装配整体式混凝土框架结构设计要点及案例分析

装配式混凝土框架结构设计要点及案例分析

2017.9

目录

前言﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒3 第一章、装配式结构设计流程﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒4 第二章第二章装配式设计流程特点﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒6 第三章装配式框架结构设计分析﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒14 第四章装配式框架结构的连接设计﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒17 第五章装配式框架结构深化设计﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒30第六章装配式框架结构案例分析﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒32第七章塔吊及汽车吊布置﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒43

前言

近年来,整浇式梁柱节点在北京地区民用建筑钢筋混凝土多层装配式框架结构中被普遍采用。为了有利于构件生产定型化及现场安装施工速度的提高,我们在几年来的工程设计、施工和科研实践的基础上,对J_(72)、J_(74)型节点,进行了总结和改进,并经河南饭庄等工程试点,提出了DZ1、DZ2型两种梁柱节点方案。由于这类节点是在现场把预制钢筋混凝土梁、柱构件浇注成整体的,故统称为"整浇式梁柱节点"。

装配整体式钢筋混凝土结构房屋是指主要水平受力构件和垂直非承重构件采用预制的方法，在现场经过装配式施工，垂直受力构件和节点进行现浇连接，使建筑物成为一个整体，这样的建筑结构称为装配整体式结构。其主要特征为：工厂化批量预制、机械化施工，现场湿作业少，具有施工快、质量好、节省材料和人工的优点。

装配整体式钢筋混凝土结构房屋在建筑设计时，除满足国家现行设计规范外，还应考虑装配整体式结构的技术特点，合理设计构件节点，使构造方式有利于构件拆解和预制生产，提高工业化程度，以更好地保证构件质量、加快建设进度

本文从装配式结构设计流程、构件组成分析，设计分析、连接设计、深化设计、案例分析六个方面介绍了装配式混凝土框架结构设计要点，结合多年工作经验总结了装配整体式混凝土框架结构设计过程中需要注意的问题。

第一章装配式结构设计流程

从设计角度比较现浇式建设流程和装配式建设流程（见图1）。装配式建筑建设过程中因为包括构件生产的环节，必然会增加构件加工图设计，就是通常所说的构件深化设计。根据装配式建筑的特点，主体结构施工需要与内装设计同步进行。除此以外，装配式建筑建造技术含量较高、装配式建筑容错性很差，如果设计阶段发生错误就会造成很大损失。所以，在装配式建设流程前期中还增加了技术策划这个阶段，而技术策划这个阶段又往往被忽视。一方面设计单位接触这个内容比较少，另一方面开发商的装配式建筑项目比较少，所以都没有注重技术策划阶段。装配式建筑设计和传统设计较大的差异就是有贯穿始终的协同设计过程，从技术策划直到主体施工、内装施工，都要与业主、设计各专业、施工单位协同、协作（见图2）。

（a）现浇式建设流程

（b）装配式建设流程

图1现浇式建设流程和装配式建设流程的比较

图2技术协同贯穿装配式设计流程

装配式建设流程中有三个重要环节（见图3）：

图3

第二章装配式设计流程特点

第一，前期技术策划十分重要，主要是分析产业政策，设计师除了考虑政策目标，同时要考虑客户的利益需求最大化，有时客户的想法远远超过政策目标，那么就要兼顾政策同时达到产业化目标，从而确定技术方向。前期的技术策划，对整个装配式建筑设计的技术走向至关重要，对成本影响特别大。

第二，技术协同贯穿设计全过程。过去传统设计停留于设计院内部的建筑、结构、设备、内装专业配合，如毛坯房交付这样的简单设计连内装专业都没有，专业配合很少。而在装配式建筑中，内装设计的配合就极其重要，和设计单位、建设单位、生产单位都需要协作，比如考虑深化设计、生产能力等。

第三，构件深化设计繁复琐碎，装配式建筑都需要做构件的深化设计，这部分设计内容在传统设计中不是放在设计院做，而是放在加工厂做，而对于装配式建筑，有些设计院和加工厂不愿意或没有能力做构件的深化设计，深化设计的内容比想象的多得多，要考虑的问题也和传统分工差距比较大。传统建筑设计对施工问题考虑得很少，装配式建筑设计必须考虑生产、吊运、现场施工等要求，内容繁琐复杂。

