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装配式混凝土建筑结构技术标准与规程

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    装配式混凝土结构指由预制混凝土构件或部件装配、连接而成的混凝土结构。建筑工程中采用装配式混凝土结构,具有工业化水平高、建造速度快、施工质量佳、减少工地扬尘和减少建筑垃圾等优点,可以提高建筑质量和生产效率,降低成本,有效实现四节一环保的绿色发展要求。装配式混凝土建筑结构(下文简称装配式结构)在美国、欧洲、日本、新西兰等以及我国的台湾、香港地区都有广泛应用。

    近年来,在我国大陆地区的应用也开始摆脱低谷,并呈上升趋势。国务院办公厅关于转发发展改革委、住房城乡建设部绿色建筑行动方案的通知(国办发[2013]1号)中,将推动建筑工业化作为绿色建筑行动方案一项重要任务,并明确指出要推广适合工业化生产的预制装配式混凝土、钢结构等建筑体系,加快发展建设工程的预制和装配技术,提高建筑工业化技术集成水平

国内外相关标准体系

 


中国标准

    我国现行的工程建设标准包括国家标准、行业标准、地方标准和协会标准等级别,我国的装配式结构设计、施工、验收等相关的主要技术标准见表1。工程建设标准与相关技术在工程中推广应用状况密切相关,有较强的时代烙印。上世纪70~80年代,特别在改革开放初期,装配式结构的应用曾经有过一个高潮,大量的住宅建筑和工业建筑采用了装配式技术。结合我国当时的应用情况,原建设部组织修编了国家标准《预制混凝土构件质量检验评定标准》、行业标准《装配式大板居住建筑设计和施工规程》以及协会标准《钢筋混凝土装配整体式框架节点与连接设计规程》等,并与上世纪90年代出相继发布实施。之后,由于种种原因,装配式结构的应用,尤其是在民用建筑中的应用逐渐减少,迎来了一个相对低潮阶段。但随着国民经济的持续快速发展、节能环保要求的提高、劳动力成本的不断增长,近十年来,我国在装配式结构方面的研究与应用逐渐升温。为了满足我国装配式结构工程应用的需求,根据原建设部建标[2003]104号文的要求,由中国建筑标准设计研究院和中国建筑科学研究院会同有关单位编制了行业标准《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ1),该规程目前已经进入了报批阶段。此外,上海市、北京市、深圳市、辽宁省、黑龙江省、安徽省以及江苏省也相继编制了相关的地方标准。由表1可以看出,我国各种专项技术标准大多是以结构体系为主体编制,如南斯拉夫“INS”体系、世构体系、润泰体系等,各技术标准又都包含了设计、施工及验收等内容,但其中有些内容是重复的,甚至有些规定还不协调,这是有待解决的问题。

美国标准

    美国的标准分为四类,即国家标准、政府技术文件(标准)、协会标准、企业标准,这些标准由政府机构和非政政府组织两个系统制定。在美国标准与规范是两个有区别的概念。其中标准采用standard一词,是指产品生产、经营的技术准则,是衡量技术规格、指标的尺度或水准,是自愿采用的;规范采用code一词,是对工程活动中的行为方法要求,在设计、施工过程中的技术要求、规定,经批准作为法规,严格执行。《国际建筑规范》(InternationalBuildingCodeIBC是美国各州和地方的立法机构批准的法规性文件。IBC2012采纳《建筑及其他结构的最小设计荷载》(ASCE7-05)和《建筑结构混凝土规范》(ACI318-11),因此,规范ACI318也成为美国混凝土结构设计基础性规范。另外,尽管NEHRP(国家地震减灾规划)并不具有规范效力,但由于其是联邦应急管理局的技术文件,在美国也被当做规范采用。美国混凝土协会ACI有多个技术委员会组成,各技术委员会还编制了相应的标准、指南或技术报告,为混凝土结构的设计、施工、验收等提供依据或参考,其中与装配式结构相关的部分见表2

预制与预应力混凝土协会PCI标准

    总部位于美国的预制与预应力混凝土协会PCI编制的《PCI设计手册》(以下简称“PCI手册),不仅在美国,而且整个国际上也是具有非常广泛的影响力的。从1971年的第一版开始,PCI手册已经编制到了第7版,该版手册与IBC2006ACI318-05ASCE7-05等标准协调。除了PCI手册外,PCI还编制了一系列的技术文件,包括设计方法、施工技术和施工质量控制等方面,如表3所示。

