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我国装配式混凝土结构技术总结与发展建议
作者:左浩    发布于:2019-05-13 09:37:26    文字:【】【】【
摘要:我国建筑混凝土预制构件行业已有近60年的历史。从1958年至1991年,北京市共建成装配式大板住宅建筑386万m2,其中高层(≥10层)90万m2,并建造了1栋16层试验性塔式大板住宅,面积为8 535m2(北京市地方志编纂委员会,2002)。工业厂房也广泛采用装配式结构,包括梁、柱、预制混凝土桁架、大型屋面板等。

我国装配式混凝土结构技术总结与发展建议


1 我国装配式混凝土技术体系发展历史

我国建筑混凝土预制构件行业已有近60年的历史。从1958年至1991年,北京市共建成装配式大板住宅建筑386万m2,其中高层(≥10层)90万m2,并建造了1栋16层试验性塔式大板住宅,面积为8 535m2(北京市地方志编纂委员会,2002)。工业厂房也广泛采用装配式结构,包括梁、柱、预制混凝土桁架、大型屋面板等。

这一时期的装配式混凝土结构住宅主要借鉴苏联和东欧的技术体系,以装配式大板结构为主。由于设计思路、技术体系、材料工艺及施工质量等多方面存在问题,导致房屋质量较差,主要表现在:房屋户型标准化较高但是使用功能欠佳,户型简单,开间小;接缝处建筑功能差,保温、隔热、隔声性能差,存在漏水、结露、保温不好等问题;内装单一、粗糙,质量较差。

同时,装配式结构当时也存在成本偏高、构件运输与城市交通存在矛盾等问题。当现浇施工技术、商品混凝土得到普及且建筑业开始大量雇用农民工以后,现浇结构由于具有成本较低、无接缝漏水问题、建筑平立面布置灵活等优势,迅速取代了装配式混凝土结构,导致装配式结构在我国的应用比例直线下降;1990年代之后,预制构件行业面临市场疲软、产品滞销、竞争加剧等困境,很多构件厂倒闭。装配式混凝土结构方面的研究及应用在我国基本中断。

20世纪末开始尤其是近10年,由于劳动力的数量下降和成本提高,以及建筑业“四节一环保”可持续发展要求的提出,装配式混凝土结构作为建筑产业现代化的主要结构形式,又开始迅速发展。同时,结构设计技术、材料技术、施工技术的进步也为装配式混凝土结构的发展提供了条件,从而避免了1980年代的覆辙。在市场和政府双重推动下,预制装配式混凝土建筑结构的研究和工程实践已成为建筑业发展的新热点,国内众多企业、大专院校、研究院所均开展了比较广泛的研究和工程应用示范。在引入欧美、日本等发达国家的现代化结构技术的基础上,完成了大量的理论研究、结构试验研究、生产装备和工艺研究、施工装备和工艺研究,初步开发了一系列适合我国国情的建筑结构技术体系。为了配合和推广装配式混凝土结构技术的应用,国家和许多地方发布实施了相应的技术标准和政策措施。

与国外相比,我国装配式混凝土结构的发展有3个主要特点。

(1)由于住宅建设尤其是保障房建设的需求,装配式混凝土结构的应用以剪力墙结构体系为主。近些年来装配式剪力墙结构体系发展非常迅速,应用量不断攀升,不断涌现出不同形式、不同结构特点的装配式剪力墙结构,如套筒灌浆连接装配整体式剪力墙结构、浆锚搭接连接装配整体式剪力墙结构、预制外挂墙板剪力墙结构、叠合剪力墙结构等等。在北京、上海、天津、哈尔滨、沈阳、唐山、合肥、南通、深圳等诸多城市中均有较大规模的应用(图1)。由于高层装配式剪力墙结构在国外应用较少,因此,我国的装配式剪力墙结构技术体系基本是在借鉴装配式大板建筑和国外的一些钢筋连接、节点构造技术基础上自主研发的。

(2)从结构设计的角度来看,主要是借鉴日本“等同现浇”的概念,以装配整体式结构为主,节点和接缝较多且连接构造比较复杂,造成了成本较高和施工效率较低的问题。

(3)目前发展速度较快,对材料技术和结构技术的基础研究显得不足。且现在仍主要处于建设期,其实际使用效果,尤其是材料的耐久性、建筑外墙节点的防水性能和保温性能、结构体系抗震性能都缺少长时间的检验。应当以1980年代装配大板建筑为前车之鉴,避免其在使用过程中出现大量的问题。

