预制混凝土装配式壳体结构分析与设计.pdf

2 0 0 7 年 1 2月 第 4卷 第 4期 深圳土木与建筑 预制混凝土装配式壳体结构分析与设计 刘俊 I 陈文秀 ( 1香港华艺设计顾 问 深圳 有 限公 司 白义兵I 任志彬 z 2 哈尔滨工业大学深圳研究生 院) 【 提要】 本文以绵阳科教创业园产业孵化中心为背景，针对其壳体外形，探讨了格构式预制混凝土装 配柱、预制混凝土装配梁及装配节点的分析和设计方法。考虑到结构由五层主体办公 区域和巨大的外 包壳体组成，采用有限元分析软件 S A P 2 0 0 0 对其进行整体建模和分析。结构方案取得 了良好的经济效 益，可为同类设计提供参考。 【 关键 词 】 格构 式预制 混凝 土装 配柱装 配节点转换 梁 1工程概况 绵 阳科技 城科 教创 业 园产 业孵 化 中心 ( 简称 刘俊，男， 香港 华艺设计 顾 问 ( 深圳 )有限公 司， 结构 总工程师 地址 ： 深圳市 中航苑航都大厦 1 4楼 邮编 ： 5 1 8 0 3 1 “ 孵化 中心 ” )位于绵阳市科教创业 园内，2 0 0 2年 3月完成施工图设计，2 0 0 4年 5月竣工 ，主要 由主 体办公区和 巨大的外包主体办公区的壳体结构组成 ( 图一) ，建筑用地面积 2 8 6 4 5 I I 1 2 ，总建筑面积 2 2 5 4 1 I I 1 2 。主体办公区域 为五层 的现浇钢筋混凝土框架结 ( 转 下 页 ) ( 接 上 页 ) 对于能够 形成联肢墙 的墙肢，即便其单肢高厚 比在 5 8之间，但 由于其在地震作用下的破坏仍然 是连梁先出现塑性铰，通过连梁 的塑性变形 实现整 个抗侧力体系 的耗能 ，这与一般联肢墙的破坏模式 无异 。因此 ，从工程设计 的角度 出发 ，本文建议 ： 对 于此类 联肢 墙 ，应该与独 立工 作没 有形成 联肢 墙 ，而其 单肢高厚 比在 58之 间的短肢墙 区别对 待 。后者应该按照 “ 高规”7 1 2的条款那 样，在 构造上执行高一抗震等级 的构造措施，其相 应轴压 比、配筋率等的限制也应更加严格 ；而前者 可以按 照普通剪力墙 的规定来进行设计 。本文也建议，对 “ 高规 ”7 1 2中第 2款 ，关于存在较多短肢剪力 墙 的结构，简体和一般剪力墙承受的第一振型底部 地震倾 覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的 5 0 的规定中，将形成 了联肢墙 的短肢剪力墙所承担 的倾覆力矩也计入到一般剪力墙 范畴 。 4 结语 通过 上述分析可得结论如下 ： ( 1 ) 判别系数 主要 由墙肢的墙弱决定 ，但是 翼缘宽度对其也有 一定程度 的影响。在翼缘 宽度 固 定时，用 比较墙肢 的墙弱更加 合理 。 ( 2 )有限 元分析 表明 ， 0 c l O 时 墙 肢弯矩反 弯 点个数随 的减小基本不变，因此不能像0 c l O 时 通过反弯点个数 的变化来确定联肢短肢剪力墙的判别 系数 限值 。 ( 3 )顶点侧移的大小及其变化梯度综合反映了O C 和 ( = = 对 结 构 的 影 响 ， 因 此 通 过 结 构 顶 点 侧 移随 ( = = 的 变 化情况 ，可 将顶 点侧 移变化加 剧时 的 定义为 ，作 为确定短肢剪力墙判别系数 限值的依据 ， 由此确定的短肢剪力墙最小肢高厚比基本都在 5 8 之 问 ，与 “高规 ”关 于短肢 剪 力墙 的规 定基 本一 致。 ( 4 )能够形成联肢墙的短肢墙 的受力性能及抗震 性能与一般剪力墙相似 ，在工程设计 中，建议按照 一 般剪 力墙 的要求设计 。 