装配式结构在某高层办公楼中的设计与应用

引用文献:

马海英 李新华 田爱萍. 装配式结构在某高层办公楼中的设计与应用[J]. 建筑结构,2019,49(15):10-13,9.

Ma Haiying Li Xinhua Tian Aiping. Design and application of assembled structure in high-rise office building[J]. Building Structure,2019,49(15):10-13,9.

作者:马海英 李新华 田爱萍
单位:上海中森建筑与工程设计顾问有限公司 绿地建设集团
摘要:杨浦96街坊项目4号楼为上海市第一个装配整体式框架-现浇核心筒结构高层办公楼, 主要介绍了项目的超限情况及抗震性能目标, 预制框架梁、柱的连接方式, 预制框架梁与现浇核心筒的连接做法, 通过三维BIM模型进行复杂梁柱节点连接的安装模拟, 避免了钢筋的碰撞以及现场预留套筒安装的操作空间, 并基于实际项目提出三个方面的调整建议, 更好地体现了装配式建筑工业化建造的优势, 希望能给类似的设计提供借鉴。
关键词:装配整体式框架-现浇核心筒结构 预制框架梁柱连接 BIM
作者简介:马海英, 硕士, 高级工程师, Email:523046368@qq.com。
基金:

1 工程概况

   杨浦96街坊项目地处上海市杨浦滨江区板块,为商务办公用途,总建筑面积为4.4万m2,地下室建筑面积为1.3万m2。其中4号楼为装配式建筑 (图1) ,地上建筑面积2.1万m2,地上18层,地下2层,建筑总高度为77.7m,标准层层高为4.2m,单体预制率为38%。2015年8月开工,2017年12月竣工,现已投入使用。

   主体结构设计使用年限为50年,建筑结构安全等级为二级,地基基础设计等级为甲级,场地抗震设防烈度为7度,地震基本加速度为0.10g;设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅳ类。水平地震影响系数最大值αmax为0.08,多遇地震下场地特征周期为0.90s,罕遇地震下场地特征周期为1.1s,根据使用功能的重要性,其建筑抗震设防类别为丙类,基本风压取50年一遇,为0.55kPa,地面粗糙度为C类,基本雪压为0.20kPa。

2 超限情况及抗震性能目标

   根据建筑使用功能要求,本工程采用了装配整体式框架-现浇核心筒结构,建筑抗震设防类别为丙类,建筑结构的安全等级为二级,混凝土剪力墙抗震等级为二级,框架抗震等级为二级。

图1 外立面效果图

   图1 外立面效果图

    

   根据《上海市超限高层建筑抗震设防管理实施细则》 (沪建管[2014]954号) [1]及上海市《建筑抗震设计规程》 (DGJ 08-9—2013) [2]第7.1.3条的相关规定,对本工程进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查,主要超限内容如下:

   结构高度超限判断:根据上海市《建筑抗震设计规程》 (DGJ 08-9—2013) [2]第7.1.3条的规定,预制混凝土框架-剪力墙结构最大适用高度为60m,本工程的结构类型为框架-核心筒,结构高度为77.7m,属于结构高度超限。且在进行此项目设计时,《装配式混凝土结构技术规程》 (JGJ 1—2014) [3]还未发布。

图2 预制构件布置图

   图2 预制构件布置图

    

图3 预制柱布置图

   图3 预制柱布置图

    

   结构不规则超限判断:1) 扭转不规则,X向最大扭转位移比大于1.2;2) 楼板不连续,2层楼板开洞面积近50%,开洞面积大于该层楼面面积的30%;3) 承载力突变,1层Y向层间受剪承载力为2层的75%,层受剪承载力小于相邻上一层的80%。