欧洲标准

    1975年,欧洲共同体委员会决定在土建领域实施一个联合行动项目。项目的目的是削除对贸易的技术障碍,协调各国的技术规范。在该联合行动项目中,委员会采取一系列措施来建立一套协调的用于土建工程设计的技术规范,最终将取代国家规范。1980年产生了第一代欧洲规范,包括EN1990~EN1999(欧洲规范0~欧洲规范9)等。1989年,委员会将欧洲规范的出版交予欧洲标准化委员会,使之与欧洲标准具有同等地位。其中EN1992-1-1(欧洲规范2)的第一部分为混凝土结构设计的一般规则和对建筑结构的规则,是由代表处设在英国标准化协会的《欧洲规范》技术委员会编制的,另外还有预制构件质量控制相关的标准,如《预制混凝土构件质量统一标准》EN13369等。

国际结构混凝土协会fib标准

    总部位于瑞士的国际结构混凝土协会fib2012年发布了新版的《模式规范》(MC2010)。模式规范MC90在国际上有非常大的影响,经历20年,汇集了5大洲44个国家和地区的专家的努力,修订完成了MC2010。相较于MC90MC2010的体系更为完善和系统,反映了混凝土结构材料的最新进展及性能优化设计的新思路,将会起到引领的作用,为今后的混凝土结构规范的修订提供一个模式。MC2010建立了完整的混凝土结构全寿命设计方法,包括结构设计、施工、运行及拆除等阶段。此外,fib还出版了大量的技术报告,为理解模式规范MC2010提供了参考,其中与装配式混凝土结构相关的技术报告见表4,涉及了结构、构件、连接节点等设计的内容。

日本标准

    日本是装配式混凝土结构应用最为成熟、广泛的国家之一,并由非常完善的相关标准体系。日本的标准包括建筑标准法、建筑标准法实施令、国土交通省告示及通令、协会(学会)标准、企业标准等,涵盖了设计、施工等内容,其中由日本建筑学会AIJ制定的装配式结构相关技术标准和指南见表51963年成立日本预制建筑协会在推进日本预制技术的发展方面做出了巨版的版权,并将其翻译、出版。

新西兰标准

    新西兰的装配式结构的设计和施工主要按《混凝土结构标准》(第12部分)(NZS3101)、《混凝土施工规程》(NZS3109)及《一般结构设计及建筑设计荷载规范》(NZS4203)实施的。1991年,由位于基督城坎特伯雷大学的高等工程中心编制的《装配式混凝土建筑结构应用指南》出版发行,并于1999年发行了第2版。

国内外标准主要技术内容

    上述相关标准和技术文件可分为混凝土结构通用标准和装配式混凝土结构专用标准。相关标准主要技术内容比较见表67。可以看出:
 

 

1)各标准体系均涵盖了设计、施工的相关内容,但我国的设计规范GB50010的装配式混凝土结构内容相对较少且分散,整体结构设计、构件连接、施工阶段验算等方面的规定不够充分、具体,有待进一步修订完善。
2)从装配式结构体系上看,各标准主要针对的是刚性楼盖、框架结构体系、剪力墙(结构墙)体系,另外还会包括建筑外挂墙板体系。各标准都非常重视结构的整体抗震性能,而且都有等同现浇型或装配整体式结构设计要求。但是我国标准对其他类型的装配式结构的技术规定仍有不足。
3)在我国的行业标准JGJ1从内容框架上相对较为完整,但与PCI手册相比,在装配式结构的抗火设计、温度作用及隔声性能、楼盖振动控制等方面仍有待加强。

