工业化村镇建筑：装配式混凝土框架结构及节点连接技术

装配式混凝土框架结构根据是否使用预应力技术可分为两大类，一类是预应力装配式框架结构，主要包括装配式整体预应力板柱框架结构（IMS体系）、世构体系、预压装配式预应力框架结构等，其中世构体系在我国的应用较为广泛；另一类是非预应力装配式框架结构，在我国较为常用的是台湾润泰体系。

1.装配式整体预应力板柱框架结构

装配式整体预应力板柱框架结构（IMS体系）是采用普通钢筋混凝土材料，由构件厂预制钢筋混凝土楼板、柱等构件，在施工现场就位后通过预应力钢筋整体张拉形成整体预应力钢筋混凝土板柱结构。它是南斯拉夫最普遍采用的工业化建筑体系之一。这种体系分别在1969年和1981年经历了南斯拉夫两次大地震，表现出了卓越的抗震性能。装配式整体预应力板柱框架结构传统上多用于多层厂房，作为住宅建筑一般多为多层结构。

自唐山地震后，我国引进装配式整体预应力板柱结构，国家建筑研究院结构所、抗震所、设计所等单位进行了大量的构件、节点、拼板、机具等试验研究，并先后在北京、成都、唐山、重庆、沈阳、广州、石家庄等地建成科研楼、办公楼、住宅楼、车间、仓库等2～12层房屋十多幢，约4万平方米。装配式整体预应力板柱框架结构其预制楼板为方形或长方形。该体系施工时，现场先竖起预制的钢筋混凝土方柱（一般2～3层为一节），用临时支撑将其固定，再搭接支架搁置预制楼板（每跨为一整块楼板），待一层楼板全部就位后，铺设通长的预应力钢筋并通过张拉使楼板与柱之间相互挤紧，如图2-4、2-5所示。必要时沿纵横方向对预应力钢筋加竖向折力，使其产生弯曲折力，以补偿预应力损失，同时提供上抬力支托结构自重。楼板依靠预应力及其产生的静摩擦力支承并固定在柱子上，板柱之间形成预应力摩擦节点，最后在边肋中灌注细石混凝土。预应力筋同时充当着结构受力钢筋以及拼装手段两种角色。

图2-4 板柱框架体系平面布置及施加预应力示意图

图2-5 板柱节点平面示意图

这种结构原柱间的一整块大板可分为多块小板，拼板之间通过垫块传递挤压应力，形成了我国特有的垫块式拼板技术，如图2-6。这样既减小了板的尺寸，便于制作、运输和安装，又增大了结构跨度，使其应用更具灵活性。实际工程中根据纵横两个方向的柱距不同，板的划分形式也不同，柱间的一块整板也可以采用两板、三板、四板或六板等多块拼板形式。

图2-6 多拼板整体预应力板柱框架体系平面布置示意图（单位：mm）

装配式整体预应力板柱框架结构与一般常规框架结构相比，主要具有以下特征：

（1）该结构无梁、无柱帽、板底平整、结构跨度大，住户可以根据需要对室内隔墙进行调整，不受梁的约束，用途变更方便，空间布置灵活。

（2）该结构区别于其他结构体系的基本理论，依靠板柱之间的摩擦力来支撑楼面荷载，通过双向预应力的施加构成全装配式的无梁无柱帽楼盖，双向预应力筋使每条轴线形成预应力“圈梁”，这些圈梁像箍一样使整个楼层作为一个水平刚度很高的整体，以保证地震荷载等水平力合理地传给竖向构件。

（3）该结构的连接节点是具有自动调节和主动增长作用的柔性节点。在外力撤除后，可立即恢复到原位。在楼顶顶推时，各层变形基本呈线性曲线。这种结构的整体性好，具有较强的抗震能力。

