淺談預制疊合梁縱向鋼筋的錨固和連接設計

趙海燕

上海水石建筑規劃設計股份有限公司（200235）

0 前言

隨著全國裝配式建筑政策的密集出臺，新建裝配式建造項目比例越來越高，裝配式建筑已經進入快速發展階段。發展裝配式建筑的目標為提高工程質量、提高施工效率、減小人工、減少環境污染，是項目建造方式的重大變革。結構設計師應熟悉預制構件生產、裝配式施工建造工法，結合結構概念設計和結構分析計算，進行預制構件設計和構件連接設計等內容。現以已建成的裝配整體式框架項目為例，介紹裝配整體式框架結構的設計要點，并對預制疊合梁設計、預制疊合梁縱向鋼筋的錨固和梁底縱筋連接設計等關鍵技術點進行設計梳理。

1 項目概況

新建項目5#生產用房位于上海市松江區，建筑功能為加工制造業生產用房。建筑總長度73.1 m，寬度23.9 m。本項目為地上5層，地上1層生產用房內配備5 t電動單梁懸掛起重機（S=4.0 m），建筑層高為7.2 m。地上2層生產用房內配備3 t電動單梁懸掛起重機（S=4.0 m）,建筑層高為6.5 m。地上3～5層為生產用房，標準層層高4.5 m，房屋建筑總高度為27.5 m。

建筑結構安全等級為二級，建筑工程抗震設防分類標準為丙類。基本風壓為0.55 kN/m2（50年重現期）,地面粗糙度為B類。項目結構類型為裝配整體式框架結構，抗震等級為二級[2]。

2 裝配整體式框架結構的設計要點

2.1 裝配式結構方案

2.1.1 結構單元劃分

本項目建筑長度73.1 m，因預制構件在工廠生產時混凝土收縮已經完成，且因邊跨樓板為樓、電梯間開洞設計，根據現行規范[1]裝配式框架結構伸縮縫最大間距為75 m的規定，可按1個結構單體進行設計。

2.1.2 預制構件

滿足裝配式建筑項目預制率40%的要求，采用預制的水平結構構件為桁架預制疊合板和預制疊合梁，均為免模板、有支撐設計。豎向構件為預制框架柱，斜撐構件為預制梯段板。

2.1.3 預制構件布置范圍

水平結構構件優選框架 （跨度8.1 m×7.5 m）為標準預制單元，進行預制構件和節點的標準化設計，節約構件材料成本，提高現場安裝工效。為加強結構整體性，頂層屋面板、樓板開大洞周邊樓板按現澆設計。桁架預制疊合板布置范圍為2～5層，同時避開管井、衛生間等管線集中區域。預制疊合梁布置范圍為2～5面層。

為優化現場工種間有序高效施工，優選框架單元內框架柱預制，同時考慮構件標準化設計原則，避開建筑豎向層高不規則的1～2層，選擇標準層3～5層框架柱、梯段板預制設計。

2.1.4 預制構件連接設計

結合梁格尺寸和經濟性，本項目四邊支承樓板按雙向板設計計算。桁架預制疊合板底端部出筋錨入相鄰梁（柱）內。當同一樓板被拆分成多個桁架預制疊合板時，雙向疊合板之間采用整體式接縫連接設計。接縫設置在板次要方向且避開最大彎矩截面，采用后澆帶形式。后澆帶兩側板底縱向筋端部設135°彎鉤，接頭率為100%，鋼筋搭接長度滿足現行規范規定。

預制疊合梁端部出筋錨入框架柱內。

預制框架柱縱向鋼筋在梁柱節點內貫通，上、下層預制框架柱間縱向鋼筋采用全灌漿套筒100%連接。

項目樓梯構件未參與整體結構抗震計算。為減少樓梯構件對主體結構剛度的影響，預制梯段板與現澆梯梁按預埋螺栓連接設計，高端支承為固定鉸支座，低端支承為滑動鉸支座。預制梯段板按兩端簡支模型進行構件設計。

2.1.5 預制構件截面設計

項目樓板厚度取150 mm，滿足預制構件短暫工況驗算，桁架預制疊合板厚為70 mm，樓板后澆疊合層厚度取80 mm。

考慮樓面荷載和構件內鋼筋的合理排布，便于梁、柱鋼筋在節點區的有效避讓，對框架柱、梁截面尺寸進行優化設計。

梁截面寬度為400 mm，考慮同一節點多梁鋼筋節點錨固、豎向彎折避讓等對梁截面有效高度h0的影響最小，將主要受力方向梁截面高度增加100 mm，并考慮先安裝設計。