参考文献 1 中华人 民共和 和 国国家标准 高层 建筑混 凝土 结构技术 规程 J G J 3 2 0 0 2 I s 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ，2 0 0 2 2 程文滚 ，金 向前， 吴志彬 短肢 剪力墙的设计与研 究 J j 建筑结 构 ，2 0 0 1 ， 3 1 ( 7 ) 3 中国建筑科学研究院建筑结构研究所 高层建筑结构设计 北京 ：科 学 出版社， 1 9 8 2 4 包世华， 方鄂华 高层建筑结构设计 清华大学出版社， 1 9 8 5 5 黄东升，程文滚，彭飞 短肢剪力墙的设计与研 究 C Z) J 建筑结 构，2 0 0 2 ，3 2( 8 ) 6 傅玉良 中、小高层短肢剪力墙的受力性能和试验研究 D 硕士 学位论 文 南京 ：东南大学 土木工程学 院，2 0 0 5年 3月 7 5 维普资讯 http:/ 2 0 0 7年 1 2月 第 4卷 第 4期 深圳土木与建筑 V 0 L 4 N o 4 D E C 2 0 0 7 构 ( 包括屋顶构架层 ) ，屋面高度为 2 1 3 0 m，以 大跨度钢梁天桥连接三大功能分 区，钢梁最大跨度 为 1 8 m。外包壳体采用装配式预制混凝土结构，由 1 8根变截面曲线现浇柱，5 6根预制混凝土装配柱和 8 5 7根 曲线环梁组成 。 本工程场地抗震设防烈度 6 度，建筑场地类别为 I I 类，框架抗震等级为四级；基本风压 0 3 5 k N m z 。 基础选用人工挖孔桩基础，桩身直径 8 0 0 一 1 2 0 0 ， 平均桩长 1 0 0 m 。 图 1孵化中心实景图及结构俯视图 2预制混凝土装配结构体系 预制混凝土装配式结构体系早在 1 8 9 1 年西欧的 工程中已有应用 。战后的几十年 间，这种结构体 系在西欧、北美和 日本等发达国家和地区取得 了长足 的发展 。我国混凝土结构应用广泛，但工业与民用建 筑多采用现浇体系 ，特别是在地震区，预制混凝土装 配式结构体系应用较少。己采用混凝土装配式结构的 工程中，较多的是预制叠合梁框架结构体系。 对于体型复杂的结构，采用预制装配式结构体 7 6 系 ，不但 能避免现浇方案带来的施工不便 ，保证施 工质量，还能充分发挥混凝土结构造价低 ，经济性 好 的优点。但是 ，在 1 9 8 8年前苏联阿美尼亚地震 中，采 用这 种结构 的工程遭 受 了极为严 重 的破坏 E 7 ，使工程师对这种结构在地震区的应用产生 了怀 疑 。而在 W h i t t i e r地震期间，由R o c k w i n C o r p o - r a t i o n设计建造的公司大楼 ( 装配式框架) ，经受 了 6 1 0倍于规范计算的地震作用，却无 明显结构破坏 发生 。 日本对地震 区预制混凝土结构性能的调查 显示 ，只要预制构件的连接部位 能够保持结构 的整 体性 ，则预制混凝土结构有较好的抗震性能 引。可 见 ，经过合理设计的预制装配式混凝土结构抗震性 能是可 靠 的 。 3 结构 的整体分析 本工程采用美 国C S I 公司开发的S A P 2 0 0 0 程序对 结构进行整体分析 。分析中，主体部分框架采用三 维空间线单元模拟 ，楼板及剪力墙全部采用空间壳 单元 ( S H E L L)模拟。外包壳体 曲线梁柱采用变截 面线单元分段模拟 ，格构柱按照实际形状 由梁柱单 元组合而成 。考虑 到结构受力 的复杂性 ，将外包壳 体与内部主体统一进行空间建模 。由于本结构形状 不规则，在 S A P 2 0 0 0中进行空间定位比较复杂 。