装配式混凝土结构节点设计及施工协调

前言
近年来，装配式混凝土结构在国内已有不少工程应用，然而装配式混凝土结构的施工质量仍存在各种问题。本文从“节点设计、施工协调、软件平台”三个方面，讨论装配式混凝土结构设计中需要考虑的具体技术问题及平台支撑，可为设计与施工提供一定参考。


一、节点和连接设计原则
1、装配式结构应重视构件连接节点的选型和设计。连接节点的选型和设计应注重概念设计，满足耐久性要求。并通过合理的连接节点与构造，保证构件的连续性和结构的整体稳定性，使整个结构具有必要的承载能力、刚性和延性，以及良好的抗风、抗震和抗偶然荷载的能力，并避免结构体系出现连续倒塌。


2、应根据设防烈度、建筑高度及抗震等级选择适当的节点连接方式和构造措施。重要且复杂的节点与连接的受力性能应通过试验确定，试验方法应符合相应规定。


3、装配式结构的节点和连接应同时满足使用和施工阶段的承载力、稳定性和变形的要求；在保证结构整体受力性能的前提下，应力求连接构造简单，传力直接，受力明确；所有构件承受的荷载和作用，应有可靠的传向基础的连续的传递路径。


4、承重结构中节点和连接的承载能力和延性不宜低于同类现浇结构，亦不宜低于预制构件本身，应满足“强剪弱弯，更强节点”设计理念。


5、宜采取可靠的构造措施及施工方法，使装配式结构中预制构件之间或者预制构件与现浇构件之间的节点或接缝的承载力、刚度和延性不低于现浇结构，使装配式结构成为等同现浇装配式结构。


6、当节点连接构造不能使装配式结构成为等同现浇型混凝土结构时，应根据结构体系的受力性能、节点和连接的特点采取合理准确的计算模型，并应考虑连接和节点刚度对结构内力分布和整体刚度的影响。


7、预制构件的连接部位应满足建筑物理性能的功能要求。预制外墙及其连接部位的保温、隔热和防潮性能应符合现行国家标准《民用建筑热工设计规范》GB 50176和国家现行相关建筑节能设计标准的规定。必要时，应通过相关的试验。


二、以剪力墙结构节点和接缝设计为例
1、预制剪力墙的顶面、底面和两侧面应处理为粗糙面或者制作键槽，与预制剪力墙连接的地梁上表面和圈梁上表面也应处理为粗糙面。粗糙面露出的混凝土粗骨料不宜小于其最大粒径的1/3，且粗糙面凹凸不应小于6mm。


2、对高层预制装配式剪力墙结构，楼层内相邻预制剪力墙的连接应符合下列规定：


构造如图2-1所示
边缘构件应现浇，现浇段内按照现浇混凝土结构的要求设置箍筋和纵筋；预制剪力墙的水平钢筋应在现浇段内锚固，或者与现浇段内水平钢筋焊接或搭接连接。






构造如图2-2所示
相邻预制墙片之间如无边缘构件，应设置现浇段，现浇段的宽度应同墙厚，现浇段的长度，当预制剪力墙的长度不大于1500mm时不宜小于150mm，大于1500mm时不宜小于200mm；现浇段内应设置竖向钢筋和水平环箍，竖向钢筋配筋率不小于墙体竖向分布筋配筋率，水平环箍配筋率不小于墙体水平钢筋配筋率；预制剪力墙的水平钢筋应在现浇段内锚固，或者与现浇段内水平钢筋焊接或搭接连接。






现浇部分的混凝土强度等级应高于预制剪力墙的混凝土强度等级两个等级或以上。


3、上下层相邻预制剪力墙的连接应符合下列规定：


（1）预制剪力墙底与现浇圈梁之间应座浆，座浆宜采用高强灌浆料或者干硬性水泥砂浆，座浆厚度不宜大于20mm，其立方体抗压强度应高于预制剪力墙混凝土立方体抗压强度10MPa或以上，且不应低于60MPa；


（2）预制剪力墙的竖向钢筋可采用浆锚套筒连接、浆锚搭接连接，见图3。连接构造应符合2～3条及相关规范的要求。


























4、预制板的外伸板底钢筋
预制板的外伸板底纵筋俗称“胡子筋”，无论对构件的生产制造、运输，还是安装，胡子筋的存在都是不利因素，是否可以不留设胡子筋是一个有争议的问题。在规程JGJ 1中也是用“宜”作为推荐性规定；在国家建筑标准设计图集《装配式混凝土结构连接节点构造（楼盖和楼梯）》15G310—1中，则给出了预制板无外伸板底纵筋的做法，但要求采用桁架钢筋预制板，且后浇叠合层厚度大于80mm，并附加板底连接纵筋。国外还有采用弯折钢筋的情况，以便于构件侧模的设置。对于胡子筋的作用以及不留设胡子筋的设计方法值得进一步研究。




