钢结构 全预制混凝土楼板体系标准化设计及应用.pdf

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 100079,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 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 prefabricated 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,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-column 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 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,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。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 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,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 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 23.54mm。图 11 B1 板荷载-位移曲线Fig.11 Load-displacement curve of plate B1B2 板荷载-位移曲线如图 12 所示。当加载至最大荷载时,板跨中向下最大位移为 11.88mm,板1/4 跨位置向下位移为 8.60mm。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53 图 12 B2 板荷载-位移曲线Fig.12 Load-displacement curve of plate B2B1,B2 板试验结果如表 2 所示。表 2 B1,B2 板试验结果Table 2 Test results of plates B1,B2板编号开裂荷载/kN开裂位移/mm加载最大荷载/kN加载最大位移/mmB14.1512.456.8035.22B29.044.9512.6111.88 注:位移均为跨中位移;开裂荷载和加载最大荷载均包含自重(B1板自重取 1.5kN/m2,B2 板自重取 4kN/m2);考虑试验安全,现场检测根据设计值加载至最大荷载4.1 承载力验算 按现行国家标准 GB 500102010(2015 年版)混凝土结构设计规范的规定进行检验,应满足式(1)要求:0u 0u(1)式中:0u为构件承载力检验系数实测值,即试件荷载实测值与荷载设计值(均包括自重)比值;0为结构重要性系数,按设计要求的结构等级确定,取1.0;u为构件承载力检验系数允许值。承载力验算结果表明(见表 3),预制底板和叠合板承载力均满足混凝土结构工程施工质量验收规范相关要求。表 3 预制底板和叠合板承载力评定结果Table 3 Evaluation results of bearing capacity ofprefabricated base plate and laminated plate板编号设计荷载/(kN m-2)极限荷载/(kN m-2)极限荷载/设计荷载B13.306.802.06B28.2012.611.544.2 挠度验算 依据混凝土结构设计规范规定的挠度允许值进行检验,满足式(2)要求:a0s as(2)式中:a0s为在检验用荷载标准组合值或荷载准永久组合值作用下的构件挠度实测值;as为挠度检验允许值,按本规范有关规定计算。挠度检验允许值as应按式(3)进行计算:as=af/(3)式中:为考虑荷载长期效应组合对挠度增大的影响系数,按混凝土结构设计规范确定;af为受弯构件挠度限值,按混凝土结构设计规范确定。挠度验算结果表明(见表 4),所测预制底板和叠合板挠度满足混凝土结构工程施工质量验收规范相关要求。表 4 预制底板和叠合板挠度验算结果Table 4 Deflection calculation results of prefabricatedbase plate and laminated plate板编号as/mma0s/mmas/a0sB113.510.21.32B213.58.041.68 由预制构件荷载试验得出,预制混凝土夹心叠合楼板挠度变形、裂缝开展、混凝土应变、肋梁钢筋应变、开裂荷载和极限荷载均满足相关规范要求。5 钢结构主体快速装配5.1 钢框架安装 南区楼座平面布局为一字形、L 形和 U 形,其中一字形楼座单层建筑面积约 520m2,L 形楼座单层建筑面积约 1 000m2,2 种平面布局的楼座设计均无变形缝,水平方向不分段。U 形楼座单层建筑面积约 2 000m2,依据变形缝的留设,水平方向分为 3 个施工段,在深化设计阶段对钢柱进行竖向拆分,考虑梁柱为全螺栓连接方式,因此,控制钢柱安装精度尤为重要。施工过程中,1 个竖向柱段的钢框架安装遵循平面方向从楼座中间先开始安装 4 根钢柱同时拉结相应的 1 层钢梁、逐渐向四周扩展的安装步骤,目的是减小钢框架安装误差累计。待 1 个竖向柱段的 1 层钢梁安装完成,再自下而上安装上部钢梁并对钢框架进行整体校正和精确校正。由于梁柱为全螺栓连接,因此钢框架安装施工过程节省焊接和焊缝检测工作,框架快速安装校正合格且柱底灌浆完成后,方可进行全预制楼板安装作业。5.2 全预制楼板安装5.2.1 吊具选择及吊点设计 吊装机具选用一字形吊装梁,吊装梁设计长度应同时小于走廊轴线尺寸和户内轴线尺寸的最大值,便于吊装楼板时能在走廊和户内钢框架内竖向下落至安装层。吊点选择根据全预制楼板设计,本着吊装安全原则,在每块楼板肋梁区域预埋 4 个锚板型预埋套筒,预埋套筒布置成矩形,配套选用万向吊环,实现安全吊装和快速吊装需求。全预制楼板吊装如图 13 所示。54 施工技术(中英文)第 52 卷图 13 全预制楼板吊装Fig.13 Full prefabricated floor hoisting5.2.2 安装策划 在建筑方案设计阶段提出钢框架为矩形截面,因此,全预制楼板吊装路线首先应沿钢框架长方向下落至安装层,其次旋转 90再精确落位至钢梁上。首个竖向柱段钢框架安装完成且钢柱柱脚灌浆完成方可自下而上逐层安装全预制楼板,第 2 个竖向柱段钢框架安装完成且钢柱对接焊接完成后方可自下而上逐层安装全预制楼板,考虑全预制楼板安装过程对 1 个竖向柱段钢框架的变形量影响最小,平面上安装路线本着先安装中间走廊区域楼板,其次安装两侧户内楼板,最后整体向四周逐步扩展的总体原则。