装配式型钢混凝土叠合框架梁连接节点构造设置与安全分析①

林 琳

(黎明职业大学土木建筑工程学院,福建 泉州 362000)

0 引 言

“中国建造”主要任务之一就是要大力发展装配式建筑,构建装配式建筑标准化设计和生产体系,推动生产和施工智能化升级,完善适用不同建筑类型装配式混凝土建筑结构体系。[1]相对于预制装配式混凝土剪力墙等构件,预制混凝土叠合楼板的生产工艺相对简单成熟、施工速度较快等特点,预制叠合楼板成为了我国装配式建筑结构中最常见的构件。[2]以福建省泉州市公共文化中心图书馆为例,其结构形式为地下部分为现浇框架剪力墙结构,地上部分为装配整体式框架-现浇剪力墙结构,单体预制率≥ 15%,其中2-6层部分区域预制叠合主次梁、预制叠合楼板,7层部分区域预制叠合楼板。[3]下一步装配式混凝土结构的发展方向就是逐渐提高装配式建筑的预制率,逐渐推广到水平构件、竖向构件采用预制混凝土构件,以实现建筑工业化的全面铺开。针对目前装配式混凝土结构存在的问题,提出一种装配式型钢混凝土叠合框架梁连接节点,为预制叠合框架梁的工程应用提供可行方案。

1 预制叠合框架梁施工中存在的问题分析

1.1 大跨度预制叠合框架梁导致吊装成本提高

目前装配式混凝土结构经过深化设计结构拆分后可以将整层的楼板拆分成若干块叠合楼板。为了满足建筑标准化、工业化的要求,预制叠合楼板拆分时应考虑叠合楼板的标准模数化以减少预制叠合楼板的规格种类,遵循“少规格多组合”的拆分原则。[4]考虑到预制构件尺寸要能满足预制工厂生产和运输的最大宽度要求,同时考虑到叠合楼板的经济性,单块叠合楼板的叠合层厚度一般取60mm,跨度一般控制在4m以内最为合理,因此单块叠合楼板总质量一般在1.5t以内。

1.2 预制叠合框架梁与预制柱易发生钢筋碰撞,吊装定位难度大

预制叠合框架梁两侧底部纵向钢筋根据规范要求需外伸进入梁柱节点位置进行锚固,由于梁端及柱端外伸钢筋直径较大、数量较多,这就导致了叠合框架梁在吊装时容易出现纵向钢筋的碰撞,直接影响吊装的准确度和施工的效率。虽然目前设计院对预制叠合框架梁进行深化设计,对纵向钢筋布置位置做出适当的偏移以避免碰撞,但由于梁钢筋数量和种类相对较多,且构件生产中允许一定的尺寸误差,这就导致梁柱连接节点位置极易出现现错、漏、碰、缺等问题。[5]于此同时,预制叠合框架梁进行吊装施工时需梁两端同时就位,在要求叠合框架梁正确落位的前提下还需避免钢筋碰撞,吊装难度大容错率低,对吊装施工提出了很高的技术要求。

2 装配式型钢混凝土叠合框架梁的设置方法

2.1 装配式型钢混凝土叠合框架梁构造设置

考虑到单根预制叠合框架梁施工中存在的构件自重大、梁两端易发生钢筋碰撞、吊装定位难度大等问题,设置一种新型的装配式型钢混凝土叠合框架梁,将单根主梁拆分成两段,如图1所示。单段预制叠合框架梁同柱节点连接位置的构造设置同一般叠合梁一致,梁端箍筋设置箍筋加密区,以满足相关规范要求。单段预制叠合框架梁跨中连接部位设置型钢混凝土结构,型钢部分预埋在叠合梁叠合层中,另一部分外伸出叠合梁,用于同另一段单段叠合梁进行连接,同时腰筋、底部纵向角筋亦外伸出梁端用于后浇带位置钢筋连接及箍筋绑架。单段预制叠合框架梁底部纵向受拉钢筋和型钢通过连接板进行连接,连接板左右均设置可焊接连接套筒用于纵向受拉钢筋的连接,而腰筋则在连接板位置开洞穿孔。

图1 单段装配式型钢混凝土叠合框架梁

2.2 装配式型钢混凝土叠合框架梁连接方式

预制叠合框架梁拆分成单段型钢混凝土叠合框架梁后,单段叠合梁自重将控制在1t左右,与叠合楼板的重量相近,不会提高对塔吊最大起重能力的要求。单段叠合梁吊装时仅在一侧梁柱节点处需进行钢筋碰撞控制,可简化叠合梁吊装时的安装定位施工。两段装配式型钢混凝土叠合梁通过梁跨中型钢连接利用钢板进行焊接,具有较大的操作空间,降低了对构件吊装的施工难度。