本文 采用首先在 A U T O C A D中建立空间模型 ，然后导入到 S A P 2 0 0 0中的方法，较好的解决了这一问题。 表 1列 出了不 同楼板假定情况下结构的周期对 比。可 以看出，采用全楼层刚性楼板假定时，第三周 期以后误差较大；而采用分块刚性楼板假定则和弹性 楼板分析结果较为接近。由于三大功能分区之间仅有 钢梁天桥 ，连接较弱；从第四振型来看 ，己表现出各 分区之间的相对振动 。若采用全楼层刚性楼板假定， 则不能考虑到这种振动情况；若采用弹性楼板假定则 耗时多，且不易施加风荷载 。根据分析结果 ，楼层分 块无 限刚性楼板假定能满足计算精度要求， 而且节省 机时，便于施加风荷载 。综合考虑，本工程分析采用 楼层分块无限刚性楼板假定。 图2 S A P 2 0 0 0计算模型图 维普资讯 http:/ 2 0 0 7年 1 2月 第 4卷 第 4 期 深圳土木与建筑 V 0 L 4 N o 4 D E C 2 0 0 7 不 同楼板假 定结构 周期对 比 表 1 全楼层川性楼板 楼层分块 刚性楼 板 弹 性楼 板 Tl 1 1 6 1 1 7 1 1 7 T2 1 1 2 1 1 2 1 1 3 T3 1 0 5 1 0 6 1 07 T4 0 4 5 079 0 84 T5 0 4 2 0 6 4 0 71 T6 0 41 0 5 2 0 57 层 间位移 表 2 I J x向地震J Y向地震 l X向风 I Y向风 层问化移 ( mm) l 4 3 7 3 1 8 l 0 3 0 1 0 1 7 层问位移角 l 1 1 2 1 2 l 1 1 3 1 8 I 1 1 7 6 0 5 l 1 6 0 9 9 基底剪力及剪重比 表 3 X 向地震 Y 向地震 x 向风 Y向风 恭底剪力( KN) 7 9 0 2 8 8 4 2 6 8 3 3 6 7 结构总重颦( K N) 4 3 2 2 5 6 4 3 2 2 5 6 4 3 2 2 5 6 4 3 2 2 5 6 剪重比 1 8 3 2 0 l 0 1 6 0 0 9 本文采用振型分解反应 谱法对结构整体进 行分 析，其最大层 问位移角如表 2所 示，基底剪力及剪 重比如表 3所示 。从分析 结果可 以看 出，x向地震 力作用下最大层间位移角为 1 1 2 2 1 ，Y向地震力作 用下基底剪力为 8 8 4 2 K N ，剪重比为 2 0 1 。侧 向力 中地震 起控制作用 ，位 移满足规范要求 。 4 外包壳体 总体 及 曲线 梁柱 的分析 与设 计 4 1壳体结构总体设计 壳体 的建筑 创意来源 于 “ 孵化 ” ，外 形似 蛋。 壳体结构由 7 4根支柱和 8 5 7 根 曲环梁构成。在 0 O 0标高处，柱子 由9段圆弧定位 ；各相邻两 圆弧起 止处的半径方 向相 同，长度变化 ，光滑连接 。等分 各段圆弧，使立柱间距 4 5 0 0 1 0 m m 。弧形立柱 由 两段半径分别为 3 5 5 0 0 m m和 3 8 5 0 0 m m的圆弧在平面内 错动相交而成 。各立柱 向心布置 ，按柱外 皮在不 同 标高点 自然形成与定位线相似的弧线 。 由于支柱和梁均呈 曲线外形 ，整个外壳现场浇 筑难 以达到建筑 效果，且支模 困难 ；为加快施工速 度 ，保证 施工质 量 ，考 虑采用 预 制装配 式结 构方 案。 实腹式预制柱虽能实现尺寸整齐光滑 ，但重量 太大， 吊装 困难。经方案调整综合 比较后采用空腹 杆格构柱方案，分为两段生产 吊装。四个大 门出口 处各有 2 4根曲线立柱不能落地 ，承托在 曲线转换梁 上，受力状态不 理想 。