5、双向叠合板的拼缝设计
对于双向叠合板的整体式拼缝，设计时应考虑减小搭接长度，以降 低接缝宽度，双向叠合板的拼缝宜设置在受力较小部位。目前，有留设后浇带和密拼两种方式。国家建筑标准设计图集《装配式混凝土结构连接节点构造（楼盖和楼梯）》15G310—1给出了四种双向叠合板的拼缝做法和构造要求。对于密拼拼缝，施工较为方便，纵向钢筋采用间接搭接的方式，采用桁架钢筋预制板，且后浇叠合层厚度大于80mm。当采用塑性方法设计双向板时，密拼拼缝的塑性铰线位置和受弯承载力值得商榷。

6、组合封闭箍筋
组合封闭箍对施工较为方便，特别是梁面的纵向钢筋设置。组合封闭箍早 已为美国规范ACI 318采纳，国内也进行了相关试验研究，并为规程JGJ 1所采纳。但是与中国标准采用两端都是135°弯钩不同，美国标准采用的是一端135°、另一端90°，更便于施工。值得注意的是，国内工程设计时，由于箍筋肢距和箍筋弯钩直线段的要求，如采用多肢箍，弯钩将交叉，梁面纵筋难以放入，从而失去采用组合封闭的意义。此时，可将箍筋弯钩改为180°或采用并箍技术加以解决。




7、剪力墙连接
剪力墙的连接包括竖向接缝和水平接缝等，其施工质量不容乐观。规程JGJ 1中给出了剪力墙连接的详细规定，在此基础上，国家建筑标准设计图集《装配式混凝土结构连接节点构造（剪力墙）》15G310—2给出了剪力墙不同位置的各种连接方式及构造要求，可为设计提供参考。设计在选择连接节点时，应考虑施工的可行性，避免钢筋的碰撞，合理安排构件的吊装顺序，连接钢筋、箍筋、竖向钢筋等不得漏设。同时，要重视设计图纸审查和加强施工过程控制。

规程JGJ 1第3.0.6条规定：“预制构件深化设计的深度应满足建筑、结构和机电设备等专业以及构件制作、运输、安装等各环节的综合要求。”由此可见，深化设计要考虑到构件尺寸、纵向钢筋、箍筋、预埋吊件、临时支撑埋件、饰面、结合面、预留孔洞、预应力筋、保温层、预埋管线等。值得注意的是，《混凝土结构工程施工规范》GB 50666—2011第3.1.3条规定：“由施工单位完成的深化设计文件应经原设计单位确认。”

对“全过程的施工验算”的评析
规范GB 50666第9.2.1条规定：“装配式混凝土结构施工前，应根据设计要求和施工方案进行必要的施工验算。”装配式混凝土结构施工主要包括构件制作、运输与堆放、安装与连接三个阶段，其中在构件制作阶段，包括施加预应力，脱模起吊，厂内吊运、运输及堆放等环节；运输与堆放阶段包括装卸、运输、堆放等环节；安装与连接阶段包括场内翻转、场内堆放、吊装、临时支撑、后浇混凝土等环节。

全过程施工验算对象主要是预制构件、临时支撑、预埋吊件；验算工况主要为构件制作，吊运与运输，安装与连接；荷载取值主要为等效荷载、风荷载及施工活荷载。预制构件的验算要求为控制标准荷载组合下混凝土应力或钢筋应力，临时支撑与预埋吊件验算要求为安全系数法。



四、软件平台
为了适应装配式的设计要求，PKPM编制了装配式住宅设计软件PKPM-PC，提供了预制混凝土构件的脱模、运输、吊装过程中的计算工具，实现整体结构分析及相关内力调整、连接设计，在BIM平台下实现预制构件库的建立、三维拆分与预拼装、碰撞检查、构件详图、材料统计、BIM数据直接接力到生产加工设备。PKPM-PC为广大设计单位设计装配式住宅提供设计工具，提高设计效率，减小设计错误，推动了住宅产业化的进程。