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房屋建筑装配式混凝土结构设计及建造工艺分析

时间:2018-5-21 15:04:33 来源: 点击次数:1467

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房屋建筑装配式混凝土结构设计及建造工艺分析

孙亚林

(西安铁路职业技术学院 土木工程系,陕西 西安 710600)

(xi`an railway Vocational & Technical Institute, Department of Civil engineer ,Shanxi Xi`an 710600)

摘要:本文对房屋建筑装配式混凝土结构的设计和建造工艺进行了分析和研究。预制柱、预制梁、预制楼板、预制楼梯、外挂墙板等构件是装配式混凝土框架结构的重要构件组成部分。一维构件和节点刚性连接的装配式框架结构体系在实际中应用最多的一种结构体系,因其性能与现浇结构基本一致,如抗震等级的结构上、设计方法、适用高度方面基本等同于现浇结构,在装配式剪力墙结构中,采用装配整体式剪力墙结构体系最多的是高层建筑,经过对装配式混凝土的生产工序、结构设计、施工过程等仔细研究后,同时分析了预制构件的工艺流程,并详细的阐述数控划线工艺实际当中存在的问题,并制定出有实施价值的解决方案。

关键词:装配式;混凝土结构;构件;工艺流程

1引言

目前,我国建造住宅大多采用水泥进行浇筑,欧美地区的住宅大多通过工厂预制进行[1-3]。通过工厂预制进行住宅的建造,可使材料节约30%,能源节约70%,有效节约土地20%。工厂预制建造住宅可将生产效率大幅提高,施工中产生的废弃物和垃圾较少,我国辽宁和河北发展较快的是住宅产业,尤其是在生产设备的研发及混凝土预制、住宅产业化等领域发展相对较快[4]。在国内,关于房屋建筑装配式混凝土结构设计、生产施工等方面的资料较少[5]。装配式混凝土构件的生产由3部分组成,分别为设计、生产和施工,本文对房屋建筑装配式混凝土结构的设计和建造工艺进行了分析和研究。

2 装配式混凝土的结构设计

2.1 装配式混凝土结构类型

装配式混凝土结构指的是通过各种连接方式,将预制混凝土构件或部件进行装配,形成混凝土结构,包括装配整体式和全装配混凝土结构等。以前,我国住宅体系主要采用装配式混凝土结构,从预制构件的构成看,预制圆孔板、大型屋面板、槽形板都属于该范畴,在工业厂房的建筑上采用此构件的机会较多[6]。由于结构受力模型、构件连接方式、建筑结构设计、构件生产、安装施工等方面还存在一定的问题影响,尤其抗震性能较差、保温隔热性能不好、防水防火性能较差,目前此中结构已被淘汰。目前设计的房屋建筑装配式混凝土结构主要包括剪力墙结构、框架结构、框架剪力墙结构等。这几种装配式混凝土结构的适用性、安全性、耐久性的非常优良。

2.2 装配式混凝土框架结构

预制柱、预制梁、预制楼梯、外挂墙板、预制楼板等构件是装配式混凝土框架结构中的主要构件组成部分。框架结构的某些优点对预制装配化结构形式比较适合,主要表现在传力路径明确,装配效率较高,现浇湿作业较少等。根据梁柱节点连接方式,装配式混凝土框架结构分为节点柔性连接和节点刚性连接。在设计方法及结构性能方面,节点刚性连接与现浇结构大体相同,但节点柔性连接比较复杂,节点连接方式快速简单是其采用的主要原因,根据节点性能,确定设计方法、耗能机制、结构整体性能等,相比于现浇混凝土框架,节点柔性连接区别较大。按预制构件的拼装及拆分方式,装配式混凝土框架结构的节点刚性连接分为梁柱一字型构件、二维预制构件、三维构件。

2.2.1梁柱一字型构件

一字型构件是梁柱的主要设计方式,构件拼接主要在梁柱节点位置进行,其优点是构件的施工和生产方便,结构具有较好的整体性;缺点是受力关键部位为接缝,具有较高的连接要求,构件截面较大,钢筋在节点区交错,图1为一字型构件的框架梁柱节点。

2.2.3三维构件

三维构件采用双十字型、三维双T型进行连接,三维构件的优点是因其是现场布筋,减少了钢筋之间的接头数量从而达到少浇筑混凝土;但由于其是三维构件重量较大,相应的缺点也不少,如运输、生产、安装、堆放、施工不方便。

在实际操作中,最常应用的方式有两种,一种是节点刚性连接,另外一种是一维构件装配式框架结构体系,究其原因是与目前所采用的浇结构性基本是一致的,在抗震等级和设计方法,以及高度确定等方面,与现浇结构并无本质区别,现场湿作业的情况容易出现问题,要尽量避免,要结合预制外墙板应用而决定采取何种方式,在对构件进行结构分析后,还要考虑结构性能、构件生产和安装等环节,采取最简单和高效的预制装配框架结构体系,现行国内规范中的框架结构在高度上的规范偏低,这是目前该结果在发展过程中存在的问题。为了提高框架结构的适用高度,加强框架结构的刚度,增强框架结构的延性、耗能、承载能力[7],需采用框架支撑结构。利用支撑降低框架地震能耗,避免主体结构发生倒塌,图3为框架支撑结构。

