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【技術分享】裝配式混凝土建筑結構技術標準與規程
本文作者:admin      發布時間:2019-07-17
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裝配式混凝土建筑結構技術標準與規程
 

裝配式混凝土結構指由預制混凝土構件或部件裝配、連接而成的混凝土結構。建筑工程中采用裝配式混凝土結構,具有工業化水平高、建造速度快、施工質量佳、減少工地揚塵和減少建筑垃圾等優點,可以提高建筑質量和生產效率,降低成本,有效實現“四節一環保”的綠色發展要求。裝配式混凝土建筑結構(下文簡稱“裝配式結構”)在美國、歐洲、日本、新西蘭等以及我國的臺灣、香港地區都有廣泛應用。

近年來,在我國大陸地區的應用也開始擺脫低谷,并呈上升趨勢。國務院辦公廳關于轉發發展改革委、住房城鄉建設部綠色建筑行動方案的通知(國辦發[2013]1號)中,將“推動建筑工業化”作為綠色建筑行動方案一項重要任務,并明確指出要“推廣適合工業化生產的預制裝配式混凝土、鋼結構等建筑體系,加快發展建設工程的預制和裝配技術,提高建筑工業化技術集成水平”。

本文對裝配式結構相關的國內外標準進行梳理,討論相關的設計、施工和驗收等關鍵技術問題,并分析我國現行標準體系存在的不足,可為相關標準的制訂、完善以及工程應用提供參考。

 

 國內外相關標準體系

 

中國標準

我國現行的工程建設標準包括國家標準、行業標準、地方標準和協會標準等級別,我國的裝配式結構設計、施工、驗收等相關的主要技術標準見表1。工程建設標準與相關技術在工程中推廣應用狀況密切相關,有較強的時代烙印。上世紀70~80年代,特別在改革開放初期,裝配式結構的應用曾經有過一個高潮,大量的住宅建筑和工業建筑采用了裝配式技術。結合我國當時的應用情況,原建設部組織修編了國家標準《預制混凝土構件質量檢驗評定標準》、行業標準《裝配式大板居住建筑設計和施工規程》以及協會標準《鋼筋混凝土裝配整體式框架節點與連接設計規程》等,并與上世紀90年代出相繼發布實施。之后,由于種種原因,裝配式結構的應用,尤其是在民用建筑中的應用逐漸減少,迎來了一個相對低潮階段。但隨著國民經濟的持續快速發展、節能環保要求的提高、勞動力成本的不斷增長,近十年來,我國在裝配式結構方面的研究與應用逐漸升溫。為了滿足我國裝配式結構工程應用的需求,根據原建設部建標[2003]104號文的要求,由中國建筑標準設計研究院和中國建筑科學研究院會同有關單位編制了行業標準《裝配式混凝土結構技術規程》(JGJ1),該規程目前已經進入了報批階段。此外,上海市、北京市、深圳市、遼寧省、黑龍江省、安徽省以及江蘇省也相繼編制了相關的地方標準。由表1可以看出,我國各種專項技術標準大多是以“結構體系”為主體編制,如南斯拉夫“INS”體系、世構體系、潤泰體系等,各技術標準又都包含了設計、施工及驗收等內容,但其中有些內容是重復的,甚至有些規定還不協調,這是有待解決的問題。

表1 中國裝配式混凝土結構相關標準

 

美國標準

美國的標準分為四類,即國家標準、政府技術文件(標準)、協會標準、企業標準,這些標準由政府機構和非政政府組織兩個系統制定。在美國標準與規范是兩個有區別的概念。其中標準采用standard一詞,是指產品生產、經營的技術準則,是衡量技術規格、指標的尺度或水準,是自愿采用的;規范采用code一詞,是對工程活動中的行為方法要求,在設計、施工過程中的技術要求、規定,經批準作為法規,嚴格執行?!秶H建筑規范》(InternationalBuildingCode)IBC是美國各州和地方的立法機構批準的法規性文件。IBC2012采納《建筑及其他結構的最小設計荷載》(ASCE7-05)和《建筑結構混凝土規范》(ACI318-11),因此,規范ACI318也成為美國混凝土結構設計基礎性規范。另外,盡管NEHRP(國家地震減災規劃)并不具有規范效力,但由于其是聯邦應急管理局的技術文件,在美國也被當做規范采用。美國混凝土協會ACI有多個技術委員會組成,各技術委員會還編制了相應的標準、指南或技術報告,為混凝土結構的設計、施工、驗收等提供依據或參考,其中與裝配式結構相關的部分見表2。