2.世构体系

世构体系是基于套筒灌浆连接技术的预制预应力混凝土装配整体式框架结构体系，该体系楼板采用预应力混凝土叠合板体系。它是法国预制预应力混凝土建筑（PPB）技术的主要制品，其原理是采用独特的键槽式梁柱节点，将现浇或预制钢筋混凝土柱，预制预应力混凝土梁、板，通过后浇混凝土使梁、板、柱及节点连成整体。

在工程实际应用中，世构体系主要有3种装配形式：一是采用预制柱，预制预应力混凝土叠合梁、板的全装配；二是采用现浇柱、预制预应力混凝土叠合梁、板，进行部分装配；三是仅采用预制预应力混凝土叠合板，适用于各种类型结构的装配。此三类装配方式以第一种最为省时。由于房屋构成的主体是部分或全部为工厂化生产，且桩、柱、梁、板均由专用机具制作，工装化水平高，标准化程度高，因此装配方便，只需将相关节点现场连接并用混凝土浇注密实，房屋架构即可形成。

在2000年，南京大地集团公司引进世构体系，十多年来在南京建筑市场上完成了约100万2m的工程，并制订了江苏省工程建设推荐性技术规程《预制预应力混凝土装配整体式框架（世构体系）技术规程》（JG/T 006—2005）。其中代表性的建筑有南京审计学院国际学术交流中心、南京金盛国际家居广场江北店、南京红太阳家居广场迈皋桥店等。南京审计学院国际学术交流中心采用了预制柱、预制预应力混凝土叠合梁、叠合板的全装配框架结构形式，主体工程造价比现浇框架结构降低了10％左右。南京金盛国际家居广场江北店和南京红太阳家居广场迈皋桥店均采用了现浇柱、预制预应力混凝土叠合梁、叠合板的半装配框架结构形式，与现浇结构相比，建设工期大大缩短。

世构体系的预制构件包括预制钢筋混凝土柱、预制混凝土叠合梁、叠合板。其中叠合梁、叠合板预制部分受力筋采用高强预应力钢筋（钢绞线、消除应力钢丝），先张法工艺生产。

预制柱底与混凝土基础一般采用灌浆套筒连接，基础中的预埋套筒的位置如图2-7所示。其中，预留孔长度应大于柱主筋搭接长度，预留孔宜选用封底镀锌波纹管，封底应密实不漏浆，管的内径不应小于柱主筋外切圆直径。

图2-7 预制柱与现浇基础连接节点

图2-8 预制梁（槽键）与预制柱连接节点

预制梁与柱采用键槽式节点式连接（图2-8），这也是世构体系最大的特色。通过在预制梁端预留凹槽，预制梁的纵筋与伸入节点的U型钢筋在其中搭接。U型钢筋主要起到连接节点两端的作用，并将传统的梁纵向钢筋在节点区锚固的方式改变为预制梁端的预应力钢筋在键槽，即梁端塑性铰区搭接连接的方式，最后再浇筑高强微膨胀混凝土达到连接梁、柱节点的目的。

预制预应力叠合板和预制梁的连接节点如图2-9所示。典型的预制柱做法如图2-10所示。其中预制柱层间连接节点处应增设交叉钢筋，并与纵筋焊接，在预制柱每侧应设置一道交叉钢筋，其直径应按运输施工阶段的承载力及变形要求计算确定，且不应小于12mm。此外，柱就位后用可调斜撑校正并固定。因受到构件运输和吊装的限制，预制柱有时不能一次到顶，必须采用接柱形式。接柱可采用型钢支撑连接，也可采用密封钢管连接，具体的连接方法因具体工程而定。图2-11为预制柱、叠合板现场施工照片。

