鋼結構+全預制混凝土樓板體系標準化設計及應用*

曹計栓,蘇 磊,王繼生,韋振飛,劉步芳

(北京市住宅產業化集團股份有限公司,北京 100079)

0 引言

近年來,隨著國家及省市相關政策的頒布,鋼結構建筑發展異軍突起,尤其是在學校、醫院領域的應用較為突出,鋼結構具有抗震性能強、綠色、環保、施工速度快、可重復利用等特點,是當前我國裝配式建筑發展的重要支撐。目前,全國部分省份積極推廣鋼結構住宅體系的研究和實踐,在鋼結構商品房、集中安置房細分領域均取得相關建設經驗和科技成果,但在建設實踐中發現大量制約鋼結構住宅發展的問題,主要包括鋼結構住宅標準化程度不夠高、鋼結構焊接量大、樓板施工存在大量濕作業。本文將鋼框架梁柱設計為全螺栓連接,樓板設計為全預制混凝土樓板,通過標準化鋼框架和全預制混凝土樓板部件實現戶型統一化,總結得到標準化低層、多層保租房裝配式鋼結構及樓板體系,并在北京市某保租房項目中進行實踐應用。

1 建筑方案設計全專業協同

保租房南區樓座平面布局設計為一字形、L形、U形,為最大限度實現保租房戶型標準化,建筑方案設計階段統籌結構、內裝、外圍護、設備與管線等專業進行反復推敲,將所有樓座戶型中間統一設計為走廊,走廊兩側統一為戶內臥室和衛生間,平面軸網為矩形,軸網開間尺寸統一為5.6m,進深尺寸統一為6.6m,走廊寬度統一為2.7m,管井統一設置在走廊位置。為實現大空間效果,考慮后期為內部空間改造升級留有可能,結構采用鋼框架體系,走廊兩側鋼框架梁上留設管線洞口,保證房間凈高,提高空間使用舒適性。建筑設計實現標準化還應統籌考慮鋼框架和樓板快速裝配、管線綜合標準化程度,部品裝配化集成建造效率、部品部件加工制作成本等因素,找出建筑產品標準化的最大公約數,實現建筑產品設計方案最優。

2 鋼結構標準化設計

由于保租房建造工期短,為保證鋼結構快速裝配,考慮前端加工廠制作效率,將結構體系設計為鋼框架結構形式,如圖1所示。采用矩形鋼管柱,鋼梁采用熱軋H型鋼,鋼柱與鋼梁懸臂段端部呈Z字形的截面采用全螺栓連接形式進行連接,如圖2所示,實現梁柱無焊接連接,安裝快捷。

圖1 鋼框架模型

圖2 鋼框梁柱連接節點

2.1 鋼框架深化設計

鋼結構建筑設計高度為6層,其中地下1層、地上5層。鋼結構主體施工前,應進行鋼框架和全預制混凝土樓板的安裝策劃,明確鋼框架和樓板的安裝順序。為減少現場焊接工作量,考慮鋼框架安裝和樓板吊裝功效,將鋼框柱豎向拆分為2段,即2個“一柱三層”。

2.2 高強螺栓安裝優化

在深化設計階段,考慮鋼框梁高度及高強螺栓安裝施工扭剪型電動扳手操作空間,將鋼梁翼緣連接高強螺栓安裝優化設計為螺母朝向預制樓板面一側,為此,需在預制樓板與鋼梁高強螺栓螺母貼合面位置留設凹槽,如圖3所示。

3 樓板標準化設計及拆分

在建筑方案設計階段,為提高樓板裝配率及最大限度地減少樓板后澆混凝土工程量,創新設計匹配鋼框架體系的全預制混凝土樓板。實現全預制混凝土樓板的快速裝配前提條件是在建筑方案設計階段反向提出鋼框架平面軸網宜為矩形,樓板構件平行于鋼框架平面短方向布置,如圖4所示,便于樓板構件快速裝配施工。

圖4 全預制樓板布置

3.1 標準化設計

考慮全預制樓板構件承載力及減重設計,將全預制混凝土樓板總厚度設計為230mm,樓板縱橫向布置肋梁,肋梁間填充120mm厚聚苯板,其中衛生間降板區域樓板厚170mm,樓板中間填充60mm厚擠塑聚苯板,經計算,全預制樓板自重較實心樓板輕30%,承載力與實心樓板相同,達到減重不減承載力的效果。預制樓板鋼筋配置以陽臺板為例,設計如圖5所示。樓板下表面與鋼梁上翼緣高強螺栓貼合面留設凹槽,保證板面安裝后的平整度,樓板板面預留管線槽,方便設備管線鋪設,實現主體結構與設備管線分離,方便以后產品改造升級。樓板可實現局部降板,實現整體衛生間的功能需求。陽臺板為懸挑結構,將陽臺與內部樓板設計為一整塊樓板,達到懸挑陽臺的功能要求,考慮施工階段樓板安裝可實現免支模、免支撐施工,節約措施費,減少二次大面積澆筑混凝土,有效提高保租房鋼結構主體建造效率。

