钢结构 全预制混凝土楼板体系标准化设计及应用.pdf
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1、2023 年 10 月下第 52 卷 第 20 期施工技术(中英文)CONSTRUCTION TECHNOLOGY49 DOI:10.7672/sgjs2023200049钢结构+全预制混凝土楼板体系标准化设计及应用曹计栓,苏 磊,王继生,韦振飞,刘步芳(北京市住宅产业化集团股份有限公司,北京 100079)摘要 通过对保租房钢结构建筑各专业进行协同设计,探索创新设计了全预制混凝土楼板匹配钢框架的设计,形成标准化保租房钢结构体系,并在北京市某保租房项目进行推广应用。实践表明,该体系在保租房钢结构和全预制混凝土楼板的优化拆分设计、钢结构及全预制混凝土楼板快速装配施工等方面发挥了装配式钢结构住宅标
2、准化高效建造的优势。关键词 钢结构;预制;混凝土;楼板;设计;应用中图分类号 TU391;TU756文献标识码 A文章编号 2097-0897(2023)20-0049-07Standardized Design and Application of Steel Structure and FullyPrefabricated Concrete Floor SystemCAO Jishuan,SU Lei,WANG Jisheng,WEI Zhenfei,LIU Bufang(Beijing Housing Industrialization Group Co.,Ltd.,Beijing 10
3、0079,China)Abstract:Through the collaborative design of various specialties in the steel structure of rental housing,the design of fully prefabricated concrete floors matched with steel frames is explored and innovativelydesigned,forming a standardized steel structure system for rental housing.This
4、has been promoted andapplied in a rental housing project of Beijing.Practice has shown that this system exhibits thecharacteristics of standardized and efficient construction of prefabricated steel structure residentialbuildings,in terms of optimizing the split design of steel structures and fully p
5、refabricated concrete floorsin rental housing,as well as rapid assembly construction of steel structures and fully prefabricatedconcrete floors.Keywords:steel structures;prefabrication;concrete;floors;design;application住房和城乡建设部科技示范项目(2021-S-039)作者简介 曹计栓,高级工程师,E-mail:280699908 收稿日期 2023-02-280 引言 近年来
6、,随着国家及省市相关政策的颁布,钢结构建筑发展异军突起,尤其是在学校、医院领域的应用较为突出,钢结构具有抗震性能强、绿色、环保、施工速度快、可重复利用等特点,是当前我国装配式建筑发展的重要支撑。目前,全国部分省份积极推广钢结构住宅体系的研究和实践,在钢结构商品房、集中安置房细分领域均取得相关建设经验和科技成果,但在建设实践中发现大量制约钢结构住宅发展的问题,主要包括钢结构住宅标准化程度不够高、钢结构焊接量大、楼板施工存在大量湿作业。本文将钢框架梁柱设计为全螺栓连接,楼板设计为全预制混凝土楼板,通过标准化钢框架和全预制混凝土楼板部件实现户型统一化,总结得到标准化低层、多层保租房装配式钢结构及楼板
7、体系,并在北京市某保租房项目中进行实践应用。1 建筑方案设计全专业协同 保租房南区楼座平面布局设计为一字形、L 形、U 形,为最大限度实现保租房户型标准化,建筑方案设计阶段统筹结构、内装、外围护、设备与管线等专业进行反复推敲,将所有楼座户型中间统一设计为走廊,走廊两侧统一为户内卧室和卫生间,平面轴网为矩形,轴网开间尺寸统一为 5.6m,进深尺寸统一为 6.6m,走廊宽度统一为 2.7m,管井统一设置在走廊位置。为实现大空间效果,考虑后期为内部空50 施工技术(中英文)第 52 卷间改造升级留有可能,结构采用钢框架体系,走廊两侧钢框架梁上留设管线洞口,保证房间净高,提高空间使用舒适性。建筑设计实
8、现标准化还应统筹考虑钢框架和楼板快速装配、管线综合标准化程度,部品装配化集成建造效率、部品部件加工制作成本等因素,找出建筑产品标准化的最大公约数,实现建筑产品设计方案最优。2 钢结构标准化设计 由于保租房建造工期短,为保证钢结构快速装配,考虑前端加工厂制作效率,将结构体系设计为钢框架结构形式,如图 1 所示。采用矩形钢管柱,钢梁采用热轧 H 型钢,钢柱与钢梁悬臂段端部呈 Z 字形的截面采用全螺栓连接形式进行连接,如图 2 所示,实现梁柱无焊接连接,安装快捷。图 1 钢框架模型Fig.1 Steel frame model图 2 钢框梁柱连接节点Fig.2 Steel frame beam-co