图2 装配式型钢混凝土叠合梁后浇带连接方式

2.3 装配式型钢混凝土叠合框架梁安全性分析

(1)装配式型钢混凝土叠合框架梁正截面承载力分析.型钢混凝土结构既和普通钢筋混凝土结构一样具有较好的稳定、耐久性,又结合了钢结构有较好的延展性和刚度特性,在承载能力上结合了通钢筋混凝土结构和钢结构各自优点,因此在工程项目中广泛使用。[6]同普通钢筋混凝土结构正截面设计相比,型钢混凝土结构考虑到了型钢上下翼缘分别进入受压屈服和受拉屈服阶段用于提高梁抗弯承载能力,同时考虑到型钢腹板部分受压,部分受拉,考虑型钢腹板承受的轴向合力对型钢受拉翼缘和纵向受拉钢筋合力点的力矩及型钢腹板承受的轴向合力对公式进行修正。

(2)装配式型钢混凝土叠合框架梁斜截面承载力分析.型钢混凝土斜截面受剪承载能力公式中0.58fatwhw为考虑型钢腹板的抗剪强度对梁进行抗剪能力补充。在此装配式型钢混凝土叠合梁连接位置处腹板采用连接板焊接方式进行连接,其腹板受剪能力未能充分使用,固忽略不计,斜截面抗剪承载能力主要考虑混凝土及箍筋两部分的承载能力。

(3)装配式型钢混凝土叠合框架梁连接板焊接连接.该装配式型钢混凝土叠合框架梁在连接节点施工时,采用焊缝连接。其优点是构造简单,无需在型钢钢材上打孔钻眼从而不会减损钢材截面充分利用材料。同时任何形状的构件都可以直接相连,加工方便易于施工,且连接的密封性好、刚度大。连接板截面的尺寸根据主板承载力相等原则进行选择,同时考虑连接板使用量最小,考虑三面围焊方案。

3 装配式型钢混凝土叠合框架梁工程案例设计

取某实际工程案例中的叠合梁进行拆分设计,相关设计参数参照原有建筑结构的荷载数值和截面尺寸,按照装配式型钢混凝土叠合梁构造设置要求进行深化设计。该装配式型钢混凝土叠合梁连接部位受到弯矩设计值为630kN·m。该叠合梁采用C30混凝土,截面尺寸为300mm×600mm,顶部布置4Φ22纵向受压钢筋,底部布置8Φ25纵向受拉钢筋,中间布置2Φ12的构造钢筋(腰筋)。顶部考虑放置130mm厚的叠合楼板,梁上部130mm作为后浇层。

1)计算受压区高度:

193.9mm

(1)

受压区高度为193.9mm,确保型钢上翼缘位于混凝土受压区内;

2)计算受压区高度比:

(2)

3)检查受压区高度比是否超限:

受压区高度比没有超限,配置的钢筋和型钢符合规范要求;

4)计算由混凝土受压产生的正截面抗弯能力:

300×5002×0.388×(1-0.5×0.388)=

335.4kN·m

(4)

5)计算由纵向受压钢筋产生的正截面抗弯能力:

(500-40)=125.9kN·m

(5)

6)计算由型钢上翼缘受压产生的正截面抗弯能力:

(500-160)=199.9kN·m

(6)

7)计算该截面的正截面承载能力:

M=M1+M2+M3=335.4+125.9+199.9=

661.2kN·m>630kN·m

(7)

该截面安全性符合规范相关要求。

4 结 语

结合实际工程中预制叠合框架梁跨度大自重大吊装成本高、预制梁柱节点位置易发生钢筋碰撞吊装定位难度大等问题,提出了一种新型的装配式型钢混凝土叠合框架梁。该型钢叠合梁将原先的叠合框架梁拆分成两段,利用预埋的型钢进行连接。文中根据原有一般叠合梁的配筋设计通过强度等效原则优化型钢混凝土叠合梁,将部分钢筋替代为型钢钢材。该装配式型钢混凝土叠合梁不仅可以将拆分后型钢混凝土叠合梁的自重控制在1t左右以减少吊装成本,同时降低了型钢混凝土叠合梁的吊装施工难度,增加安装的容错度,从而为装配式框架结构、框架—剪力墙结构等装配式建筑中框架梁的深化设计提供一种新的拆分方案。