   对于以上超限情况,结合装配整体式框架-现浇核心筒结构相较于全现浇结构的特殊性,进行了如下抗震性能目标设定:1) 在正常使用状态下 (包括风荷载、雪荷载、自重、温差等作用) ,结构构件处于弹性状态;2) 在遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震作用时,结构构件处于弹性状态,预制梁、柱及其连接应不受损伤;3) 在遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震作用时,结构竖向构件处于弹性状态,水平构件可能出现部分损伤,预制梁柱节点应处于弹性状态;4) 在遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震作用时,结构不倒塌;预制梁可屈服破坏,外圈预制柱弹性,内部墙柱不屈服且连接不得失效,保持一定的竖向承载能力;5) 在偶然荷载情况下,应避免结构发生连续性坍塌[4]

   针对超限问题,采取应对措施如下:1) 抗震设计时,由于同一层内既有现浇墙肢、现浇柱又有预制柱,对现浇墙肢及现浇柱水平地震作用下弯矩、剪力乘以不小于1.1的放大系数;2) 上、下层相邻预制框架柱的竖向钢筋采用套筒灌浆连接,柱纵筋连接应满足I级接头要求;梁与梁及梁与柱连接处设置后浇段。

3 装配式结构体系及拆分

   为保证土地出让合同中规定的单体预制率的要求,采用了预制叠合框架梁、预制柱、叠合楼板及预制楼梯。其中,作为高层结构的加强区域,1~3层采用现浇结构,4层及以上采用预制结构。预制构件布置图见图2。

图4 预制梁布置图

   图4 预制梁布置图

    

   装配式结构预制构件的拆分是装配式结构设计的一个重要阶段,需要综合考虑构件的标准化、模具设计、加工、运输条件、吊装方案、钢筋锚固等多项因素。本工程定义了预制构件的拆分标准。1) 柱拆分图表达柱的具体定位、名称及质量,如名称:3~6PCZ-E4即3~6层预制柱,位于?轴交 (4) 轴,预制柱布置图见图3;2) 梁拆分图表达了梁的具体定位、名称及质量,如名称:4~7PCL-E34即4~7层预制梁,位于?轴交 (3) ~ (4) 轴,预制梁布置图见图4,梁端非阴影区为现浇段;3) 预制楼板拆分图表达板的划分、名称及质量,如名称:3~7PCB-1即3~7层第1块预制楼板,3~7PCXB-1即3~7层第1块预制悬挑板,预制楼板布置图见图5。

图5 预制楼板布置图

   图5 预制楼板布置图

    

   预制装配率的计算公式为:预制装配率=

    

图6 梁连接套筒与柱纵筋碰撞示意图

   图6 梁连接套筒与柱纵筋碰撞示意图

    

图7 腰筋接驳连接

   图7 腰筋接驳连接

    

   单体预制率的计算结果[4]见表1。

4 装配式结构设计构造措施

   装配整体式框架-现浇核心筒结构,外侧框架柱、框架梁及楼板均采用预制,内部核心筒全部采用现浇。

   在结构平面布置上,预制柱截面变化按单面 (角柱两方向) 收进,一次收进尺寸不小于100mm,保证预制柱纵筋连接上下贯通;考虑柱纵筋连接套筒直径较大,计算时应将柱保护层厚度增加为35mm,柱纵向受力钢筋采用套筒灌浆连接时,柱箍筋加密区长度不应小于纵向钢筋连接区域长度与500mm之和,套筒上端第一个箍筋距离套筒顶部不应大于50mm。

   梁边不宜与柱贴边布置,贴边会造成梁连接套筒与柱纵筋碰撞,见图6。

   柱底接缝设置在楼面标高处,并符合以下规定:后浇节点区混凝土上表面设置粗糙面;柱纵向受力钢筋应贯穿后浇节点区;柱底接缝厚度20mm,灌浆料填实。

   表1 单体预制率的计算结果   

表1 单体预制率的计算结果

   注:1) 预制装配率计算依据沪建交联[2013]1243号[4]第四条装配式建筑预制装配率计算口径公式,预制装配率为 (523.2+1 026+1 230) /7 296=38%;2) 预制混凝土方量中的墙包括预制剪力墙及外墙预制部分。