关键技术规定评析

结构体系设计

等同现浇型
    等同现浇型装配式混凝土结构,其构件及结构性能与现浇混凝土结构等同,因此从结构分析方法到构件设计方法、结构施工质量控制要求均可参照现浇混凝土结构的有关标准规定执行,可将其视为为采用装配式施工的结构,而不是一种新型的或特殊的结构。我国相关标准中的装配整体式混凝土结构即属于等同现浇型。等同现浇型装配式混凝土结构的关键是节点的构造,目前较为常用做法的特点为:
1)节点区域的钢筋构造(纵筋的锚固、连接以及箍筋的配置等)与现浇结构相同;
2)纵向钢筋采用机械连接和焊接技术,特别是钢筋灌浆套筒连接;
3)节点区域的混凝土现浇;
4)采用刚性楼盖,如叠合楼盖等。但对于一些情况,如高层建筑装配式剪力墙的边缘构件,会带来施工难度的增大。当然,随着今后研究深入开展,将可以真正从结构性能的角度去评价相关结构构造做法是否达到等同现浇。
结构类型
    根据我国行业标准JGJ1,装配式结构可采用以下结构类型:
1)装配式混凝土结构:由预制混凝土构件或部件通过各种可靠的连接方式装配而成的混凝土结构;
2)装配整体式混凝土结构:由预制混凝土构件或部件通过采用各种可靠的方式进行连接,并与现场浇筑的混凝土形成整体的装配式结构;
3)装配整体式混凝土框架结构:框架梁、柱全部或部分采用预制构件的装配整体式混凝土结构;
4)装配整体式混凝土剪力墙结构:剪力墙全部或部分采用预制构件的装配整体式混凝土结构;
5)装配式混凝土墙板结构:全部或部分采用预制墙板装配而成的多层混凝土结构。
美国标准ACI550.1R-09指出,等同现浇型装配式结构可采用:结构墙体系(StructuralWalls)、盒子结构体系(BoxStructure)、框架结构体系(MomentResistingFrames)和剪力墙-框架结构体系等,并且可根据建筑所处的地震情况采用整体结构、延性连接、延性构造等连接方法。
结构高度限制
    对装配整体式结构的适用高度,行业标准JGJ1参照了《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3)中的规定并适当调整。根据国内外多年的研究成果,在地震区的装配式框架结构,当采取了可靠的节点连接方式和合理的构造措施后,装配式框架结构性能可以等同现浇混凝土框架结构。因此,对装配整体式框架结构及装配整体式框架-现浇剪力墙结构中的框架部分,当节点及接缝采用适当的构造并满足本规程中相关条文的要求时,可认为其性能与现浇结构基本一致,其最大适用高度与现浇结构相同。装配整体式剪力墙结构中,墙体之间的接缝数量多且构造复杂,接缝的构造措施及施工质量对结构整体的抗震性能影响较大,使装配整体式剪力墙结构抗震性能很难完全等同于现浇结构,另外,由于装配式剪力墙结构的研究相对较少且工程应用也不多,因此,有必要对装配式剪力墙结构采取从严要求的态度,与现浇结构相比适当降低其最大适用高度。
结构整体稳固性
    对于装配式结构应加强结构整体稳固性,保证当发生火灾、爆炸、撞击或人为错误等偶然事件时,结构整体能保持稳固且不出现与起因不相称的破坏后果的能力,如应防止其连续倒塌。保证结构整体稳固性的措施主要有:减小偶然作用效应,避免重要构件及关键传力部位直接遭受偶然作用,在结构容易遭受偶然作用影响的区域增加冗余约束、布置备用的传力途径,配置贯通水平、竖向构件的钢筋并与周边构件可靠地锚固,设置结构缝已控制可能发生连续倒塌的范围等。

结构设计的作用与作用组合
     对于工程结构设计,需要考虑持久、短暂、偶然和地震等四个设计状况。装配式混凝土结构的分析方法与现浇混凝土结构的主要区别在于短暂设计状况,即施工阶段的验算。对于施工阶段,预制构件在脱模、翻转、运输、安装等各工况的施工验算,应将构件自重标准值乘以动力系数后或附加脱模吸附力后作为等效静力荷载标准值进行分析。装配式结构上的作用及作用组合应根据国家现行标准《建筑结构荷载规范》(GB50009)、《建筑抗震设计规范》(GB50011)、《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3)和《混凝土结构工程施工规范》(GB50666)等确定。

