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一汽停车楼装配式结构深化设计关键技术研究

1、概况


1.1 主要参建单位


开发单位:中国一汽车集团有限公司

建筑设计:中国航天建设集团有限公司第二设计研究院

深化设计:北京预制建筑工程研究院有限公司

施工单位:中国建筑第八工程局有限公司

监理单位:长春市正清和监理有限公司

设计咨询及试验:中国建筑科学研究院


1.2 项目概况


本项目名称为一汽技术中心乘用车所建设项目,建设地点位于吉林省长春市汽车产业开发区,东风大街以北,凯达北街以西,丙九街以南,大众街以东所围成的区域。本项目包括前期策划办公楼、项目团队大楼、R&D设计大楼、停车楼、动能物流中心、造型中心以及会议中心等单体建筑,其中停车楼地上结构为预制装配式混凝土结构体系。总建筑面积:78834.6m2,东西宽103.975m,南北长132.40m,地上7层,局部地下1层,首层层高4.5m二~七层层高为3.2m,建筑高度:23.70m,如图1所示。


图1


2、建筑设计


本项目建筑平面布局为两栋矩形平面布置,分南北两栋楼间距26米其平面基本对称,两楼由端部过街楼在五~七层连为一体,过街楼下方为两条汽车通道。


建筑外墙面为清水混凝土饰面为主,其中南北西侧外墙面首层采用砖红色陶棍后挂装饰,二至七层窗下为 横向刷砖红色仿陶板外墙漆,西侧山墙楼梯间外墙立面采用装饰凹线条清水装饰混凝土饰面,如图2所示。


图2


两栋楼首层西侧和过街楼下方各设置三个汽车出入口,平面东侧靠山墙位置为主要人员疏散通道,电梯间楼梯间均布置在此处,另外西侧山墙拐角处有两个楼梯间疏散通道。两栋楼地上建筑每层均设停车位,停车位垂直墙体靠边布置中间预留不小于6米的行车道。首层主要布置大巴车、无障碍、自行车停车位,其余各层布置标准车位,整栋停车楼容纳车位数见表1,如图3-1所示。


整个停车空间按三跨立体布局,其中两跨为剪刀梯型斜坡车道,供车辆上下楼行驶所用,另外一跨为平层楼板行车道,如图3-2所示。


表1

图3-1

图3-2

3、结构设计


3.1 结构布置


停车楼平面为矩形,东西宽104m,南北长132m(南楼和北楼单楼宽度53米)建筑物地上为7层,1层地下室,地下室结构板顶标高-0.050m。停车楼主要荷载为小客车停放荷载,屋面为不上人屋面,抗震设防类别为丙级。


本结构体系竖向构件主要为预制混凝土剪力墙及柱,平面X向布置三道和Y方向四道预制剪力墙或预制柱,X向预制剪力墙为双肢墙并列排布,各墙肢之间不连接,独立承担水平力,各墙肢之间变形的协调依靠楼面。柱截面为1mx1m,墙片厚度主要有:0.3m、0.4mm两种。水平构件主要为2.38m宽预制预应力混凝土双T板、预制混凝土倒T梁及0.2m厚预制混凝土连梁。预制双T板跨度最大为17.25m,双T板肋间距为1.2m,双T板上设置80mm厚现浇混凝土叠合层,加强楼屋盖的自身刚度和整体性,避免结构楼屋盖局部振动,增强各预制柱及预制剪力墙在平面内的联系。水平构件通过竖向构件上预留的预制混凝土牛腿竖向传力,如图4-1、图4-2所示。


图4-1

图4-2


3.2 水平传力途径


结构水平传力体系包括预制混凝土剪力墙和预制柱。水平力由预制双T板及上部现浇叠合层共同受力并传递竖向力给竖向构件。在X方向,水平力主要通过楼板叠合层直接传递到相邻的X向墙片上,X向剪力墙依靠平面内的抗剪及抗弯能力抵抗水平作用。在Y方向,水平力通过预制双T板及叠合层传递给与其相连的Y向剪力墙,Y向剪力墙依靠面内的抗剪及抗弯能力抵抗Y向水平作用。


在水平力通过楼板向竖向构件传递的过程中,叠合楼板与预制剪力墙之间存在面内的剪力及拉力,主要通过叠合层与预制剪力墙之间的混凝土粗糙面及连接钢筋,以及预制双T板顶的预埋件与预制剪力墙埋件的钢板焊接件传递应力。预制双T板面板顶混凝土设计为粗糙面和抗剪钢筋,加强叠合楼板的整体性保证水平力的有效传递。


3.3 竖向传力途径


竖向荷载作用在楼、屋盖上主要通过预制预应力混凝土双T板传递力,再通过竖向构件上预留的预制混凝土牛腿或预制倒T梁将预制双T板的竖向力传递给预制混凝土剪力墙和预制柱上。