图 15 楼板连接节点后浇混凝土Fig.15 Post pouring concrete for floor connection joints5.2.3 安装要点 根据预制楼板节点连接设计,经过分析,由于板与板节点连接是长、短环互锚,应本着长锚环压短锚环的安装方针,从一端开始向另一边逐块推进。安装前,应对钢梁标高进行抄测,并在钢梁上翼缘测放出每块全预制楼板定位线,需首先安装带短锚环的楼板,其次安装中间标准板,使带有长锚环的一侧与短锚环互锚,且调整板端托板紧密贴实,依次类推直至安装完成。考虑到户内悬挑阳台一体板安装时需向外推动再落位,为降低安装落位调节难度,户内楼板安装原则是先安装外侧悬挑阳台一体板,逐次安装户内标准版,最后安装卫生间降板。全预制楼板安装过程如图 14 所示。阳台一体板和卫生间降板板底与钢梁高强螺栓贴合面凹槽边缘要压住钢梁上翼缘 5mm,以实现后浇混凝土时免支模板的目标。相邻 2 个房间阳台预制 T 形盖板应及时安装,走廊区域先安装带管井的非标准板,其次安装中间标准板,最后安装另一块带管井的非标准板。图 14 全预制楼板安装过程示意Fig.14 Installation process of fully prefabricated floor当每层楼板安装初步完成后,在相邻 2 块楼板连接节点放置纵向钢筋,并与锚环上部绑扎牢固,钢筋绑扎验收合格后在相邻 2 块楼板拼缝非降板区域、降板区域和钢梁支座区域的节点浇筑混凝土,如图 15 所示。考虑此部位有机电管线铺设,需留设60mm 高管线铺设空间,采用装修做法进行填实。6 结语 1)该保租房项目在建筑方案设计阶段,为实现大跨度大空间的可变功能,设计为钢框架和全预制混凝土楼板结构体系,统筹考虑结构部件现场快速装配,最大限度地提高了建筑产品标准化程度。2)该钢结构梁柱设计为全螺栓连接方式,大大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55 减少了现场焊接和焊缝检测工作量,缩短钢结构安装工期。3)通过对全预制楼板标准化设计及拆分,提高全预制混凝土楼板安装效率,并极大地减少了楼板后浇混凝土工程量,同时也实现了板与板间拼缝免支模,节约施工成本。4)在建筑设计方案阶段提前介入,考虑结构部件装配施工可行性,通过精密的安装策划,在钢结构及预制楼板快速装配施工等方面发挥了装配式钢结构住宅结构体系标准化高效建造的特点。参考文献:1 中国建筑股份有限公司,中建钢构有限公司.钢结构工程施工规范:GB 507552012 S.北京:中国建筑工业出版社,2012.China State Construction Engineering Co.,China ConstructionSteel Structure Co.,Ltd.Code for construction of steel structures:GB 507552012S.Beijing:China Architecture&BuildingPress,2012.2 中国建筑金属结构协会,中国建筑标准设计研究院有限公司.装配式钢结构住宅建筑技术标准:JGJ/T 4692019S.北京:中国建筑工业出版社,2019.ChinaConstructionMetalStructureAssociation,ChinaConstruction Standards Design and Research Institute Co.,Ltd.Technicalstandardforassembledsteelstructurehousing:JGJ/T 4692019S.Beijing:China Architecture&BuildingPress,2019.3 中 国 建 筑 科 学 研 究 院.混 凝 土 结 构 试 验 方 法 标 准:GB/T 501522012S.北京:中国建筑工业出版社,2012.China Academy of Building Research.Standard for test method ofconcretestructures:GB/T 501522012S.Beijing:ChinaArchitecture&Building Press,2012.4 中国建筑科学研究院.混凝土结构工程施工质量验收规范:GB 502042015 S.北京:中国建筑工业出版社,2015.China Academy of Building Research.Code for acceptance ofconstructional quality of concrete structures:GB 502042015S.Beijing:China Architecture&Building Press,2015.5 中国建筑科学研究院.混凝土结构设计规范:GB 500102010(2015 年版)S.北京:中国建筑工业出版社,2015.China Academy of Building Research.Code for design of concretestructures:GB 500102010(2015 edition)S.Beijing:ChinaArchitecture&Building Press,2015.6 中国建筑标准设计研究院,中国建筑科学研究院.装配式混凝土结构技术规程:JGJ 12014S.北京:中国建筑工业出版社,2014.China Construction Standards Design and Research Institute,China Academy of Building Research.Technical specification forprecast concrete structures:JGJ 12014 S.Beijing:ChinaArchitecture&Building Press,2014.7 中建 科 工 集 团 有 限 公 司.钢 结 构 工 程 深 化 设 计 标 准:T/CECS 6062019S.北京:中国计划出版社,2019.China Construction Science and Engineering Group Co.,Ltd.Standard of detailed design for steel structure engineering:T/CECS 6062019S.Beijing:China Planning Press,2019.8 北京建筑大学,北京工业大学.多高层建筑全螺栓连接装配式钢结构技术标准:T/CSCS 0122021S.北京:中国建筑工业出版社,2021.Beijing University of Civil Engineering and Architecture,BeijingUniversity of Technology.Technical standard for fully boltedassembled steel structures of multi-high-rise storey buildings:T/CSCS 0122021S.Beijing:China Architecture&BuildingPress,2021.