预制构件设计
1)构件拆分
    对预制构件进行正确、合理的拆分是装配式结构设计的重要工作,它对建筑立面、结构受力、工程造价等都会产生影响。构件拆分时,预制构件的设计应满足建筑模数协调,预制构件的连接部位尽量设置在构件受力较小的部位,并应尽量减少预制构件的种类,保证模板能够多次重复使用,使预制构件便于生产、运输、堆放、安装及质量控制。图1为某框架结构的拆分示意,预制构件的形式可为一字形、T形、十字形、Г形、形及竖向树形和水平树形等,框架梁柱节点可为现浇或预制。
2)构件设计
    预制构件的设计方法与现浇结构构件的基本相同,其主要区别在于施工阶段的验算。施工阶段的预制构件主要承受自重的作用,并将自重标准值乘以脱模吸附系数或动力系数得到等效荷载的标准值,以考虑脱模、振动等不利影响。在国内外现行规范中,大多采用控制荷载标准组合下的应力进行预制构件的施工验算。采用应力控制法进行预制构件施工验算,一方面,可以回避自重荷载分项系数取值问题;另一方面,控制混凝土应力或钢筋应力,既可控制裂缝,又可起到保证承载力安全的作用。
在装配式结构中,经常会采用一些特殊的构件,如L形梁、倒T型梁以及端部缺口梁等,在我国的设计规范GB50010并未给出这些构件的设计方法,行业标准JGJ1则参考了PCI手册及过往的研究成果,补充了这些特殊构件的设计方法。在装配整体式结构中,楼盖大多采用叠合楼盖,叠合楼盖除了要满足自身的承载力、裂缝和变形性能要求外,尚需满足传递水平荷载、保证刚性楼板的要求。
    在装配式结构施工中,钢筋的位置不像现浇结构那样容易调整,因此在设计时应准确考虑钢筋布放位置及排放顺序,特别是框架梁柱节点处纵向钢筋、箍筋的相对位置应理清。由于钢筋位置局部调整或采用机械连接时,钢筋的保护层厚度会变得比较大,应采取措施控制裂缝和避免大块混凝土剥落。
3)构件结合面的设计
    预制构件与现浇结构的结合面应进行预留键槽、拉毛或凿毛处理,也可采用露骨料粗糙面,在浇筑混凝土前,应对结合面进行清洁处理,并晒水润湿。除留设键槽外,我们相关现行标准中缺少具体的粗糙面处理工艺要求及评价要求,模式规范MC2010提供的评价方法可供参考。结合面是结构的薄弱环节,应验算其受剪承载力。过往研究表明,结合面的受剪承载力主要由摩擦作用和销栓作用提供,相应的有摩擦抗剪、销栓抗剪的计算模式。美国规范ACI318、欧洲规范EN1992-1-1PCI手册以及模式规范MC2010均给出了统一的结合面受剪承载力计算公式,但我国的标准GB50010JGJ1却区分了梁端结合面、叠合梁水平结合面、墙(柱)根结合面分别给出了3套计算公式,因此对该问题仍需进一步研究。

结构构件的连接技术
1)连接技术分类
    从施工方法上,预制构件的连接可分为干连接和湿连接两种。其中采用干连接时,不需浇筑混凝土,而是通过在连接的构件内植入钢板或其他钢部件,通过螺栓连接或焊接,从而达到连接的目的;采用湿连接时,需在连接节点处浇筑混凝土或水泥浆,钢筋一般采用机械连接或焊接。
2)连接节点分类
    根据节点两端构件类别,可将连接节点分为:板-板、板-梁、板-墙;梁-梁,梁-柱、梁-墙;柱-柱、柱-基础;墙-墙、墙-基础等。根据节点的受力特点、抗震性能要求、施工条件等,选择合适的连接方式。图2为装配式结构的连接示意。