总之,结构传力过程中主要经过以下两个重要环节:


1)水平传力时,预制双T板叠楼、屋盖应与预制剪力墙或预制梁有可靠的连接,竖向受力构件上下连接的水平接缝应具有足够的刚度传递上层的水平力,水平接缝应满足抗剪、抗弯承载力要求。


2)竖向传力时,预制剪力墙、预制柱、预制梁预留牛腿能够承担预制双T板传来的竖向力,预制牛腿应满足局压、抗剪、抗弯承载力要求。


4、深化设计


本项目深化设计主要分为连接节点设计和预制构件设计,连接节点设计牵扯到将来现场装配图的设计内容,既要满足建筑设计和结构设计的要求,还要考虑施工安装过程当中的预留预埋、装配顺序的搭接关系以及现场可实施条件。预制构件设计是预制工厂层面的图纸,要保证工厂工艺方案的可行性,及脱模起吊当中的预留预埋及施工过程的验算。其中预制双T板的连接节点设计和构件设计是整个项目深化设计的重点和难点。


图5


4.1 连接节点设计


4.1.1 竖向构件连接


本项目竖向构件的连接主要以预制混凝土剪力墙和预制混凝土柱上下层构件的连接为主。

预制混凝土剪力墙二层以上为两层一个墙高来分块,上下墙之间的水平接缝处纵筋连接主要为钢筋灌浆套筒连接,水平缝上下结合面为粗糙面,缝隙用灌浆料填实。竖向缝大部分为开封设计,只有在结构平面纵横交接处和增强结构的整体性要求的地方做预埋件螺栓连接或焊接连接,如图6所示。


图6


预制混凝土柱为单层柱分块,上下柱之间的水平接缝处纵筋连接主要为钢筋灌浆套筒连接,水平缝上下结合面为粗糙面,并在预制柱底部结合面设置抗剪槽,预制柱底四个侧面预留埋件与下柱柱顶预埋件现场焊接连接,缝隙用灌浆料填实,如图7所示。


图7


4.1.2 水平构件连接


本项目水平构件连接主要以预制混凝土双T板与预制剪力墙、预制倒T梁、预制连梁、预制双T板之间的连接为主,另外还包括预制倒T梁和预制柱之间的连接及预制连梁与预制剪力墙之间的连接。


预制混凝土双T板和预制剪力墙在平面内Y方向以2.4米的模数分块,预制双T板的肋梁底部设置橡胶垫块简支搁置在预制剪力墙的预留混凝土牛腿上,预制双T板肋梁上口预留预埋件与预制剪力墙上预留埋件用 钢板连接件现场焊接连接,预制双T板顶部现场浇筑80mm厚混凝土叠合层,在剪力墙连接的根部混凝土加厚50mm加强连接刚度,同时有利于此处面层受力钢筋的锚固,如图8所示。结构平面东西两侧各有两跨框架梁柱,预制梁为倒T型梁,预制双T板的肋梁底部设置橡胶垫块简支搁置在预制倒T梁牛腿上,预制双T板肋梁上口预留预埋件与预制倒T梁上预留埋件用钢板连接件现场焊接连接,钢板连接件为“弓”型钢板有助于节点的塑性变形。构件安装完成后顶部现场浇筑80mm厚混凝土叠合层加强结构整体性,如图9所示。预制倒T梁两端设置橡胶垫块简支搁置在预制柱的预留混凝土牛腿上,预制倒T梁两端侧面预留预埋件与预制柱上预留埋件用角钢连接件现场螺栓连接,如图10所示。


图8

图9

图10


南北栋楼靠外侧立面预制剪力墙横向之间均为预制连梁设计,预制双T板的肋梁底部设置橡胶垫块简支搁置在预制连梁牛腿上,预制双T板肋梁上口预留预埋件与预制连梁上预留埋件用钢板连接件现场焊接连接。预制连梁两端设置橡胶垫块简支搁置在预制剪力墙的预留混凝土牛腿上,预制连梁两端侧面预留预埋件与预制剪力墙上预留埋件用钢板连接件现场焊接连接,如图11所示。


图11


预制双T板在两侧悬挑翼缘方向预留20mm的安装缝隙,并在50mm厚翼缘边缘均匀布置预埋件,现场用钢板连接件现场焊接连接,等所有双T板安装完成后做80mm厚顶层混凝土叠合面层,如图12所示。


图12


4.2 预制构件设计


本项目预制构件类型主要有:预制双T板、剪力墙板、柱、倒T梁、连梁和楼梯等,其中预制双T板最长尺寸为17.25米,最重的预制构件为20.27吨,预制构件混凝土体积总计14856立方米,构件统计详见表2。


