梁柱节点、楼盖系统、外墙系统是装配整体式框架结构设计的重难点 ^[1]。梁柱节点存在钢筋密集、安装困难等问题; 楼盖系统目前大部分采用后浇带整体式接缝的钢筋桁架叠合板,存在制作安装困难、支撑多、造价高等痛点,急需研发新型楼板提升装配式建筑施工的质量和效率; 框架结构外墙系统可采用外墙挂板,其难点在于节点设计 ^[2],本项目外墙挂板节点满足承载力要求,能适应主体结构变形,安装方便。

　　 成都建工预筑科技研发中心项目(图1)位于简阳市简城街道。抗震设防烈度为6度(0.05g),设计地震分组为二组,建筑场地类别为Ⅱ类,场地特征周期为0.4s,该楼设计使用年限为50年,结构安全等级为二级,建筑面积7 371m²,共4层,屋面结构高度为19.480m,采用装配整体式框架结构,建筑抗震设防类别为标准设防类,框架抗震等级为四级。

　　 该楼建筑平面,层层错位收进,见图2。以3层为例,结构平面见图3。结构平面总体呈不规则四边形,平面尺寸为57.0m×40m,轴网尺寸主要为8m×8m。框架柱混凝土强度等级为C40,梁、板混凝土强度等级为C30。梁柱纵向钢筋采用HRB500,箍筋采用HRB400。框架柱截面尺寸700×700,X向梁截面尺寸350×700,Y向梁截面尺寸350×750,次梁截面尺寸200×600。

　　 装配式技术指标如下:1)结构系统:除了不规则区域采用现浇外,叠合梁、叠合板范围均从2层楼面到屋面,其中规则的8m×8m柱网采用290mm厚密拼空心叠合板,规则的矩形单向板采用130mm厚钢筋桁架叠合板,12m跨度部分为双T板。正交部分框架梁柱均为预制,预制柱范围从首层楼面到大屋面,柱钢筋采用大直径角部集中布置,预制梁范围从2层楼面到大屋面。2)外围护系统:主要采用预制外墙挂板或预制阳台板,局部采用幕墙系统,外挂板连接方式为旋转式点支撑。3)设备及管线系统:采用整体卫生间,管线分离技术。4)内装系统:全装修。

　　 根据《装配式建筑评价标准》(GB/T 51129—2017) ^[3],装配率计算见表1。

　　 在项目方案阶段,根据建筑平面(图4)、结构特点和构件标准化、模数化要求,对标准8m×8m轴网进行了两个方案的比较分析。方案一采用主次梁体系+桁架钢筋叠合板,楼板拆分为6块,平面布置见图5,该方案主次梁连接节点复杂,板块较多,工序繁多、安装效率低。方案二不设置次梁,采用密拼空心叠合板。该方案将标准柱网板块拆分为3块,(图6),接缝形式为密拼。每个板块将填充体、叠合底板以及横向肋梁合成一体,在工厂规模化生产,形成带横向肋梁和填充体的底板,安装就位后浇筑竖向肋梁和顶板,形成整体性良好的密肋空腔楼盖。密拼空心叠合板可实现双向传力,有效协调竖向构件变形,满足刚性楼板假定,同时四周不出筋,方便施工,而且底板刚度大,可实现少支撑或者无支撑。

　　 对于周边刚性支撑的现浇混凝土空心楼板,其计算分析根据《现浇混凝土空心楼盖技术规程》(JGJ/T 268—2012) ^[4](简称《现浇空心楼盖规程》)采用拟板法或者拟梁法。当采用拟梁法计算时,梁刚度需考虑板的正交各向异性。对于密拼空心叠合板,除同现浇空心板一样,因填充体布置方式导致板两个方向存在刚度差外,由于底板按照图14进行密拼连接,会削弱垂直拼缝方向的刚度,进一步加大空心板两个方向的刚度差。本文采用有限元软件ABAQUS,选用C3D10M单元对比分析了密拼空心叠合板(带拼缝)和现浇空心板,其底板应力云图见图7、图8。

　　 从应力分布情况来看:1)梁与柱子相交处应力较大,设计时对该位置采用实心加强; 2)对比图7、图8可知,底板应力分布整体相似,拼缝位置存在明显的应力集中现象,设计时在拼缝位置附加搭接钢筋。由于存在拼缝,可能影响楼板导荷,故对边梁的剪力分布进行了统计,如图9所示,其中横坐标为各支座反力对应点相对边梁的位置,由图可知,两者边梁剪力分布十分接近,故可以认为密拼空心叠合板和现浇空心板的导荷方式相同。