1装配整体式结构设计的一般要求

1）建筑设计应遵循少规格、多组合的原则

2）宜采用主体结构、装修和设备管线的装配化集成技术

3）建筑设计应符合建筑模数协调标准

4）围护结构及建筑部品等宜采用工业化、标准化产品

5）宜选用大开间、大进深的平面布置

6）宜采用规则平面和立面布置

结构设计是一个复杂的体系，但是做装配式建筑设计是需要把复杂的体系分步骤来解决问题的。做装配式建筑首先很重要的是要具有工业化的思维，就是我们常说的概念设计，只要把成本因素、施

工的便利性考虑进去，就比较合理。例如，我们说标准化是为了降低成本，不做标准化设计构件规格和数量就会很多，必然会提高成本。对于施工的便利性，传统设计中开间会选用2-3m的跨度，板厚度较小，而对装配式的叠合楼板来说，可能4-6m是比较合适的正常板跨，也有一些案例选取了更大板跨。

2装配整体式结构最大适用高度

设计时首先要考虑装配式结构是否适合在该建筑中应用，图4的表格给出了装配整体式结构与现浇结构体系的最大适用高度，如果结构体系的主要抗侧力构件节点连接采用现浇混凝土，应该能满足受力要求（装配整体式剪力墙结构和装配整体式部分框支剪力墙结构，在规定的水平力作用下，当预制剪力墙构件底部承担的总剪力大于该层总剪力的50%时，其最大适用高度应适当降低；当预制剪力墙构件底部承担的总剪力大于该层总剪力的80%时，最大适用高度应取表6.1.1中括号内的数值）。差别有三点：1）9度抗震设防烈度不适用于装配式混凝土结构；2）装配式框架结构及装配式框架-现浇剪力墙结构的最大适用高度与现浇式结构相同；3）装配式剪力墙结构的最大适用高度有所降低。

图4装配整体式结构与现浇结构最大适用高度

3框架结构和框架-剪力墙结构的预制构件

装配式框架结构和框架-剪力墙结构建筑的预制构件包括：柱（全预制柱）、梁（叠合梁、全预制梁）、板（叠合板（免模或免模免撑）、全预制板）、楼梯（全预制楼梯）、外墙板（全预制外墙板（单墙或夹心保温））、女儿墙等（见图5），这里所说的外墙板不是指剪力墙，而是指外挂墙板，因为框架-剪力墙结构中的剪力墙部分按体系要求必须是现浇的。以下内容较少涉及外挂墙板、楼梯和女儿墙等，主要针对抗侧力构件。笔者认为一个装配式建筑连主体结构都未采用装配式，离装配式建筑的标准就还有一段距离。

（a）装配式框架结构三维示意图

图5框架结构和框架-剪力墙结构的预制构件

4预制构件布置负面清单

并不是所有的结构都适合采用预制构件。标准为设计人员提供依据，设计人员也习惯用标准约束行为，在现行规范下，

1）装配整体式框架-剪力墙结构的剪力墙部分应该是整体现浇的，不适宜采用预制构件。

2）高层装配整体式结构，《装配式混凝土结构技术规程》JGJ 1-2014（后简称JGJ 1）中规定：

6.1.8高层装配式整体式结构应符合下列规定：

1宜设置地下室，地下室宜采用现浇混凝土；

2剪力墙结构底部加强部位的剪力墙宜采用现浇混凝土；

3框架结构首层柱宜采用现浇混凝土，顶层宜采用现浇楼盖结构。

高层装配整体式结构的框架结构宜设置地下室，地下室顶板不宜采用装配式，宜采用现浇混凝土；需要特别注意，装配整体式框架结构中预制柱水平接缝处不宜出现拉力，这种情况下不能采用装配式。