表2


预制构件的设计包括,模板图设计、配筋图设计、预埋件设计及连接构造的设计,其中预制双T板的设计是此项目的重点和难点。


4.2.1 预制双T板设计


本项目预制双T板作为停车楼盖、屋面以及行车道的水平承载构件,主要荷载为当地屋面雪荷载和楼面轿车活荷载,受力模型为简支梁板结构设计,国内预制双T板图集中作为屋面板设计选用,并且长度为模数化定 型构件,面板薄构件截面带横向肋的轻型承载构件,不能满足项目的工程需要。


依据项目特点必须开发一 种重型双T板系统,借鉴国外双T板样式结合项目需求进行设计研究,主要内容为:

1)预制双T板截面定型;

2)预制双T板承载能力极限状态计算和正常使用极限状态的验算;

3)施工阶段进行验算:

预制双T板截面定型为肋梁截面高度0.7m肋底宽0.12m两肋间距1.2m肋梁两侧放斜口渐变,面板厚度0.05m与肋梁相交处做倒角设计,预制双T板按长线生产工艺设计长度方向定截面不变,按工程需求任意截取长度,预制双T板宽度方向可以按需求做成单T板构件使用,如图13所示。


图13


预制双T板承载能力极限状态计算和正常使用极限状态的验算:


几种截面特征参数计算:



(截面1)净截面面积An=0.34×106(mm2)

净截面重心轴到受拉边缘的距离yn=474.07(mm)

净截面惯性矩In=15.4×109(mm4)



(截面2)换算截面面积 A0=0.32×106(mm2)

换算截面重心轴到受拉边缘的距离y0=453(mm)

换算截面惯性矩I0=16.4×109(mm4)



(截面3)叠合面面积An=0.51×106(mm2)

叠合面重心轴到受拉边缘的距离yn=559(mm)

叠合面惯性矩In=26.4×109(mm4)

预应力损失值计算、正截面计算、抗裂计算等过程略……,具体可见论文集原文。


最终确定17.25米跨预制双T板在楼、屋面的配筋方案见表3。


3


4.2.2 预制剪力墙设计


本项目预制剪力墙是主要的竖向传力构件,双面预制牛腿、开洞、套筒连接出筋、预留埋件等构造导致外形较为复杂,除了满足结构构造要求外,尚需要满足构件为清水混凝土饰面的建筑要求,结合工厂生产工艺和吊装要求,构件设计按两个建筑层高为墙高,由于首层层高较高按单层分块。


上下墙连接结合面做成粗糙面,钢筋连接套筒和预埋出筋在工厂预埋,由于墙板按平躺工艺生产所以脱模吊母埋设在板的上表面,构件浇筑完成后上表面做平整度较好的压光面处理。由于吊装要求起吊吊点设在板顶端避开套筒钢筋布置,在板的两端埋设角钢预埋件现场钢板连接件焊接,来满足墙板的临时固定和底部抗剪、抗弯承载力要求,如图14所示。


图14


4.2.3 预制柱设计


本项目预制柱是采用单层分块方案,柱顶预留牛腿用于承担预制倒T梁或预制双T板传递的竖向荷载,上下柱连接结合面做成粗糙面,柱底部做抗剪槽,钢筋连接套筒和预埋出筋在工厂预埋,在柱的两端四面埋设预埋件现场钢板连接件焊接,来满足墙板的临时固定和底部抗剪、抗弯承载力要求。


预制柱按平躺工艺生产所以脱模吊母埋设在柱的侧表面,构件浇筑完成后侧表面做平整度较好的压光面处理,起吊吊点设在柱顶端避开套筒钢筋布置,如图15所示。


图15


4.2.4 预制梁设计


本项目预制梁有两种形式,即预制倒T梁和预制连梁,这两种梁均为水平传力构件,主要将预制双T板的竖向荷载传递给竖向构件。


预制倒T梁两端侧面预留预埋件与预制柱上预留埋件用角钢连接件现场螺栓连接,埋件处做凹陷处理满足由于角钢连接件突起导致的碰撞问题,如图16所示。


图16


预制连梁两端侧面预留预埋件与预制剪力墙上预留埋件用角钢连接件现场螺栓连接,埋件处做凹陷处理 满足由于角钢连接件突起导致的碰 撞问题,如图17所示。


图17


结论


一汽停车楼是我国第一座装配 式混凝土结构停车楼,具有典型的装配式结构体系特征,通过工程实践充分验证了装配式混凝土结构具有预制率高、施工速度快、安装精度高、现场污染少、节约资源等优点,预制停车楼在国外已得到广泛应用,我国未来停车设施建设中应大力推广。


来源:工程建设标准与实践

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