　　 密拼空心叠合板正截面受弯承载力验算按照《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010) ^[5](简称《混规》)进行,斜截面受剪承载力验算同《现浇空心楼盖规程》。密拼空心叠合板由于竖向肋梁少(图6),在竖向肋梁有效翼缘范围外的翼缘板形成了“二”字形截面,受力特性如同空腹桁架,因此横向肋梁存在平面外剪切破坏的可能(图10)。依照《现浇空心楼盖规程》中圆形填充体肋梁平面外受剪承载力验算公式,推导出方形填充体肋梁平面外受剪承载力验算公式,见式(1)。

　　 $\begin{array}{l}V\le \frac{(h+D{}_{\text{h}})(0.5bt{}_{\text{w}}f{}_{\text{d}}+0.3f{}_{\text{y}\text{v}}A{}_{\text{s}\text{v}})}{(t{}_{\text{w}}+D{}_{\text{w}})}-\\ 0.5qb(t{}_{\text{w}}+D{}_{\text{w}})(1)\end{array}$

　　 式中:V为“二”字形横截面竖向剪力设计值,取拟梁法求得的梁端剪力设计值; b为拟梁法计算时梁宽; h,t_w分别为肋梁截面高度、宽度; D_h为填充体高度; D_w为填充体宽度; f_d为肋梁结合面处名义抗剪强度设计值,取0.4MPa,偏保守,计算截面可取肋梁腹板中部; f_yv为横向钢筋抗拉强度设计值; A_sv为穿过结合面的钢筋横截面面积; q为楼面活荷载设计值。

　　 为实现现浇部分和预制部分整体受力,结合面需满足一定的纵向抗剪承载力,以避免两者产生水平相对滑移。空心叠合板结合面面积小,见图11,需考虑结合面骨料之间的抗剪承载力和桁架钢筋腹筋抗剪承载力。

　　 结合面纵向抗剪承载力验算,参考《混规》第H.0.4-2条,按照式(2)对图12所示工字形截面结合面进行纵向抗剪承载力验算:

　　 $V\le 1.2f{}_{\text{t}}bh{}_0+0.85f{}_{\text{y}\text{v}}\frac{A{}_{\text{s}\text{v}}}{S}h{}_0(2)$

　　 式中:S为桁架钢筋上、下弦钢筋的焊点中心间距;f_t为混凝土轴心抗拉强度设计值;A_sv按照式(3)计算。

　　 $A{}_{\text{s}\text{v}}=4A{}_{\text{s}\text{v}1}\sin \alpha \sin \beta (3)$

　　 式中:A_sv1为单根腹筋的截面面积; α为桁架钢筋腹筋纵向夹角;β为桁架钢筋腹筋横向夹角(图13)。

　　 由式(2)可知,抗剪承载力由结合面骨料和桁架钢筋腹筋提供的抗剪承载力两部分组成。

　　 密拼空心叠合板构造要求详见《现浇空心楼盖规程》,与现浇空心板不同之处在于拼接节点和板端节点,其构造分别见图14、图15。

　　 拼缝处应设置垂直于拼缝的附加钢筋,按照受拉搭接设计。附加钢筋直径不小于8mm,且不大于14mm,附加钢筋采用90°弯钩。垂直于附加钢筋的方向应设置横向分布钢筋,在搭接范围内不宜少于3根,间距不宜大于250mm。附加钢筋的配置应满足:B-B截面处(拼缝处)的抗弯承载力不宜小于A-A截面处(非拼缝处)的抗弯承载力,B-B截面承载力计算时截面高度取现浇层截面高度。

　　 板端支座利用空心叠合板的截面高度,预留弯折钢筋和附加U形钢筋搭接,搭接区域混凝土浇实,满足板端承载力要求。

　　 上述拼缝和板端节点不仅可以实现双向传力,有效协调竖向构件间变形,满足刚性楼板假定,而且侧面不预留胡子筋,给构件制作、安装提供了便利。

　　 密拼空心叠合板施工阶段验算截面如图11阴影部分所示,即“山”字形截面。需要考虑脱模起吊、运输堆放和浇筑叠合层混凝土等阶段。本工程经验算,除了两端支撑在预制梁上外,仅需要在中间加一道支撑即可满足施工阶段承载力要求。由此可见,空心叠合板相比普通钢筋桁架叠合板具有底板刚度大,可实现免支模、免支撑或少支撑,提高安装效率等优点。

　　 除了标准板跨处采用空心叠合板外,其余钢筋桁架叠合板均采用密拼整体式设计,参照文献[6,7]研究成果,接缝处构造如图16所示。

　　 本项目一层会议厅跨度12m,屋面为室外种植花园,此处跨度和荷载均较大,采用双T板叠合楼盖,平面布置如图17所示,8m宽度范围内由3块双T板密拼,每块板的截面尺寸如图18所示,叠合层厚度为80mm。

