一种装配式预应力混凝土框架结构的制作方法

本发明属于装配式建筑技术领域，尤其涉及一种装配式预应力混凝土框架结构。

背景技术：

工业化建筑在国内外逐步替代大规模现场制作建筑，采用工厂化预制，在建筑工场组装，是建筑业发展的方向，已成为我国建筑业发展的国家战略加以大力推行。目前工业化建筑的主要结构形式为装配整体式混凝土结构，即在工厂预制主要结构构件，到现场进行装配，并局部现浇部分混凝土，使构件间连接成一个整体结构。

现有的装配整体式混凝土框架结构体系主要在工厂预制梁、板结构，也有部分结构柱，在现场浇注叠合梁、叠合板的上半部分以及梁、柱节点或部分整体结构柱，这些部位的现浇混凝土主要是为了保证混凝体结构的整体性，实现装配整体的结构形式。由于还有1/3左右结构混凝土量在施工现场浇注，故也称为湿式装配整体式混凝土框架结构体系。这种湿式装配整体式混凝土结构可以大幅度减少现场混凝土施工量，但还是要保留整套现场浇注混凝土的工艺，也给施工现场带来较大的粉尘，对城市环境有一定的影响。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种减少粉尘、易推广的装配式预应力混凝土框架结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种装配式预应力混凝土框架结构，包括预制柱和预制梁，所述预制梁包括预制主梁和预制次梁，所述预制柱与所述预制主梁的一端相连并于连接处形成节点区域；

所述预制柱在所述节点区域分割为预制上柱和预制下柱，所述预制上柱与所述预制下柱之间在节点区域处通过浆锚套筒和连接钢筋相连接，同时，所述预制柱内预埋有柱内竖向受力钢筋且所述柱内竖向受力钢筋在所述节点区域处连续；所述预制上柱在与预制主梁连接的一端预埋有水平连接钢板，所述预制下柱在与预制主梁连接的一端预制有第一牛腿；

所述预制主梁在与预制柱相连的一端位于所述水平连接钢板与第一牛腿之间并通过第一预紧连接螺栓连接，所述预制主梁与第一牛腿上均设有预埋螺栓孔，所述第一预紧连接螺栓自上而下依次穿过水平连接钢板、预制主梁上的预埋螺栓孔和第一牛腿上的预埋螺栓孔；所述预制主梁内在沿着其长度方向预留有预应力筋通道，所述预应力筋通道内设有预应力筋，预应力筋的两端锚固在预制柱上；

所述预制次梁在与预制主梁连接的一端上设有连接槽和预埋螺栓孔，所述预制主梁在与预制次梁连接的一侧预制有第二牛腿，所述第二牛腿上也设有连接槽和预埋螺栓孔，所述预制次梁位于所述第二牛腿上并通过第二预紧连接螺栓连接，所述第二预紧连接螺栓自上而下依次穿过预制次梁上的连接槽、预制次梁上的预埋螺栓孔、第二牛腿上的预埋螺栓孔和第二牛腿上的连接槽。

进一步，所述预制梁按拼接关系可分为无预制楼板拼接的普通梁和用于预制楼板拼接的翼梁，所述预制楼板在与翼梁连接的一端上设有连接槽和预埋螺栓孔，所述翼梁的翼部上也设有连接槽和预埋螺栓孔，所述预制楼板位于翼梁的翼部上并通过第三预紧连接螺栓连接，所述第三预紧连接螺栓自上而下依次穿过预制楼板上的连接槽、预制楼板上的预埋螺栓孔、翼梁的翼部上的预埋螺栓孔和翼梁的翼部上的连接槽；所述预制楼板与预制梁的内部均设有受力钢筋。

再进一步，所述预制上柱在节点区域的下端面预埋浆锚套筒，预制下柱在所述节点区域的上端面预留连接钢筋，所述连接钢筋插入浆锚套筒内并注入水泥浆。

再进一步，所述水平连接钢板在预制上柱内的一端上还设有端板。

再进一步，在预制柱为预制角柱时，预制角柱在柱外侧角部沿着其高度方向预留有柱内竖向预应力螺栓通道及端头处的预应力螺栓槽，竖向预应力螺栓穿过柱内竖向预应力螺栓通道且其连接接头位于所述预应力螺栓槽内。