表2 美國ACI的裝配式混凝土結構相關標準、指南與技術報告

 

預制與預應力混凝土協會PCI標準

總部位于美國的預制與預應力混凝土協會PCI編制的《PCI設計手冊》(以下簡稱“PCI手冊”),不僅在美國,而且整個國際上也是具有非常廣泛的影響力的。從1971年的第一版開始,PCI手冊已經編制到了第7版,該版手冊與IBC2006、ACI318-05、ASCE7-05等標準協調。除了PCI手冊外,PCI還編制了一系列的技術文件,包括設計方法、施工技術和施工質量控制等方面,如表3所示。

表3 PCI的裝配式混凝土結構相關技術標準

 

歐洲標準

1975年,歐洲共同體委員會決定在土建領域實施一個聯合行動項目。項目的目的是削除對貿易的技術障礙,協調各國的技術規范。在該聯合行動項目中,委員會采取一系列措施來建立一套協調的用于土建工程設計的技術規范,最終將取代國家規范。1980年產生了第一代歐洲規范,包括EN1990~EN1999(歐洲規范0~歐洲規范9)等。1989年,委員會將歐洲規范的出版交予歐洲標準化委員會,使之與歐洲標準具有同等地位。其中EN1992-1-1(歐洲規范2)的第一部分為混凝土結構設計的一般規則和對建筑結構的規則,是由代表處設在英國標準化協會的《歐洲規范》技術委員會編制的,另外還有預制構件質量控制相關的標準,如《預制混凝土構件質量統一標準》EN13369等。

國際結構混凝土協會fib標準

總部位于瑞士的國際結構混凝土協會fib于2012年發布了新版的《模式規范》(MC2010)。模式規范MC90在國際上有非常大的影響,經歷20年,匯集了5大洲44個國家和地區的專家的努力,修訂完成了MC2010。相較于MC90,MC2010的體系更為完善和系統,反映了混凝土結構材料的最新進展及性能優化設計的新思路,將會起到引領的作用,為今后的混凝土結構規范的修訂提供一個模式。MC2010建立了完整的混凝土結構全壽命設計方法,包括結構設計、施工、運行及拆除等階段。此外,fib還出版了大量的技術報告,為理解模式規范MC2010提供了參考,其中與裝配式混凝土結構相關的技術報告見表4,涉及了結構、構件、連接節點等設計的內容。

表4 fib的裝配式混凝土結構相關技術報告

日本標準

日本是裝配式混凝土結構應用最為成熟、廣泛的國家之一,并由非常完善的相關標準體系。日本的標準包括建筑標準法、建筑標準法實施令、國土交通省告示及通令、協會(學會)標準、企業標準等,涵蓋了設計、施工等內容,其中由日本建筑學會AIJ制定的裝配式結構相關技術標準和指南見表5。1963年成立日本預制建筑協會在推進日本預制技術的發展方面做出了巨版的版權,并將其翻譯、出版。

表5 日本建筑學會AIJ的裝配式混凝土結構相關技術標準和指南

 

新西蘭標準

新西蘭的裝配式結構的設計和施工主要按《混凝土結構標準》(第1、2部分)(NZS3101)、《混凝土施工規程》(NZS3109)及《一般結構設計及建筑設計荷載規范》(NZS4203)實施的。1991年,由位于基督城坎特伯雷大學的高等工程中心編制的《裝配式混凝土建筑結構應用指南》出版發行,并于1999年發行了第2版。

國內外標準主要技術內容

        上述相關標準和技術文件可分為混凝土結構通用標準和裝配式混凝土結構專用標準。相關標準主要技術內容比較見表6、7??梢钥闯觯?/span>

表6 通用標準的裝配式結構技術內容比較

表7 專業標準的裝配式結構技術內容比較

        (1)各標準體系均涵蓋了設計、施工的相關內容,但我國的設計規范GB50010的裝配式混凝土結構內容相對較少且分散,整體結構設計、構件連接、施工階段驗算等方面的規定不夠充分、具體,有待進一步修訂完善。