框架柱截面尺寸按大于同方向梁寬的1.5倍設計，且不小于600 mm。

2.2 “等同現澆”結構分析和設計

對地震區的裝配整體式結構，當預制構件之間采用后澆混凝土連接，接縫構造（構件端部鍵槽、粗糙面等）和接縫承載力滿足現行規程規定，可按“等同現澆”進行結構分析和設計。

2.3 局部設計參數調整（以YJK-A建筑結構計算軟件為例）

考慮到地震作用的隨機性，在不同的組合下，梁端彎矩可能為正，也可能為負。現行規范第11.3.6條第2款對框架梁端截面的縱向鋼筋面積比（底部和頂部）提出規定。第11.3.1條對梁正截面受彎承載力計算中，對縱向受壓鋼筋的梁端混凝土受壓區高度有最大限值規定[3]。

梁正截面計算時，會綜合考慮規范第11.3.1條和第11.3.6條第2款規定，進行地震組合梁端承載力配筋計算，同時建議用戶在設計參數中，優先選擇框架梁梁端配筋考慮受壓鋼筋影響。軟件會考慮ζb的調整及最小受壓鋼筋面積的規定，避免出現截面受壓區高度超限的問題，同時計算的受拉鋼筋面積也會因考慮受壓鋼筋影響而偏小，這樣能在一定程度上解決梁端鋼筋過于擁擠的問題。

3 預制疊合梁設計

3.1 預制疊合梁端接縫設計

結合預制疊合梁端結合面的受剪承載力，如新舊混凝土結合面的黏結力、鍵槽和后澆混凝土疊合層的抗剪力、梁縱向鋼筋的抗剪作用等，對預制疊合梁構件進行梁端構造設計、梁端抗剪設計。

預制疊合梁端部及與后澆混凝土的結合面應設置粗糙面,要求骨料凹凸深度不應小于6 mm。梁端同時設置鍵槽，鍵槽構造滿足規程規定。

框架疊合梁的后澆混凝土疊合層厚度不小于150 mm，可按矩形截面梁設計。

梁端接縫的正截面承載力應符合現行國家標準的規定。

按規程第7.2.2條進行預制疊合梁端接縫的抗剪承載力計算，應同時滿足規程第6.5.1條梁端抗剪驗算規定。對于梁端箍筋加密區等裝配整體式結構的控制區域，梁端接縫要實現強連接設計要求，即預制疊合梁端接縫的抗剪承載力設計值大于被連接梁構件端部斜截面受剪承載力 （混凝土截面、實配箍筋面積）設計值乘以強連接系數，以保證預制疊合梁不在接縫處發生損壞。本項目框架抗震等級為二級，梁端接縫受剪承載力增大系數為1.2。

3.2 預制疊合梁縱向鋼筋在節點中錨固

框架梁柱節點根據所在位置不同，分為框架中間層端節點、框架中間層中間節點、框架頂層端節點和框架頂層中間節點四種。現僅以現場施工較為復雜的框架中間層中間節點為例進行介紹，預制框架柱縱向鋼筋在梁柱節點內貫通，梁縱向鋼筋伸入中柱節點錨固設計。

3.2.1 梁上部縱筋

因梁上部縱筋為疊合層后澆混凝土現場施工放置，在中間節點內錨固構造按現行國家規范、國標圖集《混凝土結構施工圖平面整體表示方法制圖規則和構造詳圖》（現澆混凝土框架、剪力墻、梁、板）16G101-1和 《混凝土結構施工鋼筋排布規則與構造詳圖》（現澆混凝土框架、剪力墻、梁、板）18G901-1規定。框架中間層中間節點，相交于同一柱的雙向梁（4根）頂標高相同，且當梁頂鋼筋為兩排及以上設計時，應按現行規范進行梁頂和梁節點鋼筋排布，同時對預制疊合梁后澆層厚度150 mm進行尺寸復核。如不滿足，也可采用梁頂縱筋并筋配置。

以5軸交B軸的KL6交KL13中柱節點為例進行分析（如圖1所示），梁梁疊合層頂筋排布構造（如圖2所示）。

3.2.2 梁側腰筋

梁側腰筋有受扭縱筋和構造鋼筋兩種。

梁側為受扭縱筋設計時，應按梁側受扭縱筋和梁頂（底）角筋，沿截面周邊均勻對稱布置為原則，且間距不應大于200 mm及梁截面短邊長度。受扭縱向鋼筋應按梁下部受拉縱筋錨固在支座內。