为加强结构整体性 ，各 门洞 两侧立柱及转换梁需进行现 场浇 筑 。除转 换梁外 ， 其他弧形梁均先行预制后 吊装 。 本工程沿用现浇体系 的抗 震设计概念 ，对节 点 进行加强设计 ；外包预制壳体结构与主体现浇结构 在标高 2 1 3 0处沿壳体边缘设一周的环形梁板连接， 以增 强结构的整体性 。 4 2立柱 的有限元模拟及设计 对于格构柱 ，分析中采用三维空间梁单元按照 实际形状 分段模拟 ；对于现浇柱 ，将 曲线划分成 为 若干段直线，采用 S A P 2 0 0 0中的变截面梁单元进行 模拟。对 于格构柱上部变化为实腹式 的部分，采用 变截面梁单元进行模拟 ；为 了保证上部实腹部分和 格构交接处传力准确，将实腹部分 的节点建在格构 部分顶端短横梁 的中点，并适当增大 了短横梁的刚 度。有 限元分析 的结果显示，格构柱两肢 以承受轴 力为主 。设计 中依据单工况下的计算结果， 内力组 合后进行截 面设 计 。 现浇柱 预制柱A段 顶制 柱B段 图 3 现浇柱 及格构 式装酉 柱 如 图 3 所示，格构式预制柱分为 A 、B两段生产 吊装。 下部为A 段， 截面尺寸较大， 设计成空腹格构柱 ， 与基础相连 ；向上随着截面尺寸逐渐变小 ，上部 B段 设计成实腹式柱 ，与 A段通过节点相连。A段在柱侧 面预埋拉结筋， 每边 向外露出1 0 0 m m ， 以固定钢丝在水 泥抹面封闭成实体外形；施工时将拉结筋先行弯曲在 模板内，用时搬起 。底部空间较大，施工方便，在空 腔 内实砌 1 2 0厚红砖后水泥砂浆抹面，构成整体 。 与实腹式方案相 比， 格构柱方案大大减轻了结构 自重；单根实腹柱 自重高达 3 3 5 t ，单根格构柱 自重 为 1 9 5 t ，仅为实腹柱 的 5 8 2 ，便于 吊装的同时也 节省了材料 。 4 3 曲梁的有限元模拟及设计 柱问弧形梁 的曲率较大，可用直线梁单元近似 模拟 。门洞处的转换梁 为梁托柱式转换 。外包 壳体 结构为空间受力状态 ，分析 中考虑结构整体协 同工 作。转换梁最大跨度为 2 2 5 m ，梁 高取 1 9 0 m ，梁 宽 1 2 8 m ，高跨 比约为 1 1 1 ，小于 1 5 ，属于浅梁 范 围，可按普 通梁进 行分析 和设 计 。 值得注意的是 ，转换梁上方 的立柱不垂直 ，向 面外倾斜 ，与转换梁在竖直方 向成一定的角度 。有 限元分析的结果表 明，斜柱底部的弯矩使得转换梁 7 7 维普资讯 http:/ 2 0 0 7 年 1 2月 第 4卷 第 4 期 深圳土木与建筑 V O L 4 N o 4 D E C 2 0 0 7 承受了很大的扭矩 。转换梁在恒载， 活载和 x向地震 作用组合下扭矩最大处达到 5 0 5 K N M ，跨 中面 内最 大弯矩达到 3 8 0 5 K N M ，支座处面外最大弯矩达到 l 0 l 6 K N M，应重视按双 向受弯及受剪 、受扭进 行 设 计 。 5预制装配节点设计 文献 3 的实验研究表 明，预制混凝土结构后浇 整体式框架与现浇混凝土框架结构具有相同或相近的 抗震 能力 。本工程 中外包壳体大部分构件 ( 包括各 格构式立柱 ，柱 间曲梁 )均为预制 ，节点设计至关 重要。为保证结构抗震性能，预制混凝土节点设计 采用后浇整体式方案 。 5 1预制柱与基础连接节点的设计 预制柱基础采用桩基，承台上相应位置预 留两 个深 9 0 0的杯 口，以嵌入预制格构柱两柱肢 ，形成 牢固的嵌固端。杯 口底部预留 1 0 0 ra m 厚的二次灌浆层 用来调整施工误差 。预制柱就位时 ，经过经纬仪校 准后 ，用 混凝土楔形块临时固定，现浇 C 4 0细实混 凝土 。