        (2)從裝配式結構體系上看,各標準主要針對的是剛性樓蓋、框架結構體系、剪力墻(結構墻)體系,另外還會包括建筑外掛墻板體系。各標準都非常重視結構的整體抗震性能,而且都有等同現澆型或裝配整體式結構設計要求。但是我國標準對其他類型的裝配式結構的技術規定仍有不足。

        (3)在我國的行業標準JGJ1從內容框架上相對較為完整,但與PCI手冊相比,在裝配式結構的抗火設計、溫度作用及隔聲性能、樓蓋振動控制等方面仍有待加強。

關鍵技術規定評析

 

 

結構體系設計

        等同現澆型

        等同現澆型裝配式混凝土結構,其構件及結構性能與現澆混凝土結構等同,因此從結構分析方法到構件設計方法、結構施工質量控制要求均可參照現澆混凝土結構的有關標準規定執行,可將其視為為采用裝配式施工的結構,而不是一種新型的或特殊的結構。我國相關標準中的裝配整體式混凝土結構即屬于等同現澆型。等同現澆型裝配式混凝土結構的關鍵是節點的構造,目前較為常用做法的特點為:

        1)節點區域的鋼筋構造(縱筋的錨固、連接以及箍筋的配置等)與現澆結構相同;

        2)縱向鋼筋采用機械連接和焊接技術,特別是鋼筋灌漿套筒連接;

        3)節點區域的混凝土現澆;

        4)采用剛性樓蓋,如疊合樓蓋等。但對于一些情況,如高層建筑裝配式剪力墻的邊緣構件,會帶來施工難度的增大。當然,隨著今后研究深入開展,將可以真正從結構性能的角度去評價相關結構構造做法是否達到等同現澆。

結構類型

        根據我國行業標準JGJ1,裝配式結構可采用以下結構類型:

        1)裝配式混凝土結構:由預制混凝土構件或部件通過各種可靠的連接方式裝配而成的混凝土結構;

        2)裝配整體式混凝土結構:由預制混凝土構件或部件通過采用各種可靠的方式進行連接,并與現場澆筑的混凝土形成整體的裝配式結構;

        3)裝配整體式混凝土框架結構:框架梁、柱全部或部分采用預制構件的裝配整體式混凝土結構;

        4)裝配整體式混凝土剪力墻結構:剪力墻全部或部分采用預制構件的裝配整體式混凝土結構;

        5)裝配式混凝土墻板結構:全部或部分采用預制墻板裝配而成的多層混凝土結構。

        美國標準ACI550.1R-09指出,等同現澆型裝配式結構可采用:結構墻體系(StructuralWalls)、盒子結構體系(BoxStructure)、框架結構體系(MomentResistingFrames)和剪力墻-框架結構體系等,并且可根據建筑所處的地震情況采用整體結構、延性連接、延性構造等連接方法。

        結構高度限制

        對裝配整體式結構的適用高度,行業標準JGJ1參照了《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3)中的規定并適當調整。根據國內外多年的研究成果,在地震區的裝配式框架結構,當采取了可靠的節點連接方式和合理的構造措施后,裝配式框架結構性能可以等同現澆混凝土框架結構。因此,對裝配整體式框架結構及裝配整體式框架-現澆剪力墻結構中的框架部分,當節點及接縫采用適當的構造并滿足本規程中相關條文的要求時,可認為其性能與現澆結構基本一致,其最大適用高度與現澆結構相同。裝配整體式剪力墻結構中,墻體之間的接縫數量多且構造復雜,接縫的構造措施及施工質量對結構整體的抗震性能影響較大,使裝配整體式剪力墻結構抗震性能很難完全等同于現澆結構,另外,由于裝配式剪力墻結構的研究相對較少且工程應用也不多,因此,有必要對裝配式剪力墻結構采取從嚴要求的態度,與現澆結構相比適當降低其最大適用高度。

        結構整體穩固性

        對于裝配式結構應加強結構整體穩固性,保證當發生火災、爆炸、撞擊或人為錯誤等偶然事件時,結構整體能保持穩固且不出現與起因不相稱的破壞后果的能力,如應防止其連續倒塌。保證結構整體穩固性的措施主要有:減小偶然作用效應,避免重要構件及關鍵傳力部位直接遭受偶然作用,在結構容易遭受偶然作用影響的區域增加冗余約束、布置備用的傳力途徑,配置貫通水平、豎向構件的鋼筋并與周邊構件可靠地錨固,設置結構縫已控制可能發生連續倒塌的范圍等。

