侧力构件均匀、 连续。 ( 2) 采用桩筏基础， 控制基础沉降量， 特别是不 均匀沉降。结构嵌固部位为地下室顶板， 板厚度 180mm， 双层双向配筋， 并适当提高配筋率， 同时地下 室结构的楼层侧向刚度( 剪切刚度) 与结构地上 1 层 的楼层侧向刚度( 剪切刚度) 比满足规范相关要求。 ( 3) 控制框架柱和剪力墙的轴压比， 按双重抗 侧力结构进行设计， 使柱在规定水平力作用下承受 的倾覆力矩满足规范要求。柱箍筋采用多螺箍筋， 增强对混凝土的约束作用， 提高柱子延性。 ( 4) 在叠合梁、 板的现浇部分与预制部分的结 合处， 将预制构件的表面做成粗糙面， 并进行抗剪承 载力验算。叠合楼板采用桁架钢筋来增强楼板的整 体性， 同时便于施工吊装。 3关键构件、 节点及连接设计 3. 1 多螺箍筋柱的设计 预制构件不仅要满足承载力及变形的要求， 同 时也要便于运输及吊装。由于梁柱在节点区均留出 大量的锚固及连接钢筋， 如何保障这些端头钢筋固 定在其合适的受力区域， 同时安装过程中又不发生 碰撞， 除了在构件详图精确定位外， 尚应采取不同于 现浇构件的新型配筋形式。 本工程预制钢筋混凝土柱采用了多螺箍筋柱 ( 图 3) ， 柱纵筋集中配置在四角， 在柱非节点区采用 多螺箍筋， 多螺箍筋由 1 个大圆螺旋箍筋和 4 个小 圆螺旋箍筋组成， 大圆螺旋箍筋设置在截面中央， 4 个小圆螺旋箍筋设置在四角， 小圆螺旋箍筋与大圆 螺旋箍筋的交汇面积不宜小于小圆螺旋筋面积的 30% 。在节点区， 由于预制柱间连接的套筒尺寸较 大， 如采用多螺箍筋， 其保护层厚度难以满足规范要 求， 因此， 在节点区改用一笔箍的箍筋形式。该形式 箍筋可以减少核心区箍筋用量， 方便现场施工， 并可 达到与整体现浇节点相近的开裂程度， 减小核心区 的剪切变形 3。多螺箍筋柱偏心受压、 受拉及构造 措施均按润泰预制装配整体式混凝土房屋结构体 系技术规程 ( DBJ/CT 0822010) 4执行。 图 3多螺箍筋柱 根据预制混凝土结构梁柱节点抗震性能实验 研究报告 3可知: “润泰预制混凝土结构和现浇混 凝土结构的主要抗震性能指标基本接近， 润泰预制 混凝土节点的承载力和延性略好于传统配筋的现浇 混凝土节点， 预制柱采用套筒续接器配合高强度无 收缩砂浆进行连接可保证节点区域的抗震性能。 ” 3. 2 梁- 柱节点设计 3. 2. 1 梁-柱节点核心区抗剪设计 本工程框架梁、 柱节点采用整浇形式， 要求节点 的承载力和延性不低于现浇结构的节点， 且承载力 不低于相邻的梁端和柱端承载力。为了有效控制预 制结构的成本， 框架梁纵横两向采用等高截面以减 少模板的类型。 叠合梁纵向钢筋均在节点区锚固( 直线锚固不 够时需 90弯折) ， 当两个方向均有梁时， 为了避免 节点纵横框架梁底钢筋碰撞及考虑施工误差预留的 间距， 一个方向的截面有效高度将小于现浇节点 ( 图 4) ， 因此需重新复核节点核心区受剪承载力。 图 4梁-柱节点 根据装配整体式混凝土住宅体系设计规程 ( DG/TJ 08- 20712010) 5的规定， 节点核心区组 合剪力设计值应符合下式要求: 03 第 43 卷 第 2 期郑振鹏， 等 预制装配整体式混凝土框架-剪力墙结构设计 Vj 1 RE 0 3jfcbjh () j ( 1) 式中:j为正交梁的约束影响系数， 取 1. 0， 即不考 虑正交梁对节点核心区的有利影响;fc为混凝土轴 心抗压强度设计值;bj为节点核心区的截面有效验 算宽度; hj为节点核心区的截面高度; RE为承载力 抗震调整系数， 可采用 0. 85。 