3）带转换层的装配整体式结构，JGJ 1中规定：

6.1.9带转换层的装配整体式结构应符合下列规定：

1当采用部分框支剪力墙结构时，底部框支层不宜超过2层，且框支层及相邻上一层应采用现浇结构；

2部分框支剪力墙以外的结构中，转换梁、转换柱宜现浇。

4）装配整体式结构的楼盖，JGJ 1中规定：

6.6.1装配整体式结构的楼盖宜采用叠合楼盖。结构转换层、平面复杂或开洞较大的楼层、作为上部结构嵌固部位的地下室楼层宜采用现浇楼盖。

5）装配整体式框架结构预制柱，JGJ 1中规定：

7.1.3装配整体式框架结构中，预制柱水平接缝处不易出现拉力。

5框架结构和框架-剪力墙结构的预制率

根据上海的《上海市住房和城乡建设管理委员会关于本市装配式建筑单体预制率和装配率计算细则（试行）的通知》（沪建建材[2016]601号）文要求计算出来的预制率（见图6）。很多地方政府部门提出了装配式建筑比较重要的两个指标：预制率和装配率。如果框架结构和框架-剪力墙结构所有的构件都采用预制，一个框架结构采用免模楼板计算的预制率系数能达到73%，如果采用免模免支撑楼板能达到78%，这个数据并不是用预制混凝土构件部分与建筑全部混凝土总体积比例产生的，而是根据601号文用权重系数计算出来的。如果符合设计条件，用601号文可以计算出更高的预制率。图6表示的是框架-剪力墙结构如果所有的构件都采用预制构件，预制率系数达到80%左右，那么按照这个文件计算预制率就可以达到40%上下，满足上海地区的要求。这种计算结构都没有包括使用外挂墙板和预制隔墙的情况，其实在框架结构和框架-剪力墙结构中还是有机会使用外挂墙板，如果选用外挂墙板后，甚至可以选择比较少的其他构件采用预制。

图6框架结构和框架-剪力墙结构的预制率

装配式框架结构构件组成方式有三种：1）按照体型分类，预制构件有一维的、二维的、三维的，现在常用的是一维的构件，主要针对的是杆系体系的框架结构；2）从节点形式分类，节点选用预制（图7（a）~（c））或现浇（图7（d））；3）以柱的形式分类，分为单层或跨层。现在常用的还是一维杆件，优点是构件容易预制安装，提供了在节点调整误差的余地，如图8中跨层截断式柱的情况。从安全的角度来说，三维的构件安装精度要求高，但从制作的角度来说，三维构件制作难度大，占用场地更大，运输维护困难更大。

（a）预制节点一

（b）预制节点二

（c）预制节点三

（d）现浇节点

图7装配式框架结构预制与现浇节点

图8一维构件跨层截断式

6楼盖结构布置形式

楼盖结构的布置形式有单向板和双向板两种，布置形式会影响到主体结构的设计。布置时需要考虑三个因素：构件的生产、构件的运输和吊装、构件的连接，这三个问题都是装配式结构区别于现浇混凝土结构的要点，如JGJ 1中的图6.6.3所示。

第三章装配式框架结构设计分析

1设计方法

从设计方法上说，规范明确了装配式框架结构等同于现浇混凝土框架结构，不是说连接、构造等做法都等同于现浇混凝土框架结构，而是指性能上等同于现浇混凝土框架结构，节点满足现浇结构要求,如JGJ 1的7.1.1描述。

7.1.1除本规程另有规定外，装配整体式框架结构可按现浇混凝土框架结构进行设计。

2抗震等级

从抗震等级上来说几乎没有差别，微小差别是对建筑高度分界有所不同，限高数据要求有所变化，如JGJ 1中的表6.1.3所示。

3结构布置及构件设计

从结构布置来看，还是需要有工业化思维。装配式建筑的要求是对齐，柱网布置对齐，梁柱对中布置，在现浇混凝土结构设计中，构件贴边放置的情况大量存在，而在装配式建筑中，构件贴边放置就被认为是不合适的方案，因为构件放在中间并不会影响主体结构的设计，而放在边上确实严重影响节点的连接。装配式建筑中，相交两方向梁底宜留设高差，如果忽视了高差，在节点处梁的钢筋会出现相遇的问题，现场再考虑避让会带来更多的问题，虽然也有办法解决，但是设计中留设梁底高差是更合适的选择。建筑大开间设计就会提到宜采用大板跨，减少梁数的要求。同时应该合理归并，减少构件类型。此外，以下这3条主要是为了节点连接的需要：1）采用适当的构件截面，避免配筋量过大，比如现浇结构中强调柱子宽度是梁宽度的1.5倍，而装配式建筑不特别强调;2）采用高强度钢筋，减小配筋量;3）采用大直径、少根数、大间距的配筋方式。

