浅谈装配式混凝土结构设计中的施工问题

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“设计-制作-施工”协调以及全过程的施工验算两个角度，讨论装配式混凝土结构设计中需要考虑的施工问题，可为设计与施工提供参考。


1、对“设计-制作-施工”协调的理解
《装配式混凝土结构技术规程》JGJ 1—2014（以下简称规程JGJ 1）第3.0.1条规定： “在装配式建筑方案设计阶段，应协调建设、设计、制作、施工各方之间的关系，并应加强建筑、结构、设备、装修等专业之间的配合。”下面通过以下几个问题，讨论如何实现“各方协调”和“各专业配合”。


1）生产线与生产工艺?预制构件的形状、预制构件的表面处理、预应力筋的张拉等与构件厂的生产线有很大的关系，例如当采用自动机械化流水线生产时，预制剪力墙宜采用一字形。因此，进行装配式结构设计前，设计方应对当地构件厂的生产线与生产工艺进行充分调研。






2）预制构件的重量和形状?运输设备、吊装设备以及临时支撑等的选择与预制构件的重量、形状有很大关系。因此，装配式混凝土结构拆分设计时，除考虑结构的受力外，尚需考虑运输、安装、连接等设备、设施的能力，做到安全、经济，避免不必要的浪费。


3）各专业的充分考虑?预制构件设计时，除满足结构性能的需求外，还要充分考虑建筑、机电、装修等专业的需求，特别是对预埋件和预埋管线，避免预制构件制作后或安装后再在构件上开槽、打洞。






4）叠合板的厚度?根据规程JGJ 1的规定，叠合板的预制板厚度不宜小于60mm，后浇混凝土叠合层厚度不应小于60mm。但对于住宅建筑，由于布置管线的需要，后浇混凝土层厚度往往取80mm，即叠合板的总厚度达到140mm，此厚度对4m以下跨度的板是欠经济的，特别是设计采用HRB400级钢筋时。因此，需要优化管线的布置以避免增加后浇层的厚度，也可以采用预应力技术减小预制板的厚度，以及在建筑设计时考虑加大的开间、进深，使得叠合板的应用更为经济合理。






5）桁架钢筋预制板?桁架钢筋预制板是目前最为流行的预制底板构件。桁架钢筋的设置主要用于加强预制构件脱模起吊、施工吊运以及构件安装时的性能，同时还可以提高叠合面的受剪承载力，但桁架钢筋的设置是要加大楼板的配筋量的，因此，设计时可以考虑利用桁架钢筋的下弦杆。桁架钢筋一般沿主受力方向布置，其下弦杆与另一方向纵筋的相对位置需要设计确定。例如，当预制板采用焊接钢筋网时，桁架钢筋的上弦杆置于网片之上，其混凝土保护层厚度增大，需注意验算该方向的受弯承载力和裂缝。此外，考虑其预埋深度较浅，当吊点设置在桁架钢筋上时，尚应考虑加强吊点处的锚固。






6）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。






7）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。


8）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135o弯钩不同，美国标准采用的是一端135o、另一端90o，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180o或采用并箍技术加以解决。




9）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。


10）结合面的粗糙化?根据规程JGJ 1的规定，预制构件与后浇混凝土、灌浆料、坐浆材料的结合面应设置粗糙面、键槽。结合面的粗糙化和施工清洁，对受力性能有很大影响，然而目前有很多设计和施工单位未能加以重视，也有由于客观原因未能准确设置。例如，有些预制构件厂为钢结构构件厂改造而成，不具备对构件表面进行露骨料处理的生产条件，而设计又要求采用粗糙面，构件厂只能采用凿毛处理，但对于高强混凝土构件，人工凿毛的难度很大、质量难以保证，此时如设置键槽也是强于设置不合格的粗糙面的。


11）临时支撑?装配施工过程中，预制构件大多是非完整的构件。国家标准《混凝土结构工程施工规范》GB 50666—2011（以下简称规范GB 50666）规定：“预制构件安装就位后应及时采取临时固定措施。预制构件与吊具的分离应在校准定位及临时固定措施安装完成后进行。临时固定措施的拆除应在装配式结构能达到后续施工要求的承载力、刚度及稳定性要求后进行。”对于不同构件，其临时支撑的形式多种多样，例如对于预制梁，可在其支座处设计临时牛腿，也可在梁下设置支架。设计时，可以采用临时支撑调整预制构件的受力状态，使其满足相关标准的要求。


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。”


2、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。


2.1 预制构件验算工况及荷载取值
预制构件制作主要考虑预制构件脱模和预应力施加两个工况的验算。根据规程JGJ 1第6.2.3条，预制构件脱模等效静力荷载标准值应取构件自重标准值乘以动力系数后与脱模吸附力之和，且不宜小于构件自重标准值的1.5倍，其中动力系数不宜小于1.2，而脱模吸附力应根据构件和模具的实际状况取用，且不宜小于1.5MPa。值得注意的是，对于脱模吸附力的取值，规程JGJ 1与规范GB 50666有一定的区别。另外，根据《工程结构可靠性设计统一标准》GB 50153—2008，可将预应力视为一种作用，工程上一般采用等效荷载法进行预应力作用效应分析。