节点核心区截面的抗震受剪承载力应符合下式 要求: Vj 1 RE 1 1jftbjhj+ 0 05jN bj bc + fyvAsvj hb0 as () s ( 2) 式中: N 为对应于组合剪力设计值的上柱组合轴向 压力较小值， 其取值不应大于柱的截面面积和混凝 土轴心抗压强度设计值乘积的 50% ， 当 N 为拉力 时， 取 N = 0; fyv为箍筋的抗拉强度设计值; ft为混凝 土轴心抗拉强度设计值; bc为验算方向的柱截面高 度; Asvj为核心区有效验算宽度范围内同一截面验算 方向箍筋的总截面面积; hb0为梁截面的有效高度; as为梁受压钢筋合力点到受压边缘的距离; s 为箍 筋间距。 由式( 1) ， ( 2) 可以看出， 由于 j， hb0取值的降 低与 as取值的增大， 节点核心区组合剪力设计值与 截面抗震受剪承载力相对于现浇结构节点均有所降 低， 因此需提高节点区混凝土强度等级和将受剪力 较大方向的框架梁纵筋放置于外侧。 3. 2. 2 梁-柱竖向结合面抗剪设计 考虑多遇地震作用基本组合时， 竖向结合面抗 剪承载力应符合下式要求: VS VR / RE ( 3) 式中: VS为考虑地震作用效应组合的竖向结合面剪 力设计值; VR为竖向结合面抗剪承载力设计值; RE 依据钢筋混凝土装配整体式框架节点与连接设计 规程 ( CECS 43: 92) 6表 2. 2. 2， 偏安全取为 1. 0， 即抗剪承载力设计值不予提高。 竖向结合面剪力设计值按下式计算: VS= vb( Mlb+ Mrb) /ln+ VGb( 4) 式中: vb为梁端剪力增大系数， 一级框架取 1. 3， 二 级取 1. 2， 三级取 1. 1; Mlb， Mrb分别为梁左、 右端截面 反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值， 一级框架 梁端弯矩均为负弯矩时， 绝对值较小的弯矩应取零; ln为梁的净跨; VGb为梁在重力荷载代表值( 9 度抗 震设防时高层建筑还应包括竖向地震作用标准值) 作用下， 按简支梁分析的梁端截面剪力设计值。 竖向结合面抗剪承载力设计值计算方法参照深 圳市技术规范预制装配整体式钢筋混凝土结构技 术规范 ( SJG 182009) 7， 需综合考虑接触面受 压抗剪承载力、 梁端剪力键抗剪承载力、 叠合层混凝 土抗剪承载力以及梁端纵筋销栓抗剪承载力。本工 程计算基本为钢筋销栓抗剪承载力起控制作用， 需 在靠近结合面的 1 /2 梁高范围内按计算增设箍筋。 3. 3 预制柱与现浇剪力墙的连接设计 本工程剪力墙均为现浇， 柱为预制， 为了满足等 同现浇的设计要求， 须采取必要的措施加强现浇剪 力墙与预制柱的连接。首先， 与预制柱连接的现浇 剪力墙均设有现浇的顶框梁或暗梁， 并通过预制柱 的现浇节点区连为整体; 其次， 在预制柱内预留与剪 力墙中水平分布筋的直径、 间距均相同的 U 形钢 筋， 将其与现浇剪力墙水平分布筋焊接， 在剪力墙与 预制柱连接的端部采用封闭箍筋， 并适当提高体积 配箍率; 最后， 对预制柱与剪力墙接触面进行凹凸不 小于 6mm 的粗糙处理， 且沿竖向每隔 200mm 设置 一组剪力键。约束边缘柱及构造边缘柱与现浇剪力 墙的连接构造见图 5， 图中 d 为焊接钢筋的直径。 图 5预制柱与现浇剪力墙连接构造 3. 4 主、 次梁及次梁与现浇剪力墙连接设计 由于主次梁均为叠合构件， 次梁与主梁连接时， 次梁纵筋难以满足锚固要求， 因此， 本工程中主次梁 连接设计为铰接， 次梁通过牛担板企口梁的方式与 主梁连接， 如图 6 所示。