如 图四所示 ，吊装前逐个实测找平 ，保证标 高 正 确 。 图4预制柱与基础连接节点 5 2预制柱 A段与 B段连接节点的设计 根据 有 限元分 析 的内力结果 ，对节 点进 行设 计。如图五、六所示，在A段两肢顶端各预埋 1 8 0 m m H 型钢 ，型钢顶端焊接 2 0 m m厚钢 板；B段下端预 留 l 8 0 m m做为节点后浇区 ，钢筋 同时外伸 。将钢筋双 面焊接在等长度 的槽钢上 ， 以保证竖 向传力可靠 。 槽钢底端与 A段顶端钢板 以 1 5 m m贴角焊缝进行围焊。 吊装 定位 焊接完成后 ，在后 浇区支模 灌入混凝土 ， 使 A段与 B段连接成为整体 。 7 8 图 5预制柱 A段节点预埋件 5 3转换梁与上托柱子连接节点的设计 上托柱分为 A段和 B段分别预制，A段格构柱通 过节点与转换梁相连接 。如图 7、 8、9所 示 ，在 转换梁与 A段柱接触面预埋 2 0 m m厚钢板 ，每块钢板 通过六块长 1 0 0 0 m m的锚板锚入转换梁 中。为防止锚 板受拉拔 出，在锚板下端各焊接一块宽 8 0 m m的下锚 图 6预制柱 A 段 B段连接节点 图7转换梁上柱A段下端节点预埋件 图8转换梁顶部预埋件 MM l 龟 Q 一 图 1 0合理起吊点计算简图 维普资讯 http:/ 2 0 0 7 年 1 2 月 第4 卷 第4 期 深圳土木与建筑 板。格构柱 A段底部柱钢筋与长 1 8 0 m m的 H型钢 以双 面角焊缝焊接。H型钢底端焊接 2 O m m厚预埋钢板 ， 此钢板尺寸略小于转换梁顶部预埋钢 板。 吊装就位 后 ，将两块钢板 四边贴角焊缝进行围焊 ，使立柱 与 转换梁连接成 为整体 。 6 脱模起 吊点的选择和设计 虽然采用格构式装配柱大大减轻 了立柱的 自重， 但每根格构柱 A段 自重仍然达到 l 5 6 t 。格构柱 A段 重量最大 ，从平地脱模立起时产 生很大弯矩 ，为保 证施工 中的安全 ，需要对起 吊点进行选择和 设计 。 设格构柱 吊起端距 吊起 点长度为 a ，柱总长度为 L ， 承受均布 向下的 自重荷载q ( 实际设计时应乘以1 3 的 荷载分项系数) ；柱子另一端支承在平地上 ，如图 9 所示 可得 到 ： = q ( L a ) q a 8 4 M b=譬 合理 吊装点应该使得 M = M ，整 理可求得方程 式 ： 5 口 +2 a LL2：0 ( 2) 解方程可得 ：a = O 2 9 0 L 。 施工中需要特别注意的是格构柱A 段起 吊环只供 脱模起身之用 ，脱模时必须保持一端 吊起 ，两端不 可同时凌空的状态 。立柱脱模立起之后 ，再在有关 横格梁节点另外设计的起 吊点处正式悬空起 吊，其 他梁柱可直接悬空起 吊吊装 。 7外包壳体与主体结构的连接 外包壳体为空间结构，且 由四个 门洞将其分为 四个区域。设计 中若使其与主体结构分离，从振型 上看 ，各 区域柱分块振动 。为加强结构 的整 体性 ， 在标高 2 1 3 0 m处设计一道环形梁板，连接在主体结 构 顶层 的构架上 ，协 调外 包壳体 与主 体结 构 的变 形 。配合建筑设计 ，需要在梁格 问的板上开大 小为 a - l 2 0 0 m m ， b = 6 5 0 m m的椭圆形洞 口，开洞率达 4 0 ， 故洞 口用环形焊接预制 网片和钢 筋加 强。有 限元分 析中为简化 计算 ，未直接将其 反应 在计算模 型中， 而将板周围的梁刚度适当放大，以考虑板对刚度的 贡献 。无柱 区的环形梁板 由主体结 构钢 挑梁支撑 ， 钢挑梁和 内环梁之问 由埋件焊接 。 