图8 梁柱核心区内梁纵筋避让

   图8 梁柱核心区内梁纵筋避让

    

   为保证梁柱节点区钢筋锚固、安装空间的要求,根据《混凝土结构设计规范》《GB 50010—2015》[5]及《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图 (现浇混凝土框架、剪力墙、梁、板) 》 (11G101-1) [6]第4.5条,框架梁底筋可部分不伸入框架柱内,伸入支座部分应满足计算配筋值及二级抗震梁顶与梁底最小配筋比值要求。

   在计算不考虑框架梁腰筋时,腰筋不进入支座,并适当增大梁上下纵筋,以满足梁端抗扭要求;根据抗震评审意见,边框梁腰筋伸入柱内满足与柱强连接要求,采取预制梁内预埋钢筋接驳器的方式,待梁吊装就位,柱箍筋安装后连接腰筋,见图7。

   X, Y两个方向框架梁截面高差应至少100mm,才可避免在吊装时梁底筋在梁柱核心区内的碰撞,见图8。

   预制柱及叠合梁在梁柱节点区,梁纵向钢筋伸入后浇节点区内锚固连接,并符合《装配式混凝土结构技术规程》 (JGJ 1—2014) [3]中第7.3.7~7.3.9条的规定;梁主筋与现浇核心筒混凝土墙体暗柱纵筋错开布置,避免碰撞,见图9。

图9 梁主筋与现浇剪力墙避让

   图9 梁主筋与现浇剪力墙避让

    

   叠合楼板厚度为150mm (60mm (预制) +90mm (现浇) ) ,采用现浇端连接的做法,搁置梁边的距离为15mm,预制板之间采用后浇段连接,见图10。

   《装配式混凝土结构技术规程》 (JGJ 1—2014) [3]规定的主次梁连接处次梁纵筋采用预留现浇段内套筒灌浆连接的方式,见图11。由于梁高较大,梁纵筋较多,施工时梁纵筋套筒灌浆难度较大,且采用套筒灌浆的成本较机械套筒连接的高,但机械套筒连接对预制构件加工及安装精度要求更高。设计时也可采取调整结构计算假定,在次梁端部采用铰接,主次梁连接改为牛腿搁置的方式以减少套筒连接的数量。

图1 0 叠合楼板端部节点

   图10 叠合楼板端部节点

    

   次梁的下部纵向钢筋伸入主梁侧面现浇段长度不应小于12d (d为钢筋直径) ,主次梁高差至少100mm,方便钢筋穿过,见图12。

   箍筋加密区宜采用整体封闭箍筋,次梁上部纵向钢筋应在现浇层内锚固或者贯通,见图13。    

   为提高柱底抗剪能力,便于灌浆料流动且灌浆密实,框架柱柱底设“米”字形抗剪槽,抗剪槽中心最高位置设通气孔。抗剪槽从柱边到中心由浅至深,最浅处深20mm。

   框架节点区域钢筋密集,施工难度大,因此,本项目将预制柱变截面收进钢筋采用锚固板方式锚入柱内。

5 BIM技术辅助施工

   在装配式结构深化设计与施工阶段,综合考虑了构件的生产加工、运输、吊装及现场安装施工技术合理性和经济性,结合工程的实际难点,采用了全过程BIM辅助设计。对主要构件包括预制柱、预制梁、叠合板等进行节点碰撞检查和模拟施工。在本项目中出现的预制斜梁连接节点进行重点优化处理。通过BIM技术的施工模拟,清晰地展现施工过程,解决了预制构件吊装就位的问题。

图1 1 主次梁连接处次梁套筒灌浆连接

   图11 主次梁连接处次梁套筒灌浆连接

    

图12主次梁连接处次梁钢筋竖向空间避让

   图12主次梁连接处次梁钢筋竖向空间避让

    图1 3 主次梁连接处主梁箍筋加密区示意图

   图13 主次梁连接处主梁箍筋加密区示意图

 