这种连接形式是采用整片 钢板为主要连接件， 通过栓钉与混凝土的握裹来传 递内力。 次梁与现浇剪力墙之间连接同样按铰接处理， 与主次梁之间采用牛担板连接方式不同， 次梁与现 浇剪力墙连接采用次梁端部预留钢筋， 构造详图如 图 7 所示， 图中 lab为受拉钢筋的基本锚固长度， d 为 锚固钢筋的直径。 3. 5 叠合楼板连接设计 叠合楼板由预制部分与现浇部分组成， 均采用 单层双向配筋。为了满足叠合面的抗剪要求， 预制 13 建筑结构2013 年 图 6主次梁连接构造 图 7次梁与现浇剪力墙连接构造 板上表面做成凹凸不小于 4mm 的人工粗糙面， 且按 计算在预制板中设置抗剪桁架筋， 如图 8 所示。为 了施工方便， 预制板中钢筋均不伸出端部， 连接部位 采用附加接缝钢筋加强连接， 如图 9 所示， 图中 la为 接缝钢筋的锚固长度， d 为接缝钢筋的直径。 图 8叠合楼板剖面示意图 图 9叠合楼板连接构造 4结语 住宅产业化在我国正处于起步阶段， 面临设计 建造经验欠缺与配套标准不健全等问题。本文借鉴 现浇框架-剪力墙结构的设计经验， 对一栋预制装配 整体式框架-剪力墙结构的设计进行了探讨， 通过分 析预制结构的实际受力状态， 提出了预制结构在计 算时需要采取的技术措施， 并对关键构件及节点的 计算及构造进行了介绍。采用本文的方法进行预制 装配式框架-剪力墙结构的设计， 能够保证结构安全 可靠。 参考文献 1JGJ 32010 高层建筑混凝土结构技术规程S 北 京: 中国建筑工业出版社， 2011 2大型居住社区浦江镇基地四期 A 块、 五期经济适用房 项目 05- 02 地块超限高层建筑工程抗震设防专项审查 报告R 上海: 上海市城市建设设计研究总院， 2011 3 预 制 混 凝 土 结 构 梁 柱节点抗震性能实 验 研 究 报 告 R 上海: 同济大学土木工程防灾国家重点实验室， 2008 4DBJ/CT 0822010 润泰预制装配整体式混凝土房屋 结构体系技术规程S 上海: 上海市建筑建材业市场 管理总站， 2010 5DG/TJ 08- 20712010 装配整体式混凝土住宅体系设 计规程S 上海: 上海市建筑建材业市场管理总站， 2010 6CECS 43: 92 钢筋混凝土装配整体式框架节点与连接 设计规程S 北京: 中国建筑工业出版社， 1994 7SJG 182009 预制装配整体式钢筋混凝土结构技术规 范S 深圳: 深圳市住房和建设局， 2009 ( 上接第 35 页) 为 17mm， 实测值为 14mm; 跨中最大挠度计算值为 133mm， 实测值为 153mm; 箱梁灌浆并安装完檩条 后的结构变形如图 8( c) 所示， 屋盖结构基本恢复到 设计原始平衡状态。理论计算值与施工现场实测数 据吻合良好， 证实了施工方案的可靠性。 7结语 本工程为较大规模大跨度张弦梁结构屋盖体 系， 一次性采用 27 榀单坡 81m 大跨度和 9 榀双坡 45m 跨度张弦梁结构， 上弦钢箱梁整体灌浆用以平 衡沿海地区巨大风吸力， 确保拉索不退出工作， 灌浆 总量超过 1 800m3。设计中通过试验及数值分析， 深入优化构件选型及截面构造， 确保实现建筑构想、 结构安全并减小工程投资。 参考文献 1厦门国际会展中心二期结构专项审查告R 北京: 中 国中元国际工程公司， 2009 2薛伟辰， 刘晟， 苏旭霖， 等 上海源深体育馆预应力张弦 梁优化设计与试验研究J 建筑结构学报， 2008， 29 ( 1) : 16- 23 3田炜， 崔家春， 李承铭， 等 张弦梁关键问题研究J 建 筑结构， 2009， 39( S1) : 73- 78 23