　　 参考文献[8],配筋形式见图19,预应力筋布置在肋的底部,为纵向受力钢筋,通过构件纵向验算确定。本工程采用4股公称直径15.2mm的钢绞线,预应力筋的张拉控制应力σ_con取0.7f_ptk,其中f_ptk为预应力筋极限强度标准值。

　　 W-1和W-2为翼缘钢筋,分别布置于预制构件和叠合层内,形成了双层双向配筋。其中沿构件纵向的钢筋为非受力钢筋,按单向板的分布钢筋布置,横向钢筋经设计验算确定,本工程为ϕ8@200。

　　 W-3应满足抗剪及防裂要求,竖向钢筋相当于箍筋起抗剪作用,经计算确定,横向钢筋为构造钢筋,如图19、图20所示。

　　 W-4为肋板端部构造钢筋,防止预应力放张时端部开裂,参考图集《预应力混凝土双T板》(09SG432-2) ^[9]布置。

　　 为减少预应力收缩变形、脱模起吊、受力不均匀等引起的端部板面裂缝,本工程在双T板板端增设倒置U形钢筋,如图21所示。

　　 双T板与框架梁连接节点大样见图22,双T板直接搁置在梁牛腿上。

　　 本项目梁柱节点区均采用现浇,结合文献[10,11,12]中的研究成果,在满足承载力前提下,充分考虑节点区钢筋布置方式(图23、图24),方便预制构件制作和安装。采取措施如下:1)同方向梁高相同,不同方向梁高相差50mm,即不同方向叠合梁下部钢筋采用竖向避让; 2)柱纵向钢筋集中于四角,对称配置,并在中部设置不锚入节点区的纵向辅助钢筋,梁柱节点区柱纵向钢筋间距为330mm; 3)纵向辅助钢筋在柱身位置采用拉筋拉结,梁柱节点区框架柱外围箍筋加强,使节点区箍筋体积配箍率不低于柱端加密区箍筋体积配箍率; 4)对于承担扭矩的腰筋,增设连接钢筋,与预埋于框架梁内的机械套筒相连; 5)梁角部采用2根直径18mm的角筋,伸至柱中心线,采用锚固板锚固,满足锚固长度要求,设计时梁角部钢筋不考虑其抗震承载力和抗震构造的贡献,此配筋方式不仅方便施工,而且提高了梁的抗扭承载力,防止框架梁端开裂; 6)对于图22所示的带牛腿的框架梁,牛腿纵向钢筋不伸入支座,设计时应验算该节点的局部承压承载力、挑耳抗冲切承载力和抗弯承载力。

　　 采用标准化与模数化设计,尽量减少预制构件种类,通过少规格、多组合的设计思路满足公共建筑立面丰富性要求。本项目立面板块根据柱网与功能进行拆分,宽度方向主要拆分为2 647mm+2 647mm+2 647mm三个板块和2 687mm+2 687mm+2 687mm三个板块,见图2,在标准化设计的基础上,充分发掘生产和施工工艺特点,满足立面多样性和创新性的要求。

　　 外墙挂板与主体结构连接需考虑以下3个方面因素:1)节点应具有足够的承载力和适应主体结构变形的能力; 2)外墙挂板安装可操作和定位可调节; 3)避免和预埋件直接焊接,以免烧伤混凝土 ^[13]。

　　 外墙挂板与主体结构之间的连接可采用点支承连接或线支承连接,点支承可采用平移式、旋转式等支承形式,见表2。

　　 本项目板宽小于板高,采用旋转式点支承节点,节点构造见图25,计算简图见表2,下部支座均可向上移动。下部支座处螺母和角钢连接件焊接,通过拧螺帽实现外墙挂板上下调节,整个外墙挂板的竖向荷载全部由螺杆承担。支座连接件见图26。水平连接钢板预留长圆孔不仅可以方便外墙挂板定位调节,而且能使螺杆和水平连接钢板分别承担竖向和水平荷载,当外墙挂板定位准确后,焊接方垫片,完成外墙挂板安装。

　　 成都建工预筑科技研发中心项目从设计、制作、安装一体化角度出发,应用了课题研究成果——密拼空心叠合板、梁柱节点以及外墙挂板节点。其中密拼空心叠合板结合了现浇空心楼板和密拼钢筋桁架叠合板的优点,在公共建筑中可广泛推广应用; 梁柱节点解决了施工过程中钢筋密集、安装困难等问题; 外墙挂板节点采用旋转式点支承节点,能适应主体结构变形,安装方便。通过以上技术简化了生产、方便了施工,实现了提质增效的目的,可为同类项目提供参考和借鉴,助力装配式建筑高质量高效率发展。