6 结论与建议

   杨浦96街坊项目4号楼采用装配整体式框架-现浇核心筒结构体系,主要预制构件为框架柱、叠合梁、叠合楼板及楼梯等。单体预制率达38%以上,框架柱纵筋及次梁底部纵筋采用灌浆套筒连接。本项目不仅为装配式结构,且为超限结构,设计过程中考虑了一系列构造处理措施,在2014年初,《装配式混凝土结构技术规程》 (JGJ 1—2014) 尚未发行,无标准图集可参考,且无类似案例可借鉴的情况下,解决了建造过程中预制构件钢筋锚固、避让、连接的诸多问题。应用BIM技术对斜梁交叉复杂部位的钢筋排布、多梁吊装顺序的模拟,很好地指导了现场施工。这些为装配整体式框架或装配整体式框架-现浇剪力墙 (核心筒) 结构的项目设计提供了有益的借鉴。本项目目前已竣工交付使用,成为上海市第一个装配整体式框架-现浇核心筒结构的高层办公楼。

   如果放在2019年重新设计这个项目,会在以下三个方面进行调整:1) 框架梁与次梁的连接采用钢企口的连接方式,而非目前的预留后浇段的方式。这样可以做到次梁免模免支撑,提高次梁的安装效率。当然在分析计算时需要次梁铰接。2) 预制楼板采用密拼接缝形式,预制楼板侧向不出筋。这样构件模具简单,脱模方便,可以大大提高构件加工和安装效率。但注意在拼缝处下部附加钢筋需要按计算进行配置,钢筋长度同时需满足锚固要求。3) 梁采用可调节组合钢筋接头连接套筒。这样改变是为了减小预制梁底部纵筋连接的施工难度,降低成本。由于梁高较大,现场施工人员很难进行梁底筋连接的套筒灌浆操作。另外可调节组合钢筋接头连接套筒的费用几乎是灌浆套筒的1/2,对预制梁中钢筋定位的加工精度要求也可适当降低,施工可调节性更高。总之,这些调整会更好地体现装配式建筑工业化建造的优势,希望能给后续的设计带来借鉴。

    

参考文献[1] 上海市超限高层建筑抗震设防管理实施细则:沪建管[2014]954号[Z].上海:上海市城乡建设和管理委员会, 2014.
[2] 建筑抗震设计规程:DGJ 08-9—2013[S].上海:同济大学出版社, 2013.
[3] 装配式混凝土结构技术规程:JGJ 1—2014[S].北京:中国建筑工业出版社, 2014.
[4] 关于印发《<关于本市进一步推进装配式建筑发展的若干意见>实施细则》的通知:沪建交联[2013]1243号[Z].上海:市建设交通委, 市住房保障房屋管理局, 市发展改革委, 市规划国土资源局, 市财政局, 2013.
[5]混凝土结构设计规范:GB 50010—2010[S]. 2015年版.北京:中国建筑工业出版社, 2015.
[6] 混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图 (现浇混凝土框架、剪力墙、梁、板) :11G101-1[S].北京:中国计划出版社, 2011.
Design and application of assembled structure in high-rise office building
Ma Haiying Li Xinhua Tian Aiping
(Zhongsen Architectural & Engineering Designing Consultants Ltd., Shanghai Greenland Construction Group)
Abstract: Building 4, Yangpu 96 Block Project is the first high-rise office building with monolithic assembled concrete frame and cast-in-place corewall structure in Shanghai. Out-of-code situation and seismic performance objectives of the project were introduced, as well as the connection mode of precast frame beams and columns, and the connection method of precast frame beams and cast-in-place corewall. Through three-dimensional BIM model, the installation simulation of complex beam-column joint connection avoided the collision of steel bars and reserved the operation space of sleeve installation on site. Based on the actual project, three adjustment suggestions were put forward, which better reflected the advantages of industrial construction of assembly building, hoping to provide reference for similar designs.
Keywords: monolithic assembled concrete frame and cast-in-place corewall structure; connection of precast beams and columns; BIM;
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