2 现有技术体系总结和问题分析

从结构形式角度,装配式混凝土结构主要分为框架结构、框架支撑结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、框架-核心筒结构等,目前应用最多的是剪力墙结构体系,其次是框架结构、框架支撑结构、框架-剪力墙结构体系。

按照结构中预制混凝土的应用部位或者预制率、装配率的高低,可将配式混凝土结构分为3种:(1)竖向承重构件采用现浇结构,外围护墙、内隔墙、楼板、楼梯等采用预制构件;(2)部分竖向承重结构构件以及外围护墙、内隔墙、楼板、楼梯等采用预制构件;(3)全部竖向承重结构和非结构构件均采用预制构件。

以上3种装配式混凝土结构目前均有应用。从结构设计、受力和施工的角度来看,第一种与现浇结构更接近。

按照结构中主要预制承重构件的连接方式及其整体性能,可分为装配整体式混凝土结构和装配式混凝土结构。前者以钢筋和后浇混凝土为主要连接方式,性能等同或者接近于现浇结构,主要参照现浇结构进行设计;后者预制构件的连接可采用干式连接方法,安装简单方便,但设计方法与通常的现浇混凝土结构有较大差别,研究工作尚不充分。下文主要按照结构形式来划分各技术体系并进行分析说明。

2.1 装配式混凝土框架结构

相比于其他结构体系,装配式混凝土框架结构的主要特点是:连接节点单一、简单,结构构件的连接可靠并容易得到保证,方便采用等同现浇的设计概念;布置灵活,容易满足不同的建筑功能需求;结合外墙板、内墙板、预制楼板或预制叠合楼板,预制率可以达到很高水平,很适合建筑工业化发展。

目前国内有研究和应用的装配式混凝土框架结构,根据构件形式及连接形式,大致可以分为以下两种:框架柱现浇,梁、楼板、楼梯等采用预制叠合构件或预制构件;框架梁、柱均采用预制构件,节点刚性连接,性能接近于现浇框架结构,即装配整体式框架结构体系。

根据连接形式,框架结构体系可细分为6种。

(1)框架梁、柱预制,通过梁柱后浇节点区进行整体连接,是纳入《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ1-2014)中的结构体系。

(2)梁柱节点与构件一同预制,在梁、柱构件上设置后浇段连接的结构体系。

(3)采用现浇或多段预制混凝土柱,预制预应力混凝土叠合梁、板,通过钢筋混凝土后浇部分将梁、板、柱及节点连成整体的框架结构体系。

我国装配式混凝土结构技术总结与发展建议


图1 我国装配整体式剪力墙结构工程应用

(4)采用预埋型钢等进行辅助连接的框架体系。通常采用预制框架柱、叠合梁、叠合板或预制楼板,通过梁、柱内预埋型钢螺栓连接或焊接,并结合节点区后浇混凝土,形成整体结构。

(5)框架梁、柱均为预制,采用后张预应力筋自复位连接,或者采用预埋件和螺栓连接等形式,节点性能介于刚性连接与铰接之间。

(6)装配式混凝土框架结构结合应用钢支撑或者消能减震装置。这种体系可提高结构抗震性能,增加结构使用高度,扩大其适用范围。

装配式框架结构的外围护结构通常采用预制混凝土外挂墙板体系,楼面体系主要采用预制叠合楼板,楼梯为预制楼梯。由于技术和使用习惯等原因,我国装配式框架结构的适用高度较低,适用于低层、多层和高度适中的高层建筑,其最大适用高度低于剪力墙结构或框架-剪力墙结构。因此,装配式混凝土框架在我国大陆地区主要应用于厂房、仓库、商场、停车场、办公楼、教学楼、医务楼、商务楼等建筑,这些建筑要求具有开敞的大空间和相对灵活的室内布局,同时对于建筑总高度的要求相对适中;同样原因,目前装配式框架结构较少应用于居住建筑。相反,在日本以及我国台湾等地区,框架结构则大量应用于包括居住建筑在内的高层、超高层民用建筑。

2.2 装配式剪力墙结构技术体系

按照主要受力构件的预制及连接方式,国内的装配式剪力墙结构体系可以分为:装配整体式剪力墙结构体系、叠合剪力墙结构体系、多层剪力墙结构体系。装配整体式剪力墙结构体系应用较多,适用的房屋高度最大;多层剪力墙结构目前应用较少,但基于其高效、简便的特点,在新型城镇化的推进过程中前景广阔。此外,还有一种应用较多的剪力墙结构工业化建筑形式,即结构主体采用现浇剪力墙结构,外墙、楼梯、楼板、隔墙等采用预制构件。这种方式在我国南方部分省市应用较多,其结构设计方法与现浇结构基本相同。