2.2 预制吊运与运输验算工况及荷载取值
预制吊运与运输环节，应考虑吊运、运输过程中产生的动荷载和冲击力，通过引入动力系数来考虑；施工规范对吊运阶段的动力系数取1.5；当有可靠经验时，动力系数可根据实际受力情况适当增减。


2.3 预制构件安装与连接验算工况及荷载取值
预制构件安装与连接环节，对简支受弯构件，主要考虑自重的作用；对于叠合受弯构件，尚需考虑混凝土现浇层的自重及施工活荷载（可取1.5kN/m2）；对于竖向构件，则尚需考虑风荷载等水平方向作用（风荷载标准值按10年一遇取，详见规范GB 50666附录A）。当自重为不利作用时，应通过动力系数考虑由于固定时产生振动和冲击力效应，施工规范取该系数为1.2；当自重为有利作用时，如进行抗倾覆或抗滑移验算时，动力系数则应取1.0。


2.4 验算基本内容和方法
2.4.1 验算内容
根据《工程结构可靠性设计统一标准》GB 50153—2008第4.2.1条规定，施工阶段属于短暂设计状况，应进行承载能力极限状态设计；第4.3.1条规定，可根据需要进行正常使用极限状态设计；第4.1.2条对这两种极限状态均要求给出明确的标志或限值。


2.4.2 验算方法
根据《工程结构可靠性设计统一标准》GB 50153—2008第1.0.3条规定，工程结构设计宜采用概率理论为基础，以分项系数表达的极限状态设计方法；当缺乏统计资料时，工程结构设计可根据可靠的工程经验或必要的试验研究进行，也可采用容许应力或单一安全系数等经验方法进行。


2.4.3 预制构件验算基本要求
对预制构件的施工验算，国内外现行规范大多要求在荷载标准组合下验算混凝土应力。采用应力验算方法，既可控制裂缝，又可起到保证安全的作用。对于预应力混凝土构件，大多数规范是不允许其开裂的，且对预应力施加时的要求和其他工况有所区别；对于普通钢筋混凝土构件，除一些特殊情况外，如脱模起吊时或建筑要求较高的外墙挂板、桁架钢筋预制板等，则大多是可以开裂的。


规范GB 50666第9.2.3条规定： “钢筋混凝土和预应力混凝土构件正截面边缘的混凝土法向压应力和拉应力满足：





规范GB 50666第9.2.4条 规定：“施工过程中允许出现裂缝的钢筋混凝土构件，其正截面边缘混凝土法向拉应力限值可适当放松，但开裂截面处受拉钢筋应力应满足：




试验研究和算例分析表明，对于配置500MPa及以下级别钢筋，当受拉钢筋应力满足上述要求时，短期裂缝宽度不会过宽，且承载力安全仍有保证。


2.4.4 预埋吊件、临时支撑验算基本要求
规范GB 50666第9.2.4条，对预埋吊件、临时支撑的施工验算，采用安全系数法进行设计：





式中：Kc为施工安全系数，对临时支撑，取2.0；对临时支撑的连接件、预制构件中用于连接临时支撑的预埋件，取3.0；对普通预埋吊件，取4.0；对多用途的预埋吊件，取5.0；对采用HPB300制作的吊环，按照现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010进行设计；Sc为施工阶段荷载标准组合作用下的效应值；Rc按材料强度标准值计算或根据试验统计确定的预埋吊件、临时支撑的承载力。


2.5 预制构件吊运
预制构件吊运包括平吊、直吊、翻转吊等。规范GB 50666给出了预制构件吊运的基本要求，并给出了预埋吊件的施工安全系数要求。专用预埋吊件构造比较复杂，实际承载力计算缺少相关公式可依据，需要通过试验加以确定。但是，目前我国缺乏专用预埋吊件性能检验的试验标准。因此，应用专用预埋吊件时，应严格遵守产品应用技术手册的要求。






2.6 预制构件验算的最不利工况
对于水平构件而言，大多采用平躺方式制作，其最不利的荷载工况可能是脱模起吊时；叠合构件，当没有设置竖向临时支撑时，其最不利的荷载还可能出现在浇筑混凝土时；竖向构件，有些也采用平躺方式制作，也可能采用水平方式吊运和运输，即施工阶段的受力与其作为正式结构构件的受力状态完全不同，此种情况下构件的配筋可能由施工阶段控制。


对于柱、墙板等竖向构件，安装后大多会及时设置临时支撑，对此种施工状态只需对支垫和临时支撑进行验算即可。采用临时支撑时，应符合下列规定：每个预制构件的临时支撑不宜少于2道； 对预制柱、墙板的上部斜撑，其支撑点距离底部的距离不宜小于高度的2/3，且不应小于高度的1/2； 构件安装就位后，可通过临时支撑对构件的位置和垂直度进行微调。

3、结语
本文讨论了装配式混凝土结构设计中需要考虑的施工问题，仅代表个人的看法。由于学识和经验有限，对相关标准和资料的理解可能不够准确，如有不妥或错误，敬请广大读者批评指正。

作者：同济大学 赵?勇