結構設計的作用與作用組合

        對于工程結構設計,需要考慮持久、短暫、偶然和地震等四個設計狀況。裝配式混凝土結構的分析方法與現澆混凝土結構的主要區別在于短暫設計狀況,即施工階段的驗算。對于施工階段,預制構件在脫模、翻轉、運輸、安裝等各工況的施工驗算,應將構件自重標準值乘以動力系數后或附加脫模吸附力后作為等效靜力荷載標準值進行分析。裝配式結構上的作用及作用組合應根據國家現行標準《建筑結構荷載規范》(GB50009)、《建筑抗震設計規范》(GB50011)、《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3)和《混凝土結構工程施工規范》(GB50666)等確定。

預制構件設計

        (1)構件拆分

        對預制構件進行正確、合理的拆分是裝配式結構設計的重要工作,它對建筑立面、結構受力、工程造價等都會產生影響。構件拆分時,預制構件的設計應滿足建筑模數協調,預制構件的連接部位盡量設置在構件受力較小的部位,并應盡量減少預制構件的種類,保證模板能夠多次重復使用,使預制構件便于生產、運輸、堆放、安裝及質量控制。圖1為某框架結構的拆分示意,預制構件的形式可為一字形、T形、十字形、Г形、├形及豎向樹形和水平樹形等,框架梁柱節點可為現澆或預制。

圖1 預制框架的拆分示意

        (2)構件設計

        預制構件的設計方法與現澆結構構件的基本相同,其主要區別在于施工階段的驗算。施工階段的預制構件主要承受自重的作用,并將自重標準值乘以脫模吸附系數或動力系數得到等效荷載的標準值,以考慮脫模、振動等不利影響。在國內外現行規范中,大多采用控制荷載標準組合下的應力進行預制構件的施工驗算。采用應力控制法進行預制構件施工驗算,一方面,可以回避自重荷載分項系數取值問題;另一方面,控制混凝土應力或鋼筋應力,既可控制裂縫,又可起到保證承載力安全的作用。

        在裝配式結構中,經常會采用一些特殊的構件,如L形梁、倒T型梁以及端部缺口梁等,在我國的設計規范GB50010并未給出這些構件的設計方法,行業標準JGJ1則參考了PCI手冊及過往的研究成果,補充了這些特殊構件的設計方法。在裝配整體式結構中,樓蓋大多采用疊合樓蓋,疊合樓蓋除了要滿足自身的承載力、裂縫和變形性能要求外,尚需滿足傳遞水平荷載、保證剛性樓板的要求。

        在裝配式結構施工中,鋼筋的位置不像現澆結構那樣容易調整,因此在設計時應準確考慮鋼筋布放位置及排放順序,特別是框架梁柱節點處縱向鋼筋、箍筋的相對位置應理清。由于鋼筋位置局部調整或采用機械連接時,鋼筋的保護層厚度會變得比較大,應采取措施控制裂縫和避免大塊混凝土剝落。

        (3)構件結合面的設計

        預制構件與現澆結構的結合面應進行預留鍵槽、拉毛或鑿毛處理,也可采用露骨料粗糙面,在澆筑混凝土前,應對結合面進行清潔處理,并曬水潤濕。除留設鍵槽外,我們相關現行標準中缺少具體的粗糙面處理工藝要求及評價要求,模式規范MC2010提供的評價方法可供參考。結合面是結構的薄弱環節,應驗算其受剪承載力。過往研究表明,結合面的受剪承載力主要由摩擦作用和銷栓作用提供,相應的有摩擦抗剪、銷栓抗剪的計算模式。美國規范ACI318、歐洲規范EN1992-1-1、PCI手冊以及模式規范MC2010均給出了統一的結合面受剪承載力計算公式,但我國的標準GB50010和JGJ1卻區分了梁端結合面、疊合梁水平結合面、墻(柱)根結合面分別給出了3套計算公式,因此對該問題仍需進一步研究。

結構構件的連接技術

        (1)連接技術分類

        從施工方法上,預制構件的連接可分為干連接和濕連接兩種。其中采用干連接時,不需澆筑混凝土,而是通過在連接的構件內植入鋼板或其他鋼部件,通過螺栓連接或焊接,從而達到連接的目的;采用濕連接時,需在連接節點處澆筑混凝土或水泥漿,鋼筋一般采用機械連接或焊接。

