上海结建民防建筑设计有限公司 200062
【摘要】本文通过装配式混凝土结构在一个修复加固工程中运用的实例，来探讨装配式混凝土结构不仅能在新建工程中有广阔的天地，在加固改造类结构中也能得到广泛的应用。
【关键词】装配式混凝土结构、结构加固改造、无梁空心楼盖、抗浮、传统现浇钢筋混凝土、拆分、叠合
0、引言
近年来，装配式在我们国家的工程领域是一个炙手可热的名词，各种装配式建筑如雨后春笋般的拔地而起。出现了很多装配式的结构，按材料类型来分：可分为装配式混凝土结构、装配式钢结构、装配式木结构等，按结构形式来分：常见的有装配式框架结构、装配式剪力墙结构等，这些结构形式目前都通常应用在新建的项目，在加固改造类的项目中应用的比较少。本文就通过一个工程实例，来探讨装配式混凝土结构形式在加固和改造项目里的可行性和应用前景。
1、工程概况
本工程位于江西省赣州市，设计为地下一层结构，是一个公交车站的地下停车库（详见图1、2、3），地下室建筑面积约23000㎡，大部分柱网为12mx12m，地面为停车场及公交车行驶道路，结构体系采用钢筋混凝土无梁空心楼盖，空心楼盖上方覆土1.2m，基础形式为柱墩加防水板形式，持力层为圆砾层。抗震设防基本烈度6度，基本地震加速度0.05g，地震设计分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，建筑结构安全等级为二级，建筑抗震设防类别为标准设防类。项目于2017年开始施工建设，2020年初整体地下室顶板完工，覆土完成后发生局部地块的地下室顶板坍塌。经第三方检测单位检测，得出引起地下室顶板局部坍塌的主要原因为原结构设计中柱顶托板与空心楼盖相连处的抗冲切、抗剪承载力不足。后经对原设计全面复核发现，不仅是坍塌部位，其他未坍塌的部位均存在相同的问题，本次设计即为坍塌部位的修复设计以及未坍塌部分的加固设计，本文侧重于未坍塌部位的加固设计。对未坍塌部位的加固设计方案，结构设计师进行了多种方案的比选，前后经过三次专家评审，在综合考虑了各种因素，最后决定采用对原顶板卸载，增设新加楼盖形成空腔的方案（详见图4）。
本方案的具体构思为:未坍塌部分的空心楼盖不足以承受上面覆土和停车荷载，实现不了使用功能，为了满足使用功能，去除原设计1.2m的覆土，在原空心楼盖上新加结构顶盖形成空腔，新加顶盖的重量不超过原设计1.2m覆土的重量，但须同时满足地下室整体抗浮和局部抗浮的要求。通过这种方式使空心楼盖卸载至仅承受自重和下方悬挂的管道重量（经复核原空心楼盖的承载力能满足此种工况），上部其他荷载由新加顶盖承受，不对原空心楼盖产生影响的受力模式。
图4 地下车库加固空腔方案剖面示意图
2/结构设计中(加固部位)的主要难点和碰到的问题
原设计地下车库空心顶板面相对标高为-4.900（绝对标高为119.800），空心楼盖上方有1.2m的覆土，即场地相对标高为 -3.700（绝对标高为121.000）。去掉加固后表面面层厚度150mm，剩下可用的高度仅为1.05m，现要在这1.05m的高度内新加一个钢筋混凝土楼盖来承受上部停车等其他荷载以达到对原空心楼盖卸载的作用。传统的现浇钢筋混凝土楼盖可以采用如下方法实现：新加楼盖采用钢筋混凝土框架结构，原地下室700x700的柱子通过植筋方式接长至新加楼盖板顶；由于新加楼盖不能对原空心楼盖有影响，故现浇楼盖的模板必须拆除干净，主梁底部也必须同原空心楼盖脱开，不接触原空心楼盖。主梁跨度为12m，考虑主梁在楼盖自重和其他荷载下的挠度，主梁底部离原空心楼盖的间距为50mm，故主梁的尺寸可取为600x1000；为了达到拆模的的目的，每个柱网设置一个1000mmx1000mm的拆模孔，柱网内不设次梁；经抗浮计算，需要的混凝土板厚为350mm；这样，原空心楼盖和新加传统楼盖之间形成一个700mm净高的空腔（详见图5），等新加楼盖达到强度后，通过拆模孔进入空腔拆模，由于拆模高度仅为700mm，会给拆模工作带来很大的困难，施工单位不能保证主梁下50mm空间内的模板完全拆除干净，监理的监督工作也不能确保实施到位。由此可见，常规的现浇钢筋混凝土困难重重且工程质量得不到有效的保证。在这种情况下，预制装配式结构就显示出它的优越性。因为当新加楼盖采用预制装配式以后，就不需要在空腔内设置模板，更没有必要进入空腔内拆模，现浇遇到的最大拆模问题就迎刃而解了。
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图5 新增混凝土楼盖常规现浇剖面示意图
3、装配式混凝土结构在本修复加固工程的具体运用
经过方案比选、计算论证，最后决定本修复加固工程采用预制装配混凝土结构，实现的具体方法如下：
（1）、把原有地下室700x700的钢筋混凝土柱利用植筋接长1.05m，本工程柱网跨度较大，12m长的预制梁不方便运输，加上地下室平面形状不规则及已建出地面的楼梯间、候车室等已有建筑的影响，全部采用预制构件在现场装配，然后现浇叠合的方式会增加很多施工的难度，故接长的柱和新加楼盖的梁采用现场现浇，板部分采用装配叠合整体式。这样梁、柱和板可以分批施工，由于梁拆模时没有板，不会造成拆模空间不够的问题，主梁底部50mm空间内的模板拆除也较之相对容易些。为了减小预制板的跨度，12mx12m的柱网内设置井字次梁。