梁側為構造鋼筋設計時，由于預制構件的收縮在工廠生產時已經基本完成，為簡化安裝，現行標準[5]規定，梁側構造鋼筋可不伸入梁柱節點核心區。

圖1 框架梁柱二層中間節點

圖2 梁疊合層頂筋排布構造

3.2.3 梁下部縱筋

現行規范規定，根據梁端計算條件不同，梁下部縱筋在節點錨固要求不同。當梁端計算不利用該鋼筋的強度時，梁底縱筋伸入節點或支座的錨固長度不小于12 d（帶肋鋼筋）和15 d（光面鋼筋），d為鋼筋的最大直徑。當梁端計算僅利用該鋼筋的抗壓強度時，梁底縱筋伸入節點或支座的錨固長度不應小于0.7La（0.7LaE），且要求受壓鋼筋不應采用末端彎鉤和一側貼焊錨筋的錨固措施。當梁端計算中利用鋼筋的抗拉強度時，鋼筋可采用直線方式錨固在中間支座內，且錨固長度不應小于La（LaE）。

考慮預制構件加工及安裝的便利性，本項目梁下部縱筋采用鋼筋端部加錨固板的機械錨固方式。鋼筋錨固板的材質、鋼筋絲頭加工、錨固板的安裝、檢驗與驗收均應滿足現行規程[6]規定。

在結構設計參數中已經選擇“框架梁梁端配筋考慮受壓鋼筋影響”，但當水平荷載較大或相鄰跨的跨度相差太多時也有受拉的可能。梁端縱筋計算值除應滿足規程第11.3.6條第2款規定受壓鋼筋最小值要求外，同時根據梁正截面受彎承載力計算受拉鋼筋截面面積。以5軸交B軸的KL6交KL13中柱節點（圖1）為例，梁底縱筋為受拉鋼筋計算值，預制疊合梁下部縱筋采用部分錨固板時，鋼筋宜伸至柱對側縱向鋼筋內邊，錨固長度不應小于0.4Lb（0.4LaE）。結合同一節點梁構件吊裝順序，采用梁底縱向鋼筋豎向彎折避讓（先下后上），彎折角度不大于1∶6。梁底彎折位置附加構造縱筋，與梁底縱筋搭接長度滿足現行規范規定。預制疊合梁下部縱筋在節點內錨固設計如圖3所示。

圖3 預制疊合梁下部縱筋節點

3.3 預制疊合梁底縱向鋼筋的連接設計

裝配整體式框架節點中，如遇梁柱縱筋數量多且節點區鋼筋排布困難時，也可采用梁縱向鋼筋貫穿梁柱節點，在節點區外設置梁后澆段的連接方案。梁頂縱向鋼筋貫通后澆段并滿足現行規范規定，梁底縱筋在后澆段內采用搭接連接或機械連接，后澆段內箍筋加密設置，除滿足計算外，尚應滿足搭接區對箍筋直徑和間距的要求。

梁底縱向鋼筋在后澆段采用搭接連接時，搭接位置宜在節點外梁彎矩較小的1.5 hb以外，以避讓梁端塑性鉸區和箍筋加密區。

梁底縱向鋼筋在后澆段內采用機械連接時，為實現施工高效、接頭易檢測等質量保證措施，推薦采用擠壓套筒連接、YK可調組合鋼筋接頭等形式，接頭的各項性能指標應滿足現行規程I級接頭規定。后澆段鋼筋機械連接構造可參見現行標準第5.6.6條梁后澆段縱筋擠壓套筒連接設計的相關規定要求。但應注意，梁后澆段縱筋連接位于框架梁端箍筋加密區時，梁后澆段長度應同時考慮鋼筋機械接頭率不應大于50%的規定[7]。

4 結論和建議

項目裝配式設計全過程，統籌設計與預制構件生產、安裝、現場施工的工作界面協同，根據結構概念、方案和傳力途徑等確定預制構件拆分及連接方式，以此為基礎進行結構計算、構件設計及連接設計。在裝配整體式框架節點設計中，預制疊合梁縱向鋼筋在節點中錨固和連接方式是決定施工可行性及節點受力性能的關鍵。預制疊合梁縱向鋼筋在節點中錨固和連接設計，從設計參數、計算方法入手，使得構件計算結果準確、合理。預制構件接縫構造符合規范規定，接縫連接滿足“強節點弱構件”設計要求，并充分考慮構件鋼筋合理排布和高效鋼筋連接技術等施工措施，保證節點受力、鋼筋連接安全可靠，真正實現提高產品質量、提高現場施工效率的裝配式建造目標。