2.2.1 装配整体式剪力墙结构体系

装配整体式剪力墙结构中,全部或者部分剪力墙(一般多为外墙)采用预制构件,构件之间拼缝采用湿式连接,结构性能和现浇结构基本一致,主要按照现浇结构的方法进行设计。结构中一般采用预制叠合板及预制楼梯,各层楼面和屋面设置水平现浇带或者圈梁。预制墙中竖向接缝的存在对剪力墙刚度有一定影响,考虑到安全因素,结构整体适用高度有所降低。

目前,国内主要的装配整体式剪力墙结构体系中,主要技术特征在于剪力墙构件之间的接缝连接形式。各体系中,预制墙体竖向接缝的构造形式基本类似,均采用后浇混凝土段连接预制构件,墙板水平钢筋在后浇段内锚固或者连接,具体的锚固方式有所不同。各种技术体系的主要区别在于预制剪力墙构件水平接缝处竖向钢筋的连接技术以及水平接缝构的造形式。

按照预制墙体水平接缝钢筋连接形式,可分为以下5种:竖向钢筋采用套筒灌浆连接,拼缝采用灌浆料填实;竖向钢筋采用螺旋箍筋约束浆锚搭接连接,拼缝采用灌浆料填实;竖向钢筋采用金属波纹管浆锚搭接连接,拼缝采用灌浆料填实;竖向钢筋采用预留后浇区内搭接、环扣搭接或机械连接;竖向钢筋采用型钢辅助连接或者预埋件螺栓连接等。

其中,前3种连接形式相对成熟、应用较多。钢筋套筒灌浆连接技术成熟,但成本相对较高,竖向钢筋逐根连接对施工要求也较高,因此通常采用竖向分布钢筋等效连接形式或其他简便的连接形式,现在已有行业标准和地方标准。钢筋浆锚搭接连接技术成本相对较低,目前的工程应用通常为剪力墙全截面竖向分布钢筋逐根连接。螺旋箍筋约束钢筋浆锚搭接和金属波纹管钢筋浆锚搭接连接技术是目前应用较多的钢筋间接搭接连接的两种主要形式,各有优缺点,已有相关地方标准。底部预留后浇区钢筋搭接连接剪力墙技术体系尚处于深入研发阶段,暂未纳入到现行标准《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ1-2014)中,该技术剪力墙竖向钢筋采用搭接、套筒灌浆连接技术进行逐根连接,技术简便,成本较低,但增加了模板和后浇混凝土工作量,还要采取措施保证后浇混凝土的质量。


2.2.2 现浇剪力墙结构工业化技术体系

现浇剪力墙结构配外挂墙板技术体系的主体结构为现浇结构,其房屋适用高度、结构计算和设计构造完全与现浇剪力墙相同。通过外围护墙预制实现外墙保温装饰一体化、门窗标准化、无外架施工,内墙采用铝模等方式实现工业化建造。

2.2.3 叠合板混凝土剪力墙结构体系

叠合板混凝土剪力墙结构是典型的引进技术,为了满足我国国情,对其进行了改良和创新技术研发。该体系已有安徽省地方标准,适用于抗震设防烈度为7度及以下地区和非抗震区的高度不超过60m、层数在18层以内的混凝土建筑。当应用于抗震区或更高的建筑中时,结构设计中应注重边缘构件的设计和构造。

2.2.4 多层剪力墙结构体系

多层装配式剪力墙结构技术适用于6层及以下的丙类建筑,3层及以下的建筑结构甚至可采用多样化的全装配式结构技术体系。随着我国城镇化的稳步推进,可以预见,多样化的低层、多层装配式剪力墙结构技术体系将在我国乡镇及小城市中得到大量应用,具有良好的研发和应用前景。

2.3 装配式框架-剪力墙结构体系

框架-剪力墙结构是由框架和剪力墙共同承受竖向和水平作用的结构,兼有框架结构和剪力墙结构的特点,体系中剪力墙和框架布置灵活,较易实现大空间和较高的适用高度,可以满足不同建筑功能的要求,广泛应用于居住建筑、商业建筑、办公建筑、工业厂房等,便于用户进行个性化室内空间的改造。