外包壳体与主体结构无连接 的情况下，壳体第 一 振型表现为 自身的局部振动 ，第一周期为 0 8 9 s ； 主体结构第一周期为 1 3 2 s 。当以环形梁板与主体结 构相连时 ，第一振型与结构形成整体振动 ，第一周 期 1 1 6 S 。环形梁板很好的协调 了二者之 问的变形。 8 总结和讨论 从本工程 的分析和设计 中，可得 出以下结论： ( 1 ) 对 于复杂结构 ，在楼板分块不连续的情况 下 ，采用平面 内无 限刚的假定不能考虑 到分块楼板 间相对 振动 ，采用 楼板 分块无 限刚假 定能简化 分 析 ，较好 反 映楼 层 的真实 变形 。 ( 2 ) 结构几何形状复杂时，采用预制 吊装方案既 能方便施工 ，又能达到较好 的建筑效果。在吊装构件 自重很大的情况下， 采用格构式方案能大大减轻结构 自重，降低工程造价。 ( 3 ) 转换梁托柱 向平面外倾斜 时，对转换梁的双 向受弯和抗扭 设计应给予足够重视 。 ( 4 ) 对于本工程 ，外包壳体与主体结构问的环形 梁板连接很重要 ，起 到协调整体变形的作用 ，可增 强 结构整体稳 定性 。 ( 5 ) 混凝土预制构件 的节点起 到传力和连接 的作 用 ，其设计应 力求传力简单 ，施工方便，可沿用现 浇体系强节 点弱构件 的抗震设计概念 。本 工程通过 设嚣节点后浇 区，预埋型钢 ，节点钢板焊接 ，钢筋 与型钢焊等措施接保证 了节点的可靠 。 ( 6 ) 混凝土预制外包壳体外部施 以银灰色氟碳喷 涂，其建筑效果可与钢结构媲美， 而工程造价大幅度 降低 。与钢结构外包壳体相 比，本方案节省投资 6 0 0 万 元 。 参考文献 1 唐兴 荣 高层 建筑 转换层结构设 计与施工 M 北京：中 国建筑工 业出版社 ，2 0 0 2 2 秦亮 张继 超 刘晓东 预制装配混凝土 框架 结构抗震特性分析 第七届全国地震工程学术会议论文集文集 ，广 州 2 0 0 6 9 3 赵斌吕西林 刘丽珍 全装配 式预制混凝土结构梁柱 组合件抗震 性能试验研究 地震工程 与工程振动 ，2 0 0 5 ，( 2 ) 4 林宗凡E I S a g a n M E K r e g e r 装配式抗震框架延性节 点的研 究 同济大学 学报， l 9 9 8 ，( 4 ) 5 薛伟辰 预制 混凝土 框架节 构体 系研究与应 用进展 工业建 筑， 2 0 0 2 ， ( 1 1 ) 6 中华人民共和国国家标准 建筑抗震设计规范( G B 5 0 0 1 1 2 0 0 2 ) 中 国建筑工业 出版社 ，2 0 0 2 7 w y 1 i e L L e s s o n s f r o m A r me n i a n e a r t h q u a k e C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l ，1 9 8 9 ，U ( 8 ) 8 3 E n g l e k i t k R S e i s m i C d e s i g n c o n s i d e r a t i o n s f o r p r e c a s t c o n c r e t e m u l t i s t o r y b u i l d i n g s J o u r n a l o f t h e A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ， 1 9 9 0 ，3 5( 3 ) 9 严薇 曹永红 李国荣 装配式结构体系的发展与建筑工业化 重 庆建筑 大学 学报，2 0 0 4 ，( i 0 ) 7 9 维普资讯 http:/