根据使用的预制墙体部位,装配整体式剪力墙结构分为部分预制和全预制结构两种。外墙预制结构、内墙现浇结构为部分预制剪力墙结构。全预制装配式剪力墙构件具有较高预制化率,同时也有较多的拼缝,具有一定的施工难度[8]。现浇方式的内墙结构性能类似于现浇结构,能很好适用于高度较大墙体;预制外墙和门窗等工程,使用预制结构的效果更加理想。

2.3.2叠合板式混凝土剪力墙结构

叠合板式混凝土剪力墙结构包括叠合式楼板、叠合式墙板,以边缘构件、板构件等为辅,具体见图5。从叠合式墙板的构成看,主要采用的是双面叠合剪力墙和单面叠合剪力墙。根据剪力墙受力要求,连接使用桁架筋,浇筑中间空心层组成整体剪力墙结构,共同承受水平力与竖向荷载作用。与现浇结构相比,叠合板式剪力墙墙体具有较小适用高度,设计方法和受力性能方面都较大差异。叠合板式混凝土剪力墙结构适用条件为:住宅处于非地震区或地震区,其抗震级别为7级,房屋高度小于60m,层数低于18层。

2.3.4多层装配式剪力墙结构

使用多层装配式剪力墙结构的6层以下的多层建筑,相比与高层装配式整体式剪力墙结构,简化了水平接缝、暗柱设置,降低了对剪力墙配箍率、配筋率、暗柱配筋率的要求。该技术施工简单、速度快、效率高,适用于村镇多层住宅。

2.4装配式框架-剪力墙结构

类似框架的装配式框架和装配式框架-剪力墙结构的框架部分,均采用的预制或现浇剪力墙部分。国内目前已开始将装配式框架-现浇剪力墙结构应用到了现实当中。岛国也研究过装配式框架-装配剪力墙结构,在一些工程中采用过装配式框架-现浇剪力墙结构。我国目前对于装配式框架-现浇剪力墙结构的应用还处于空白,但相关的研究工作正在开展[9]。为确保墙体结构的整体性,建筑顶层和底层使用现浇结构,这样就避免了竖向构件的不连续,转角窗在剪力墙中不适合采用,在剪力墙进行开洞时,应上下对齐洞的位置。当房屋出现不规则凹凸时,在连接时应采现浇梁板进行,将凹凸位置的长宽比减小。图6为装配式框架-剪力墙结构。

3预制装配式混凝土构件的生产

3.1 预制构件生产工艺流程

构件特征在生产中充分体现了预制构件的工艺流程,依据生产构件的工艺流程,预制构件在生产时,将数据传输到预制构件的生产工位上去的是中央计算机系统,构件的整个生产包括划线工序、摆放边模工序、安装钢筋工序、预埋件工序、振捣刮平工序、混凝土浇筑工序、预养护工序。在完成养护工序后,可直接运出生产的预制构件,提供给施工方。预制构件生产工艺流程包括:数控划线、安放边模、喷脱模剂、安放钢筋、振捣、预养护、拉毛养护、刮平、抹光、模具清洗、脱模等。通过数控画线机在模台上完成数控划线;在生产预制构件的模台上,使用喷脱模剂喷涂构件,目的是在构件养护完后,方便模台和构件的脱离;布料工序进行的是将钢筋、预埋件安放好,同时将其在模具平台进行摆放,而后混凝土浇筑;由于本身流动性通过混凝土在振捣过程中,能使模台上的水泥达到均匀分布。在国内,目前的生产设备还存在一些问题,具体表现在数控画线工序上,在传送过程中的生产线上,由于模台在水平方向上存在一定的偏转,致使模具放置会有一定偏差存在的现象,图7为混凝土预制构件生产过程。

.2 模具的设计安装

在预制构件生产过程中,主要涉及模具的清洗和摆放[10]。模具清理后模具内外表面上不能存在残留物是模具的清洗标准。国外模具的摆放是通过模具划线机进行自动摆放的;而在国内,模具划线和摆放分两步:第一步是采用划线机对模具位置进行自动画线,第二步是由人工完成模具位置的摆放。正式施工前,要检验钢模板的质量;质量合格后,使用脱模剂对钢模板进行喷涂,确保完成养护后,脱模剂与模台分离顺利。

