装配式结构在某高层办公楼中的设计与应用
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。
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)
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)
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
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。
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。
预制装配率的计算公式为:预制装配率=

单体预制率的计算结果
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

注:1) 预制装配率计算依据沪建交联[2013]1243号
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》
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)
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)
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。
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。
[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.