9、lumn connection joints2.1 钢框架深化设计 钢结构建筑设计高度为 6 层,其中地下 1 层、地上 5 层。钢结构主体施工前,应进行钢框架和全预制混凝土楼板的安装策划,明确钢框架和楼板的安装顺序。为减少现场焊接工作量,考虑钢框架安装和楼板吊装功效,将钢框柱竖向拆分为 2 段,即 2 个“一柱三层”。2.2 高强螺栓安装优化 在深化设计阶段,考虑钢框梁高度及高强螺栓安装施工扭剪型电动扳手操作空间,将钢梁翼缘连接高强螺栓安装优化设计为螺母朝向预制楼板面一侧,为此,需在预制楼板与钢梁高强螺栓螺母贴合面位置留设凹槽,如图 3 所示。图 3 高强螺栓与全预制楼板连接节点Fig.3
10、High strength bolts and fully prefabricatedfloor connection joints3 楼板标准化设计及拆分 在建筑方案设计阶段,为提高楼板装配率及最大限度地减少楼板后浇混凝土工程量,创新设计匹配钢框架体系的全预制混凝土楼板。实现全预制混凝土楼板的快速装配前提条件是在建筑方案设计阶段反向提出钢框架平面轴网宜为矩形,楼板构件平行于钢框架平面短方向布置,如图 4 所示,便于楼板构件快速装配施工。图 4 全预制楼板布置Fig.4 Layout of fully prefabricated floor3.1 标准化设计 考虑全预制楼板构件承载力及减重设计
11、,将全预制混凝土楼板总厚度设计为 230mm,楼板纵横向布置肋梁,肋梁间填充 120mm 厚聚苯板,其中卫生间降板区域楼板厚 170mm,楼板中间填充 60mm 厚挤塑聚苯板,经计算,全预制楼板自重较实心楼板轻 30%,承载力与实心楼板相同,达到减重不减承载力的效果。预制楼板钢筋配置以阳台板为例,设2023 No.20曹计栓等:钢结构+全预制混凝土楼板体系标准化设计及应用51 计如图 5 所示。楼板下表面与钢梁上翼缘高强螺栓贴合面留设凹槽,保证板面安装后的平整度,楼板板面预留管线槽,方便设备管线铺设,实现主体结构与设备管线分离,方便以后产品改造升级。楼板可实现局部降板,实现整体卫生间的功能需求
12、。阳台板为悬挑结构,将阳台与内部楼板设计为一整块楼板,达到悬挑阳台的功能要求,考虑施工阶段楼板安装可实现免支模、免支撑施工,节约措施费,减少二次大面积浇筑混凝土,有效提高保租房钢结构主体建造效率。图 6 楼板肋梁和聚苯板布置及板缝节点连接Fig.6 Layout of floor rib beams and polystyrene plates and connection of plate joints图 5 悬挑阳台一体板配筋设计Fig.5 Reinforcement design of cantileveredbalcony integrated plate3.2 节点连接 若相邻 2
13、块全预制楼板采用直接拼缝,由于楼板厚度为 230mm,拼缝间隙小,嵌缝材料不足,难以起到连接及封闭作用,后期装修容易开裂,因此,在相邻 2 块预制板拼缝位置下部留设混凝土托板。为保障全预制楼板连接整体性,在楼板支座与钢梁连接部位设置出筋锚环,在相邻 2 块板端的托板上部分别设计长锚环和短锚环,2 个锚环交叉互锚,考虑安装的便利性,长、短锚环相互错开 30mm 在,在交叉区域设置 2 根钢筋,如图 6 所示。既保证了板与板节点间连接的整体性,又避免了顶板装修开裂问题,节点连接区域浇筑混凝土实现免模板,便于全预制楼板快速装配施工。3.3 拆分及深化设计 全预制楼板拆分设计对楼板安装功效有决定性影响
14、,1 个柱段的钢框架共 3 层,因预制楼板吊装时最高需跨过 2 层钢梁,走廊区域轴线尺寸设计为2.7m5.6m,应平行于短边方向且沿长边方向进行拆分,拆分后的楼板至少 1 个边长小于轴线短边2.7m,方能满足竖向吊装落位空间要求。考虑走廊区域分布管井,因此经过计算,将走廊区域楼板拆分为 3 块,两侧 2 块为管井区域非标准板,中间 1 块为标准板,每块板尺寸约为 2.7m1.8m,满足吊装落位要求。户内区域轴线尺寸设计为 6.5m5.6m,拆分原则同走廊区域,拆分后的楼板至少 1 个边长小于短边 5.6m,方能满足竖向吊装落位空间要求。考虑户内有卫生间降板区域和悬挑阳台及起重机吊重匹配,经过计
15、算,将户内楼板拆分为 4 块,如图4 所示。卫生间降板区域为 1 块非标准板,悬挑阳52 施工技术(中英文)第 52 卷台一体板为 1 块非标准板,其余中间拆分成 2 块标准板,每块板与板间由长、短锚环相互咬合进行连接,因此,将悬挑阳台一侧深化设计为短锚环。为保证相邻全预制混凝土楼板正常落位,将相邻连接的标准板端设计为长锚环,由此类推,户内标准板和卫生间降板的两侧均为长、短锚环,同样走廊区域异形板和标准板间的连接亦为长、短锚环,如图 7所示。图 7 走廊和户内楼板拆分示意Fig.7 The corridor and indoor floor separation4 全预制楼板荷载试验全 预 制
16、 混 凝 土 楼 板 为 创 新 设 计,根 据GB/T 501522012混凝土结构试验方法标准和GB 502042015混凝土结构工程施工质量验收规范及设计图纸,对全预制混凝土楼板挠度变形、裂缝开展、混凝土应变、肋梁钢筋应变、开裂荷载和极限荷载进行检测。对 2 块全预制混凝土楼板受力性能进行检测,其中 1 块针对预制底板开展试验研究,另一块针对叠合楼板开展试验研究,试验参数如表1 所示,板尺寸如图 8,9 所示。表 1 试验参数Table 1 Test parameters板编号截面(长宽高)/mm支撑方式B15 5201 500170底板两点支撑B25 5201 500230叠合板两点支
17、撑 试验采用分级加载方式,预制底板开裂前每级施加荷载 1kN,每级加载完毕后持荷 5min,如图 10所示。根据混凝土结构试验方法标准,当试件出现裂缝 1.5mm、挠度 1/50、受压区混凝土压碎、达到承载力设计值标志时,即认为达到承载力极限状态,应停止加载。B1 板荷载-位移曲线如图 11 所示。当加载至图 8 B1 板详图Fig.8 Details of plate B1图 9 B2 板详图Fig.9 Details of plate B2图 10 分级加载试验Fig.10 Grading loading test最大荷载时,板跨中向下最大位移为 35.22mm,板1/4 跨位置向下位移为
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