3.2 節點連接

若相鄰2塊全預制樓板采用直接拼縫,由于樓板厚度為230mm,拼縫間隙小,嵌縫材料不足,難以起到連接及封閉作用,后期裝修容易開裂,因此,在相鄰2塊預制板拼縫位置下部留設混凝土托板。為保障全預制樓板連接整體性,在樓板支座與鋼梁連接部位設置出筋錨環,在相鄰2塊板端的托板上部分別設計長錨環和短錨環,2個錨環交叉互錨,考慮安裝的便利性,長、短錨環相互錯開30mm在,在交叉區域設置2根鋼筋,如圖6所示。既保證了板與板節點間連接的整體性,又避免了頂板裝修開裂問題,節點連接區域澆筑混凝土實現免模板,便于全預制樓板快速裝配施工。

3.3 拆分及深化設計

全預制樓板拆分設計對樓板安裝功效有決定性影響,1個柱段的鋼框架共3層,因預制樓板吊裝時最高需跨過2層鋼梁,走廊區域軸線尺寸設計為2.7m×5.6m,應平行于短邊方向且沿長邊方向進行拆分,拆分后的樓板至少1個邊長小于軸線短邊2.7m,方能滿足豎向吊裝落位空間要求?？紤]走廊區域分布管井,因此經過計算,將走廊區域樓板拆分為3塊,兩側2塊為管井區域非標準板,中間1塊為標準板,每塊板尺寸約為2.7m×1.8m,滿足吊裝落位要求。戶內區域軸線尺寸設計為6.5m×5.6m,拆分原則同走廊區域,拆分后的樓板至少1個邊長小于短邊5.6m,方能滿足豎向吊裝落位空間要求?？紤]戶內有衛生間降板區域和懸挑陽臺及起重機吊重匹配,經過計算,將戶內樓板拆分為4塊,如圖4所示。衛生間降板區域為1塊非標準板,懸挑陽臺一體板為1塊非標準板,其余中間拆分成2塊標準板,每塊板與板間由長、短錨環相互咬合進行連接,因此,將懸挑陽臺一側深化設計為短錨環。為保證相鄰全預制混凝土樓板正常落位,將相鄰連接的標準板端設計為長錨環,由此類推,戶內標準板和衛生間降板的兩側均為長、短錨環,同樣走廊區域異形板和標準板間的連接亦為長、短錨環,如圖7所示。

圖7 走廊和戶內樓板拆分示意

4 全預制樓板荷載試驗

全預制混凝土樓板為創新設計,根據GB/T 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》和GB 50204—2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》及設計圖紙,對全預制混凝土樓板撓度變形、裂縫開展、混凝土應變、肋梁鋼筋應變、開裂荷載和極限荷載進行檢測。對2塊全預制混凝土樓板受力性能進行檢測,其中1塊針對預制底板開展試驗研究,另一塊針對疊合樓板開展試驗研究,試驗參數如表1所示,板尺寸如圖8,9所示。

表1 試驗參數

圖8 B1板詳圖

圖9 B2板詳圖

試驗采用分級加載方式,預制底板開裂前每級施加荷載1kN,每級加載完畢后持荷5min,如圖10所示。根據《混凝土結構試驗方法標準》,當試件出現裂縫1.5mm、撓度1/50、受壓區混凝土壓碎、達到承載力設計值標志時,即認為達到承載力極限狀態,應停止加載。

圖10 分級加載試驗

B1板荷載-位移曲線如圖11所示。當加載至最大荷載時,板跨中向下最大位移為35.22mm,板1/4跨位置向下位移為23.54mm。

圖11 B1板荷載-位移曲線

B2板荷載-位移曲線如圖12所示。當加載至最大荷載時,板跨中向下最大位移為11.88mm,板1/4跨位置向下位移為8.60mm。

B1,B2板試驗結果如表2所示。

表2 B1,B2板試驗結果

4.1 承載力驗算

按現行國家標準GB 50010—2010(2015年版)《混凝土結構設計規范》的規定進行檢驗,應滿足式(1)要求:

γ0u≥γ0[γu]

(1)

式中:γ0u為構件承載力檢驗系數實測值,即試件荷載實測值與荷載設計值(均包括自重)比值;γ0為結構重要性系數,按設計要求的結構等級確定,取1.0;[γu]為構件承載力檢驗系數允許值。

承載力驗算結果表明(見表3),預制底板和疊合板承載力均滿足《混凝土結構工程施工質量驗收規范》相關要求。

4.2 撓度驗算

依據《混凝土結構設計規范》規定的撓度允許值進行檢驗,滿足式(2)要求:

(2)

撓度檢驗允許值[as]應按式(3)進行計算:

[as]=[af]/θ

(3)