图2-9 预应力叠合板与预制梁连接节点

图2-10 预制柱层间节点

图2-11 预制柱、叠合板现场施工

世构体系与一般常规框架结构相比，主要具有以下特征：

（1）预制梁板采用预应力高强钢筋及高强混凝土，梁、板截面减小，钢筋和混凝土用量减少，且楼板的抗裂性能提高。

（2）预制柱采用节段柱（两三层柱预制），梁、板现场施工均不需模板，减少主体结构施工工期。

（3）楼板底部平整度好，不需粉刷，减少了湿作业量，有利于环境保护，减轻噪音污染，现场施工更加文明。

（4）叠合板预制部分不受模数的限制，可按设计要求随意分割，灵活性大，适用性强。

（5）由于预应力叠合板起拱高度无法准确控制，完工后可能出现明显的拼装裂缝。

（6）一般采用预应力叠合楼盖的结构体系适用抗震设防烈度小于等于8度的地区，虽然特殊的节点构造提高了世构体系的整体性能及抗震性能，但作为装配式框架结构，其适用范围限制在抗震设防烈度小于等于7度的地区。(www.xing528.com)

3.预压装配式预应力混凝土框架结构

预压装配式预应力混凝土框架结构起源于日本在20世纪90年代初研发出的一项名为“压着工法”的新技术，图2-12为压着工法示意图，它是在预制工厂中预制主梁和柱，并对梁进行一次张拉，并预留二次张拉的钢筋孔道。梁、柱就位后，将后张预应力筋穿过梁、柱预留孔道，对节点实施预应力张拉预压（二次张拉）。后张预应力筋既可作为施工阶段拼装手段，形成整体节点，又可在使用阶段作为受力钢筋承受梁端弯矩，构成整体受力节点和连续受力框架。在遭遇地震作用后，结构具有很强的弹性恢复能力，预应力的作用使得地震造成的裂缝闭合，节点恢复刚性，结构可以继续正常工作。克服了装配式框架节点整体性差、抗震性能差和梁端抗弯能力弱的缺陷，又解决了预应力混凝土框架难以装配的问题，形成预制预应力混凝土装配整体式框架。图2-13为预压装配式预应力框架现场施工图。

图2-12 压着工法示意图

图2-13 现场施工图

图2-14 日本品川住宅楼

至今为止，日本采用“压着工法”施工已建造了包括学校、停车场、仓库、工厂等40余幢建筑。其中代表性建筑为横滨国际综合竞技场和品川住宅楼。横滨国际综合竞技场的建筑面积为17.1万m2，周长达到850m。为了适应混凝土的干燥收缩和温度变形，通常每隔60～90m应设置一道伸缩缝。采用“压着工法”施工技术，将整个建筑划分为四个区域，穿连预应力筋，实施预应力张拉，有效地控制了混凝土收缩和温度变化产生的应力。图2-14为日本品川住宅楼，总层数为23层，建筑面积为18000m2。

图2-15为预压装配式预应力框架示意图。在预压装配式预应力框架结构中，次梁也可采用预应力混凝土梁，其与框架主梁的连接也可采用“压着工法”。采用“压着工法”完成了预应力框架及次梁的拼装后，再在梁上铺设预制预应力混凝土薄板，然后再浇筑混凝土叠合层（图2-16）。叠合层与预制板有效地连接成为整体，保证了楼板平面内的整体刚度，增强了结构的整体性。预制薄板既是叠合板的组成部分，又可兼作模板，从而节省了大量的模板费用，也降低了工时消耗。

图2-15 预压装配式预应力框架示意图

图2-16 叠合板示意图

预压装配式预应力混凝土框架结构有机地将预应力混凝土和装配式结构结合起来，使其不仅能发挥预应力混凝土的优越性，还能体现出装配式结构的各项优点。具体表现为：

（1）二次张拉使得节点由铰接变为刚性节点。由于节点核心区混凝土处于双向受压状态（梁水平预压、柱竖向轴压力），混凝土的横向变形受到侧向压应力的约束，在水平地震力作用下，预压装配式框架的节点有较强的抗裂能力和抗剪承载力，符合框架抗震设计的“强节点”要求，克服了传统装配式结构铰接节点受力可靠性差的缺陷，增强了结构的抗震性能。震后结构具有了很强的弹性恢复能力，从而可以继续使用。