4分析模型及参数

装配式混凝土结构区别于现浇混凝土结构建筑还有以下几个方面：

1）梁支座模型为铰接或刚接：从连接便利的角度，梁采用装配式设计时采用铰接的支座模型比较好。框架梁不适合做铰接，这里指的是梁板梁的支座首选铰接支座，JGJ 1中指出：

4应根据连接点和接缝的构造方式和性能，确定结构的整体计算模型。

2）楼盖面内刚度假定和梁刚度增大系数：这一点与现浇混凝土结构不同，梁的刚度放大需要考虑叠合板底板是预制的，预制部分和梁的连接处有缝，计算时预制底板不适合完全考虑平面内无限刚性假定的，规范也给出参考数据，增大系数1.3~2.0比现浇混凝土的系数要小。JGJ 1的6.3.4指出：

6.3.4在结构内力与位移计算时，对现浇楼盖和叠合楼盖，均可假定楼盖在其自身平面内为无限刚性；楼面梁的刚度可计人翼缘作用予以增大；梁刚度增大系数可根据翼缘情况近似取为1.3~2.0。

3）周期折减系数：:视围护结构对结构刚度的影响而定的，因为连接方式不清晰，外墙板对结构主体的影响到底有多大不易量化，需慎重使用周期折减系数，评估围护结构对主体结构刚度的影响。

4）楼板的布置方式会影响荷载传递路径：这里并不是说布置成单向板就一定按照单向板传力路径，采用合适的连接构造还是趋近于双向板的传力方式。如果完全布置成单向板，对结构传力路径还是有影响的。

5）混凝土保护层厚度：需要考虑钢筋连接的要求，因为连接套筒的直径都比较大，会向构件内部偏移，而且偏移数据还不小，比如柱的中心钢筋旁边会留出70mm，差距还是比较大的。

5位移角限值

装配式混凝土建筑的位移角限值要求与现浇混凝土建筑是一致的。增加了多层装配式剪力墙结构的形式，因为考虑到连接方式不同，多层装配式剪力墙结构允许相对弱的连接和刚性剪力墙不太一样，所以对位移角限值提出了1/1200的更严格要求，这也是考虑了连接的影响，JGJ 1中的6.3.3条和表6.3.3对此给出了叙述。

第四章装配式框架结构的连接设计

1接缝正截面承载力

具体到装配式框架结构连接设计，最重要的部分是连接方式和现浇混凝土结构不同。装配式整体式结构中，接缝的截面承载力应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010的规定，接缝的受剪承载力应验算并符合持久设计和地震设计状况，一般情况下连接部分的承载力都不会小于杆件，所以接缝的正截面受压、受拉及受弯承载力可不必计算，只需验算抗剪承载力。其中，接缝受剪承载力增大系数，抗震等级为一、二级取为1.2，抗震等级为三、四级取为1.1，在梁、柱端部箍筋加密区及剪力墙底部加强部位，有强接缝弱构件的要求，详见JGJ 1的6.5.1条。

2预制柱底水平接缝的受剪承载力验算

具体到预制柱底水平接缝的受剪承载力的验算，在地震设计状况下，预制柱受压时底部水平接缝的剪力包括两个部分，一是构件摩擦抗剪，一是钢筋销栓抗剪。如果是预制柱受拉的时候，就没有摩擦抗剪这一项，同时考虑拉力的影响，钢筋销栓抗剪公式略有变化，详见JGJ 1的7.2.3条。

3叠合梁端竖向接缝的受剪承载力

装配式框架结构叠合梁端竖向接缝的受剪承载力设计值包括以下三个部分：现浇叠合层抗剪、键槽抗剪和钢筋销栓抗剪。和柱底水平接缝抗剪承载力不同，叠合梁端竖向接缝的受剪承载力有持久受力状况和地震设计状况两种工况，地震工况要做调整，大约是持久工况的0.6倍，详见JGJ 1的7.2.2条。

4叠合梁水平叠合面的受剪承载力验算

装配式框架结构叠合梁水平叠合面的受剪承载力验算可参考下式计算，

受剪承载力设计值包括两项，混凝土粘结抗剪和钢筋抗剪。

5未配置抗剪钢筋的叠合板，水平叠合面的受剪承载力验算

叠合板有时也是没有钢筋配置的，可参考下面的公式，

因为叠合板的叠合面面积较大，一般情况，即使没有配置钢筋也是能满足水平叠合面的受剪承载力要求。

6结合面

JGJ 1中规定，