3)钢筋连接技术
    预制构件连接节点是装配式混凝土结构的理论上的薄弱环节,而纵向钢筋的连接又是预制构件连接的关键。现浇混凝土结构中常用的纵向钢筋连接方式有绑扎搭接、焊接连接以及机械连接等(图3),由于装配式混凝土结构的连接部位较小,采用这些传统的钢筋连接方式有时不便于施工。上世纪60年代,余占疏(AlfredA.Yee)发明了钢筋套筒灌浆连接接头,该接头是使用专门加工的套筒,通过快硬无收缩灌浆料的传力作用,将钢筋锚固连接的一种接头,具有性能可靠、适用性广、安装简便等优点,很好地解决了装配式结构中的纵向钢筋连接问题,可有效实现等同现浇的设计要求。套筒灌浆接头在美国、日本等国家及我国台湾地区已有较成熟的应用经验,在我国内地的应用刚刚起步,且套筒灌浆接头主要被用于柱、剪力墙等竖向构件中,也有少量应用于梁、板等水平构件。使用套筒灌浆连接的装配式结构在过去几十年中经受住了若干次大地震的考验,美国和日本相关标准均认为它可以在地震区和高层建筑中安全地使用。图4为框架柱和剪力墙采用钢筋套筒灌浆连接接头示意。

装配式结构施工与质量控制
     装配式结构的施工过程主要包括预制构件制作、预制构件运输与堆放、预制构件的安装与连接三个阶段。其中预制构件可分在工厂生产和施工现场制作,包括模板制作、钢筋绑扎、混凝土浇筑和养护、脱模起吊、预应力张拉和放张、翻转、临时堆放等工序。装配式结构作为混凝土结构子分部工程的一个分项进行验收。装配式结构分项工程的验收包括预制构件进场、预制构件安装以及装配式结构特有的钢筋连接和构件连接等内容。对于装配式结构现场施工中涉及的钢筋绑扎、混凝土浇筑等内容,应分别纳入钢筋、混凝土等分项工程进行验收。装配式结构分项工程可按楼层、结构缝或施工段划分检验批。我国施工规范GB50666和行业标准JGJ1对装配式结构的施工过程提出了较为完整的技术要求,验收规范GB50204也将总结我国近年来工程应用的经验进行局部修订,可为装配式结构施工与质量控制构筑构筑完善的标准体系。与美国规范ACI117PCI手册相比,我国的施工规范GB50666、施工验收规范GB50204及行业标准JGJ1在施工偏差控制方面仍有不足,如对构件的分类不够细、对偏差控制指标规定不够全面、偏差控制指标与工程实际有脱节等。

绿色建筑评定标准

 

 

 

 

 

    为鼓励采用工厂化生产的预制构、配件设计建造工业化建筑,我国正在修订的国家标准《绿色建筑评价标准》(GB/T50378)(报批稿)增加了预制装配式结构的评分要求,初步方案如下

 

 

 


采用工厂化生产的建筑预制构、配件。评分规则如下:
1预制装配率不小于15%,得3分;
2预制装配率不小于30%,得4分;
3预制装配率不小于50%,得5分。
评价分值:5分。
    条文所指工厂化生产的预制构、配件主要指在结构中受力的构件,不包括雨棚、栏杆等非受力构件。在保证安全的前提下,使用工厂化方式生产的预制构、配件(如预制梁、预制柱、预制外墙板、预制阳台板、预制楼梯等),既能减少材料浪费,又能减少施工对环境的影响,同时可为将来建筑拆除后构、配件的替换和再利用创造条件。本条的评价方法为:设计阶段查阅施工图、工程材料用量概预算清单;运行阶段查阅竣工图、工程材料用量决算清单。

有待进一步研究的问题

加强规范对比研究

    美国、欧洲、日本、新西兰等国家和地区的装配式结构应用非常广泛,所编制的标准体系较为完整、内容也较为丰富,具有很强的借鉴作用。因此,有必要开展国内外规范比较,完善国内标准体系和技术内容。

完善相关的试验检验方法
    针对装配式结构工程应用特点,对相关专项技术展开试验研究和理论分析,完善其试验检验方法以及设计、选用方法,例如:
    钢筋套筒灌浆连接接头性能检验方法,与直螺纹等一般钢筋机械连接相比,套筒灌浆接头产品形式各异,连接机理也较复杂,且连接性能受到更多产品参数的影响,如钢筋锚固长度、锚固偏差、灌浆料龄期、灌浆环境、套筒内部构造等。现有机械连接标准(如中国的JGJ107和美国的ASTMA1034等)并未充分考虑套筒灌浆接头的这些特点,如直接套用一般钢筋机械连接的性能要求、试验方法和施工操作要求可能出在不足。
夹心保温外墙板拉结件性能检验方法,目前国内外采用的拉结件的材质、形状及工作机理不尽相同,其受力性能、耐久性能、导热性能等不可简单计算得到,因此有必要研究确定其相关性能的试验检验方法和合格标准。
    预埋吊件性能检验方法,为了节约材料、方便施工、避免外露金属件引起耐久性问题,预制构件宜采用内埋式螺母、内埋式吊杆或预留吊装孔等专用预埋吊件(图5),并采用配套的专用吊具实现吊装,但这些预埋吊件的材质、形状及工作机理不尽相同,其承载能力尚与周围混凝土强度、配筋情况等有关系,难以准确计算,因此有必要研究确定其相关性能的试验检验方法和合格标准。