（2）“压着工法”解决了装配式混凝土框架难以装配的问题，形成了预制预应力混凝土装配整体式框架。

（3）二次张拉的预应力筋可承受负弯矩，节点两侧预制构件受力连续，从而构成了连续框架，增强了装配式结构的整体性。

（4）预应力筋能有效地控制装配式混凝土结构在预制梁、柱拼接处产生的裂缝，提高了节点处的抗裂性能；同时，预应力也提高了构件的抗裂性能，从而增强了预压装配式结构的耐久性。

4.润泰体系

润泰预制框架结构体系是一种基于多螺旋箍筋配筋技术的预制装配整体式框架结构体系。该结构体系采用预制钢筋混凝土柱、叠合梁及叠合板，通过钢筋混凝土后浇部分将柱、梁、板及节点连成整体。润泰体系的核心技术在于预制多螺旋箍筋柱、套筒式钢筋连接器及超高早强无收缩水泥砂浆、预制隔震工法开发及预制外墙饰面效果技术开发。

1995年开始，台湾润泰集团引进芬兰Partex全套预制生产技术及干混砂浆生产线，外加日本抗震设计技术及自创钢筋加工技术、先进信息科技技术的运用等，将台湾地区的预制混凝土装配式工艺充分发挥并不断地创新研发，已经成为台湾建筑产业复合化工法的先驱。应用润泰体系，在台湾地区已建成500万m2以上的商业大厦和厂房，在上海、江苏等地也完成多个工程项目的试点应用。

润泰体系的预制构件包括预制钢筋混凝土柱、预制混凝土叠合梁及叠合板。它采用了传统装配整体式混凝土框架的节点连接方法，即柱与柱、柱与基础梁之间采用灌浆套筒连接，通过现浇钢筋混凝土节点将预制柱与叠合梁连接成整体，如图2-17所示。该连接节点的主要特点是预制梁端部伸出纵向钢筋并弯起，预制柱内纵向钢筋向柱4个角部靠拢，柱每边中间留出空隙，便于预制梁端部伸出的纵筋直接在柱节点区域内锚固，梁柱节点区域与叠合板一起现浇形成预制装配整体结构。润泰体系的施工过程为首先将预制柱吊装就位，利用无收缩灌浆料对预制柱进行灌浆，以实现柱与基础或上层柱与下层柱的连接。随后依次进行大梁吊装、小梁吊装、梁柱接头封模及大小梁接头灌浆，最后进行叠合楼板的吊装、后浇，形成框架整体。图2-18、图2-19分别为预制柱、预制大梁的施工图。

图2-17 框架梁柱节点示意图

图2-18 预制柱施工图

图2-19 预制梁堆放图

图2-20为其预制多螺旋箍筋柱示意图。该柱的配置方式是以一个中心的大圆螺箍再搭配四个角落的小圆螺箍交织而成，这种配置突破了传统上螺箍箍筋仅适用于圆形断面柱的限制。圆螺箍在结构效能及生产的效率上与方形箍相比，都有大幅提升。

图2-20 预制多螺旋箍筋柱示意图

图2-21为润泰体系的半预制隔震工法示意图，该工法已实际运用在2008年台湾大学土木楼，采用预制观念改良了传统的隔震工法，将隔震与预制结合，完成了比日本更快的隔震层建设速度。

图2-21 半预制隔震工法

润泰体系与一般常规框架结构相比，主要具有以下特征：

（1）构件生产阶段采用螺旋箍筋，减少了工厂箍筋绑扎量，相对提高了工厂构件生产效率；

（2）采用预制梁、板、柱，减少了现场模板用量及周转架料用量；

（3）该体系成本较现浇框架高，工程质量更易控制，构件外观、耐久性好；

（4）润泰体系装配框架结构用于抗震设防烈度小于等于7度的地区。