3.3 预埋件的定位安装

不能接触预埋件,是在后续混凝土的振捣工序和浇筑工序中的注意事项,尤其混凝土浇筑时一定要留意尽量避免混凝土冲翻预埋件;在振捣时要注意振捣棒与预埋件之间设定安全距离,否则会影响埋件的位置。考虑到温差影响,由于预埋件和混凝土的热膨胀系数不同,加之预埋件在预埋件位置的存在,在收缩过程中造成混凝土产生应力集中,在生产过程中造成构件出现裂缝。因此,预埋件在较大的载荷力下,会对其周边的混凝土产生约束力,从而使构件整体抗拉能力得到有效提高。在钢筋和预埋构件安装完后,才能进行浇筑工序;在浇筑混凝土前,要检验混凝土质量,然后再进行浇筑,提高浇筑质量;振捣工序若采用人工振捣,振捣时要避开钢筋、模板、预埋管线等配件,目的就是防止混凝土在浇筑过程中产生气孔和发生分层。

3.4 预制构件脱模及成品保护

在经过浇筑工序后,预制构件和模台就进入护窑进行预养。维持预养护窑温在50±5℃,在温蒸汽中进行2h的养护,在达到养护时间后,养护工序就要紧随其后进行。为使预制板各方面性能达到最佳,最好将养护工序在立体仓库中进行,依据养护温度曲线,来自动控制养护窑里的温度;规定时间的养护后构件进入脱模工序。脱模吊装过程需采用专用平稳的设备来进行,可避免构件的开裂,在完成构件脱模后,将其放置在支架上,并对构件进行养护处理。

4预制构件的施工

4.1 施工前准备

材料、场地、机械设备等必须在预制构件施工前做好准备,对机械设备和场地方面的要求,现浇筑建筑和装配式建筑的施工有很大不同之处,构件需存放在预制构件场地。为减少搬运次数,尽量将预制构件堆放在地基平硬塔吊所能够得着的地方,防止构件变形,分割按构件类型进行,在安装过程中预埋射频卡可方便的找到构件。

4.2 连接件及调节件的安装

预制墙板构件通过吊装塔进行安装,对预制墙板上部套筒和下部钢筋进行初始定位后,接连安装构件底部连接件,调节连接件的依据是控制线位置,在安装平面内达到要求后,进行安装临时支撑,调整连接件斜撑,确保构件水平度、垂直度达到要求,构件垂直度通过全站仪进行确定,通过控制线确定构件水平度。目前,高层建筑采用装配整体式剪力墙结构体系较多,

4.3 弹线及定位

在安装预制构件时,根据施工图纸在完成面画出轴线位置,根据轴线尺寸画出控制线。在安装完成预制构件后,通过控制线复核质量。通过楼层控制点检测预制构件轴线。吊装前要检验预制构件构件质量、控制线、垂直度、施工标高。

4.4 预制构件的施工标准化

在预制构件进行施工时,根据建筑施工场地条件和构件特征,编制构件施工工序,形成文件。对施工人员进行培训,促进施工工序进一步标准化。在施工时,施工工具根据配件特点选用,非专用工具易损坏构件。

5结语

本文对房屋建筑装配式混凝土结构的设计和建造工艺进行了分析和研究。在实际应用时,一维构件和节点刚性连接的装配式框架结构体系与现浇结构的性能并没有太大差别,所以在实际中应用的最多,尤其在抗震等级的结构上,结构设计方法、适用高度方面基本等同于现浇结构,在装配式剪力墙结构中,采用装配整体式剪力墙结构体系最多的是高层建筑,经过对装配式混凝土的生产工序、结构设计、施工过程等仔细研究后,同时分析了预制构件的工艺流程,并详细的阐述数控划线工艺实际当中存在的问题,分析施工过程中可能出现或存在的主要问题,最后给出解决方案。

6 参考文献

[1]冯国华.房屋建筑装配式混凝土结构设计与建造技术进展研究[J],科技创新导报,2013,1:39-41.

[2]李海洋.预制装配式混凝土结构设计要点[J],江西建材,2016,24:49.

[3]刘道华.浅谈装配式建筑的结构设计优化[J],科技尚品,2016,16:18.

[4]杨飞.探析房屋建筑装配式混凝土结构经济效益和设计分析[J],科技展望,2016,8:47.

[5]石建光,林树枝.预制装配式混凝土结构体系的现状和发展展望[J],墙材革新与建筑节能,2014,1:45-48.

[6]刘佳.基于住宅产业化的预制装配整体式混凝土框架结构的研究与应用[D],成都:西南交通大学,2014.

[7]唐春刚.新型装配式混凝土结构技术的应用[J],水泥与混凝土,2015,1:27-29.

[8]张新娜.装配整体式混凝土结构设计与应用[D],邯郸:河北工程大学,2013.

[9]杨旭,李晨光,邓思华,等.装配整体式混凝土框架结构设计方法研究[J],土木建筑工程信息技术,2014,6(2):53-55.

[10]王军强.新型装配整体式混凝土结构施工技术[J],四川建筑科学研究,2015,41(1):31-35.

作作者简介:孙亚林(1963.11- ),男,汉族,陕西乾县,本科,讲师,研究方向:主要从事道路与铁道工程专业的教学与科研工作。

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