        (2)連接節點分類

        根據節點兩端構件類別,可將連接節點分為:板-板、板-梁、板-墻;梁-梁,梁-柱、梁-墻;柱-柱、柱-基礎;墻-墻、墻-基礎等。根據節點的受力特點、抗震性能要求、施工條件等,選擇合適的連接方式。圖2為裝配式結構的連接示意。

圖2 裝配式結構的連接示意

        (3)鋼筋連接技術

        預制構件連接節點是裝配式混凝土結構的理論上的薄弱環節,而縱向鋼筋的連接又是預制構件連接的關鍵?,F澆混凝土結構中常用的縱向鋼筋連接方式有綁扎搭接、焊接連接以及機械連接等(圖3),由于裝配式混凝土結構的連接部位較小,采用這些傳統的鋼筋連接方式有時不便于施工。上世紀60年代,余占疏(AlfredA.Yee)發明了鋼筋套筒灌漿連接接頭,該接頭是使用專門加工的套筒,通過快硬無收縮灌漿料的傳力作用,將鋼筋錨固連接的一種接頭,具有性能可靠、適用性廣、安裝簡便等優點,很好地解決了裝配式結構中的縱向鋼筋連接問題,可有效實現等同現澆的設計要求。套筒灌漿接頭在美國、日本等國家及我國臺灣地區已有較成熟的應用經驗,在我國內地的應用剛剛起步,且套筒灌漿接頭主要被用于柱、剪力墻等豎向構件中,也有少量應用于梁、板等水平構件。使用套筒灌漿連接的裝配式結構在過去幾十年中經受住了若干次大地震的考驗,美國和日本相關標準均認為它可以在地震區和高層建筑中安全地使用。圖4為框架柱和剪力墻采用鋼筋套筒灌漿連接接頭示意。

圖3 水平構件的鋼筋連接

圖4 灌漿套筒連接

裝配式結構施工與質量控制

        裝配式結構的施工過程主要包括預制構件制作、預制構件運輸與堆放、預制構件的安裝與連接三個階段。其中預制構件可分在工廠生產和施工現場制作,包括模板制作、鋼筋綁扎、混凝土澆筑和養護、脫模起吊、預應力張拉和放張、翻轉、臨時堆放等工序。裝配式結構作為混凝土結構子分部工程的一個分項進行驗收。裝配式結構分項工程的驗收包括預制構件進場、預制構件安裝以及裝配式結構特有的鋼筋連接和構件連接等內容。對于裝配式結構現場施工中涉及的鋼筋綁扎、混凝土澆筑等內容,應分別納入鋼筋、混凝土等分項工程進行驗收。裝配式結構分項工程可按樓層、結構縫或施工段劃分檢驗批。我國施工規范GB50666和行業標準JGJ1對裝配式結構的施工過程提出了較為完整的技術要求,驗收規范GB50204也將總結我國近年來工程應用的經驗進行局部修訂,可為裝配式結構施工與質量控制構筑構筑完善的標準體系。與美國規范ACI117和PCI手冊相比,我國的施工規范GB50666、施工驗收規范GB50204及行業標準JGJ1在施工偏差控制方面仍有不足,如對構件的分類不夠細、對偏差控制指標規定不夠全面、偏差控制指標與工程實際有脫節等。

綠色建筑評定標準

        為鼓勵采用工廠化生產的預制構、配件設計建造工業化建筑,我國正在修訂的國家標準《綠色建筑評價標準》(GB/T50378)(報批稿)增加了預制裝配式結構的評分要求,初步方案如下:

        采用工廠化生產的建筑預制構、配件。評分規則如下:

        1預制裝配率不小于15%,得3分;

        2預制裝配率不小于30%,得4分;

        3預制裝配率不小于50%,得5分。

        評價分值:5分。

        條文所指工廠化生產的預制構、配件主要指在結構中受力的構件,不包括雨棚、欄桿等非受力構件。在保證安全的前提下,使用工廠化方式生產的預制構、配件(如預制梁、預制柱、預制外墻板、預制陽臺板、預制樓梯等),既能減少材料浪費,又能減少施工對環境的影響,同時可為將來建筑拆除后構、配件的替換和再利用創造條件。本條的評價方法為:設計階段查閱施工圖、工程材料用量概預算清單;運行階段查閱竣工圖、工程材料用量決算清單。


來源:建筑工業化裝配式建筑網

 

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