根据预制构件部位的不同,可分为预制框架-现浇剪力墙结构、预制框架-现浇核心筒结构、预制框架-预制剪力墙结构3种形式。预制框架-现浇剪力墙结构中,预制框架结构部分的技术体系上文已有介绍;剪力墙部分为现浇结构,与普通现浇剪力墙结构要求相同。这种体系的优点是适用高度大,抗震性能好,框架部分的装配化程度较高;主要缺点是现场同时存在预制装配和现浇两种作业方式,施工组织和管理复杂,效率不高。预制框架-现浇核心筒结构具有很好的抗震性。但预制框架与现浇核心筒同步施工会造成交叉影响,难度较大;筒体结构先施工、框架结构跟进的施工顺序可大大提高施工速度,但这种施工顺序需要重点研究预制框架构件与混凝土筒体结构的连接技术,以提高施工效率。目前,预制框架-预制剪力墙结构仍处于基础研究阶段,国内应用数量较少。

2.4 楼梯和楼盖

预制装配式混凝土楼盖系统通常由预制梁和预制板(或预制叠合板)组成,和现浇结构相同,通常分为钢筋混凝土楼盖和预应力混凝土楼盖。除了承受并传递竖向荷载外,楼盖将各榀竖向结构连接起来,形成整体抗侧力结构体系,共同承受水平荷载。因此,楼盖结构在增强结构整体性以及传递水平风荷载、水平地震作用中发挥着重要作用。

装配式楼盖大体上可以分为两类:预制叠合楼盖和全预制楼盖。预制叠合楼盖一般由预制叠合梁、叠合板组成,叠合板由预制底板和现场后浇混凝土叠合层组成。全预制楼盖是楼板完全在工厂预制,在现场拼接组装的楼盖体系。目前,一些西方国家在非抗震地区以及低抗震设防烈度区倾向于使用全预制楼盖,以提高工业化水平、效率和效益,在高地震设防烈度区则多采用预制叠合楼盖。

目前,我国的装配整体式混凝土结构中,楼盖主要采用预制叠合楼盖体系,包括钢筋桁架叠合板及预应力带肋叠合板等。对于大跨度楼盖,可采用双T板、SP板(预应力混凝土空心板)等预应力构件,从而实现成本的节约和效率的提升。

3 对结构技术体系发展的建议

从发展建筑工业化及装配式建筑的目的出发,结构技术体系的发展也应始终以“提高质量、提高效率”和“减少人工、减少资源和能源消耗”为方向。并且,结构体系作为装配式建筑一个重要的组成模块,还需要和其他模块组合在一起,共同服务于建筑功能。因此,应该针对不同类型的建筑功能,发展适宜的结构体系,在材料消耗、效率及人工成本之间取得平衡,并通过充分的研究探索找到合适的设计方法,保证结构的安全。

对于各类公共建筑而言,装配式框架结构预制率高,现场湿作业少,生产、施工效率高,是更适合建筑产业化发展的结构形式。尤其是在政府主导的各类公共建筑中,可以采用以装配式框架结构、装配式框架-支撑结构、装配式框架-剪力墙预制(核心筒)结构为主的技术体系。装配式框架结构的发展应该结合高强钢筋和高强混凝土材料、消能减震和隔震技术的发展,重点研究基于新型连接节点的体系。

目前剪力墙结构是最适合我国高层居住建筑的结构形式之一。高层装配式剪力墙结构在结构形式和体系上的突破难度较大,应以现有成熟技术的优化为主,重点解决制约效率和影响质量的关键技术环节。

我国目前正处于大力推进城镇化建设的阶段,小城市、乡镇对多层建筑的需求量很大,需要进一步研究、完善、推广多层装配式混凝土结构技术体系。

对新型装配式结构体系的研发还有以下建议:

(1)不应将预制率和装配率的高低作为评价标准,也不应一味追求创新,应该以质量、效率和成本作为主要的评价标准,以市场作为最终的检验手段。如干式连接节点,如能切实实现连接简单、安装可靠,就值得研究;对于只是为了提高预制率或者创新而提出的安装复杂、效率不高的节点形式,则没有研究的必要。

(2)很多新型结构体系的研发过程中,都会突破目前装配式混凝土结构“等同现浇”的设计理论,因此应系统地进行研发。在缺乏成熟规范体系支持的情况下,应有从构件、节点到结构整体的系统研究成果,尤其是抗震性能,应有对于不同烈度地震作用下各结构性能的全面研究。切不可断章取义,部分采用现有规范做法,部分采用自己的研究成果,以避免造成结构的安全性问题。

(3)结构体系必须与建筑功能和内装系统配套。如外墙采用干式连接接缝做法的结构体系,在没有拼缝防水等问题的解决方案时是不适用的。

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