式中:θ為考慮荷載長期效應組合對撓度增大的影響系數,按《混凝土結構設計規范》確定;af為受彎構件撓度限值,按《混凝土結構設計規范》確定。

撓度驗算結果表明(見表4),所測預制底板和疊合板撓度滿足《混凝土結構工程施工質量驗收規范》相關要求。

由預制構件荷載試驗得出,預制混凝土夾心疊合樓板撓度變形、裂縫開展、混凝土應變、肋梁鋼筋應變、開裂荷載和極限荷載均滿足相關規范要求。

5 鋼結構主體快速裝配

5.1 鋼框架安裝

南區樓座平面布局為一字形、L形和U形,其中一字形樓座單層建筑面積約520m2,L形樓座單層建筑面積約1 000m2,2種平面布局的樓座設計均無變形縫,水平方向不分段。U形樓座單層建筑面積約2 000m2,依據變形縫的留設,水平方向分為3個施工段,在深化設計階段對鋼柱進行豎向拆分,考慮梁柱為全螺栓連接方式,因此,控制鋼柱安裝精度尤為重要。施工過程中,1個豎向柱段的鋼框架安裝遵循平面方向從樓座中間先開始安裝4根鋼柱同時拉結相應的1層鋼梁、逐漸向四周擴展的安裝步驟,目的是減小鋼框架安裝誤差累計。待1個豎向柱段的1層鋼梁安裝完成,再自下而上安裝上部鋼梁并對鋼框架進行整體校正和精確校正。由于梁柱為全螺栓連接,因此鋼框架安裝施工過程節省焊接和焊縫檢測工作,框架快速安裝校正合格且柱底灌漿完成后,方可進行全預制樓板安裝作業。

5.2 全預制樓板安裝

5.2.1吊具選擇及吊點設計

吊裝機具選用一字形吊裝梁,吊裝梁設計長度應同時小于走廊軸線尺寸和戶內軸線尺寸的最大值,便于吊裝樓板時能在走廊和戶內鋼框架內豎向下落至安裝層。吊點選擇根據全預制樓板設計,本著吊裝安全原則,在每塊樓板肋梁區域預埋4個錨板型預埋套筒,預埋套筒布置成矩形,配套選用萬向吊環,實現安全吊裝和快速吊裝需求。全預制樓板吊裝如圖13所示。

5.2.2安裝策劃

在建筑方案設計階段提出鋼框架為矩形截面,因此,全預制樓板吊裝路線首先應沿鋼框架長方向下落至安裝層,其次旋轉90°再精確落位至鋼梁上。

首個豎向柱段鋼框架安裝完成且鋼柱柱腳灌漿完成方可自下而上逐層安裝全預制樓板,第2個豎向柱段鋼框架安裝完成且鋼柱對接焊接完成后方可自下而上逐層安裝全預制樓板,考慮全預制樓板安裝過程對1個豎向柱段鋼框架的變形量影響最小,平面上安裝路線本著先安裝中間走廊區域樓板,其次安裝兩側戶內樓板,最后整體向四周逐步擴展的總體原則。

5.2.3安裝要點

根據預制樓板節點連接設計,經過分析,由于板與板節點連接是長、短環互錨,應本著長錨環壓短錨環的安裝方針,從一端開始向另一邊逐塊推進。安裝前,應對鋼梁標高進行抄測,并在鋼梁上翼緣測放出每塊全預制樓板定位線,需首先安裝帶短錨環的樓板,其次安裝中間標準板,使帶有長錨環的一側與短錨環互錨,且調整板端托板緊密貼實,依次類推直至安裝完成?？紤]到戶內懸挑陽臺一體板安裝時需向外推動再落位,為降低安裝落位調節難度,戶內樓板安裝原則是先安裝外側懸挑陽臺一體板,逐次安裝戶內標準版,最后安裝衛生間降板。全預制樓板安裝過程如圖14所示。陽臺一體板和衛生間降板板底與鋼梁高強螺栓貼合面凹槽邊緣要壓住鋼梁上翼緣5mm,以實現后澆混凝土時免支模板的目標。相鄰2個房間陽臺預制T形蓋板應及時安裝,走廊區域先安裝帶管井的非標準板,其次安裝中間標準板,最后安裝另一塊帶管井的非標準板。

當每層樓板安裝初步完成后,在相鄰2塊樓板連接節點放置縱向鋼筋,并與錨環上部綁扎牢固,鋼筋綁扎驗收合格后在相鄰2塊樓板拼縫非降板區域、降板區域和鋼梁支座區域的節點澆筑混凝土,如圖15所示?？紤]此部位有機電管線鋪設,需留設60mm高管線鋪設空間,采用裝修做法進行填實。

6 結語

1)該保租房項目在建筑方案設計階段,為實現大跨度大空間的可變功能,設計為鋼框架和全預制混凝土樓板結構體系,統籌考慮結構部件現場快速裝配,最大限度地提高了建筑產品標準化程度。

2)該鋼結構梁柱設計為全螺栓連接方式,大大減少了現場焊接和焊縫檢測工作量,縮短鋼結構安裝工期。

3)通過對全預制樓板標準化設計及拆分,提高全預制混凝土樓板安裝效率,并極大地減少了樓板后澆混凝土工程量,同時也實現了板與板間拼縫免支模,節約施工成本。

4)在建筑設計方案階段提前介入,考慮結構部件裝配施工可行性,通過精密的安裝策劃,在鋼結構及預制樓板快速裝配施工等方面發揮了裝配式鋼結構住宅結構體系標準化高效建造的特點。