（2）、对300mm厚新加楼盖的楼板部分进行拆分，单块板按二阶段成形的水平叠合受弯构件予以设计。根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010,2015年版）关于二阶段成形的水平叠合受弯构件第9.5.1条要求，当预制构件高度不足全截面高度40%时，施工阶段应有可靠的支撑，考虑到本项目施工阶段预制构件下不设支撑，结合二阶段的受力计算，确定为200mm厚预制板，上叠加100mm厚后浇叠合层的拆分方式。同一柱网的各板块之间采用整体式拼缝按双向板设计。根据《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ1-2014）第6.6.2条要求，当板厚大于180mm的叠合板，宜采用混凝土空心板，本工程考虑抗浮配重，200mm厚预制板采用实心板形式，详见图6。
（3）、本工程整个加固部分的建筑面积为17000m2，需考虑超大、超长混凝土结构收缩产生的抗裂问题。采用常规现浇混凝土结构这是个绕不过的坎，工程设计中通常会采用诸如每隔30~40m设置后浇带，合理选择混凝土配合比，选用水化热低的水泥并掺加粉煤灰、矿粉和高效减水剂，控制水泥用量，加强养护工作等，对裂缝要求严格的结构往往还会在混凝土中掺入一定比例的阻裂纤维。但采取这些措施后，由于施工管理水平的差异以及抗裂纤维在掺入混凝土时搅拌不充分等问题，混凝土裂缝的控制一直得不到有效的解决，混凝土裂缝现象在很多工程依然是质量通病。装配式由于可以分批、分阶段的实施，还可以通过在叠合层里设置合理的缝隙来有效防止混凝土结构不规则裂缝问题。本工程设计时，在现浇的梁、柱中采用设置温度后浇带等常规方式来防止产生不规则裂缝，在叠合板和框架主梁交接处通过花篮梁形式设置收缩缝，详见图6。
（4）、考虑到200mm厚4mx4m的预制板重量较重，为了增加脱模、吊装、运输、施工时的刚度和预制叠合水平界面的抗剪性能，以及提供吊装时的吊点，在预制板内设置桁架钢筋，钢筋桁架的下弦钢筋兼作为楼板下部受力钢筋的一部分考虑。
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图6 新增混凝土楼盖装配式剖面示意图
4、针对加固工程设计过程中采用的装配式混凝土结构的一些建议
（1）、建设、设计、施工制作各单位在方案阶段就需要协同工作，共同对建筑平面和立面根据标准化的原则进行讨论和优化，对应用预制构件的技术可行性和经济性进行分析，共同进行整体策划以求最佳方案。与此同时，设计各工种、各专业也应密切配合对预制构件的尺寸、形状、节点构造等提出具体的技术要求，并对制作、运输、安装和施工全过程的可行性及造价做出预测，这项工作对建筑功能和结构布局的合理性以及工程造价都会产生比较大的影响，是十分重要的。
（2）、不同装配式混凝土结构的体系选择时，要分析不同装配式结构体系对不同装配式建筑功能的适用性；考虑综合因素，譬如地震烈度、气候条件、使用功能、生产能力、运输条件、施工水平等合理确定技术方案；考虑不同建筑部位的难度和经济型，一般水平预制构件预制难度较低，成本增量较少，竖向预制构件预制难度大，成本增量较高。对各种结构体系和连接做法，要考虑限制条件，因地制宜的选用。
（3）、在装配式建筑的结构设计中，构件的划分是重中之重，预制装配方案直接影响到生产、运输、吊装和连接等环节，是装配式建筑成功实施的关键。方案和结构布置阶段就需充分考虑装配式建筑实际要求，摒弃先现浇设计、后拆分的设计方式；预制构件与连接应综合考虑标准化、模数化、系统协调，同时满足制作、运输、安装各环节的要求，便于工厂化生产和现场连接。
（4）、预制装配式混凝土结构须保证结构受力、传力途径有效以及构件节点的协同工作，并在这基础上进行整体结构分析和构件连接设计，重视概念设计和节点连接构造，预制构件的连接位置应选在受力较小处且便于施工。节点和接缝应受力明确、构造可靠，并应满足承载力、延性和耐久性等要求。
（5）、由于预制构件在制作、施工安装阶段的荷载、受力状态和计算模式与使用阶段不同，叠合混凝土强度在制作、施工阶段尚未达到设计强度。故在装配式结构构件及节点的设计过程中，应按二阶段进行设计，除根据使用阶段进行验算外，还应重视施工阶段的验算，对预制构件在脱模、翻转、起吊、运输、堆放、安装等生产和施工过程中的安全性进行分析。
（6）、装配式结构在后浇混凝土未达到设计强度前需对预制构件采取可靠的有效临时支撑，确保构件最后能整体协同工作。
5、结语
本文通过装配式混凝土结构在实际修复加固工程中的应用的一例实例，来说明装配式结构不仅能应用在新建工程中，而且将在既有结构的加固、改建中得到越来越广泛的应用。作为一名合格的结构设计师，一定要掌握这种结构形式并加以灵活运用。
参考文献
【1】《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010,2015年版）
【2】《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ1-2014）
【3】国家建筑标准设计图集《装配式混凝土结构连接节点构造》（G310-1~2 2015年合订本）
【4】国家建筑标准设计图集《桁架钢筋混凝土叠合板》（15G366-1）
【5】王平山《装配式混凝土结构设计概要与案例》