完善设计内容和计算方法

     在装配式结构中存在大量的新旧混凝土接缝或预制构件灌浆接缝,这些接缝的承载力和抗震性能对整体结构的性能有直接的影响,但我国现行相关标准中,对结合面的受剪承载力计算尚未建立统一的计算方法,对结合面的抗震性能的了解还明显不足,有必要开展专题研究,完善相关的计算方法。
预制预应力构件的跨度往往比较大,可以应用于大跨度的工业厂房、车库、商场等工业和民用建筑中。我国现行标准规范对大跨度楼盖的振动舒适度控制并不完善,特别是在有叉车作用情况下的振动控制基本是空白,导致了部分预制预应力双T板工业厂房出现使用振动过大的问题。因此,对于大跨度的预制预应力楼盖的振动控制问题值得进一步研究。另外,对于大跨度结构,在季节温差作用下,会产生较大的温度效应,如何考虑温度作用和控制温度作用效应值得商榷。

高强混凝土和高强钢筋的应用技术

    推广使用高强混凝土和高强钢筋是国家政策所鼓励的。合理使用高强混凝土和高强钢筋,可以有效减少构件的截面尺寸、减少构件的自重、利于吊装,并能减少钢筋的用量。从使用条件上看,工厂生产的预制构件更有利于使用高强材料,一方面,可以保证混凝土材料的稳定性和施工质量,另一方面,也可以使用高强连续复合螺旋箍等方式提高构件的抗震性能。


可再利用、可再循环建筑材料以及废弃物利用技术

    建筑材料的循环利用和废弃物的利用是建筑节材与材料资源利用的重要内容,是《绿色建筑评价标准》(报批稿)主要评价内容。建筑中采用的可再循环建筑材料和可再利用建筑材料,可以减少生产加工新材料带来的资源、能源消耗和环境污染,具有良好的经济、社会和环境效益。在满足使用性能的前提下,可利用建筑废弃混凝土,生产再生骨料,制作成混凝土砌块、水泥制品或配制再生混凝土;可利用生活或工业废料、农作物秸秆、建筑垃圾、淤泥为原料制作成墙体材料、保温材料等建筑材料。

研究新型结构体系和施工技术
    装配式建筑结构设计的关键是节点连接,应该考虑结构的性能需求来设计连接节点。特别是针对抗震设防烈度较低、层数较少的工业与民用建筑,研究新型结构体系,如多层大跨度双T板框架、多层剪力墙结构、大型外墙板(tilt-up)及盒子模块建筑(module)(图6)等,以性能要求为控制目标,适当放松节点连接的要求,简化施工工艺,以利于装配式建筑结构的推广应用。

编制协会标准和指南

     我国国家标准和行业标准的编制或修订的周期都比较长,比如施工规范GB50666编制时间为4年、行业标准JGJ1时间更长,不能及时的将最新研究成果和工程实践经验转化为技术标准。因此,可以考虑有协会组织,编制相关的协会标准或指南,并建议成立专业技术委员会,针对相关技术议题开展研究并形成研究报告,为标准编制工作的进一步开展打下基础。

结语

 

 

 

 

 

 

    对国内外装配式混凝土建筑结构相关的技术标准体系进行了梳理,比较了相关专业技术标准的内容框架,并对相关问题展开了讨论。由于作者学识水平和能力有限,所收集的标准及相关文献不全且不是最新版本,对相关标准和文献的理解可能不完全正确,文中观点恐有不妥或错误,期待批评指正。

作者: 来源: 发布时间:2017年10月26日
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