再进一步，所述预制上柱与预制下柱的连接面上、预制主梁与第一牛腿相连接的连接面上、预制次梁与第二牛腿连接的连接面上、预制楼板与翼梁的翼部的连接面上均采用抗剪键及坐浆的连接方式。

更进一步，所述竖向预应力螺栓的连接接头采用外六角的长螺帽。

本发明的有益效果主要表现在：对建筑结构中采用预应力技术和全面的工厂化预制技术，将混凝土结构的结构构件全部在工厂预制，到现场装配中采用预应力技术将结构构件装配成整体，只通过少量的接缝及预应力通道灌注砂浆来实现干式装配整体的混凝土结构形式，这样可取消施工现场的混凝土浇注工艺，也可消除商品混凝土运输给城市交通造成的压力，可消除建筑施工现场的粉尘产生以及混凝土输送给城市交通造成的不安全性，也可为建筑业真正走向工业化打下基础。

附图说明

图1是预制中柱与预制主梁的连接示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是预制边柱与预制主梁的连接示意图。

图4是图3的俯视图。

图5是预制角柱与主梁的连接示意图。

图6是图5的俯视图。

图7是翼梁的截面图。

图8是预制主梁与预制次梁的连接示意图。

图9是图8的俯视图。

图10是预制楼板与翼梁的连接示意图。

图11是图10的俯视图。

图12是水平连接钢板的结构示意图。

图13是图12的A-A剖视图。

图14是翼梁的配筋示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图14，一种装配式预应力混凝土框架结构，包括预制柱和预制梁，所述预制梁包括预制主梁8和预制次梁19，所述预制柱与所述预制主梁8的一端相连并于连接处形成节点区域；

所述预制柱在所述节点区域分割为预制上柱1和预制下柱2，所述预制上柱1与所述预制下柱2之间在节点区域处通过浆锚套筒和连接钢筋相连接，同时，所述预制柱内预埋有柱内竖向受力钢筋14且所述柱内竖向受力钢筋14在所述节点区域处连续；所述预制上柱1在与预制主梁8连接的一端预埋有水平连接钢板5，所述预制下柱2在与预制主梁8连接的一端预制有第一牛腿；

所述预制主梁8在与预制柱相连的一端位于所述水平连接钢板5与第一牛腿之间并通过第一预紧连接螺栓连接，所述预制主梁8与第一牛腿上均设有预埋螺栓孔，所述第一预紧连接螺栓自上而下依次穿过水平连接钢板5、预制主梁上的预埋螺栓孔和第一牛腿上的预埋螺栓孔；所述预制主梁内在沿着其长度方向预留有预应力筋通道9，所述预应力筋通道9内设有预应力筋，预应力筋的两端锚固在预制柱上；

所述预制次梁19在与预制主梁8连接的一端上设有连接槽17和预埋螺栓孔7，所述预制主梁8在与预制次梁连接的一侧预制有第二牛腿，所述第二牛腿上也设有连接槽17和预埋螺栓孔7，所述预制次梁19位于所述第二牛腿上并通过第二预紧连接螺栓连接，所述第二预紧连接螺栓自上而下依次穿过预制次梁19上的连接槽、预制次梁19上的预埋螺栓孔、第二牛腿上的预埋螺栓孔和第二牛腿上的连接槽。

进一步，所述预制梁按拼接关系可分为无预制楼板拼接的普通梁和用于预制楼板拼接的翼梁15，所述预制楼板16在与翼梁15连接的一端上设有连接槽17和预埋螺栓孔，所述翼梁的翼部上也设有连接槽和预埋螺栓孔，所述预制楼板位于翼梁的翼部上并通过第三预紧连接螺栓连接，所述第三预紧连接螺栓自上而下依次穿过预制楼板上的连接槽、预制楼板上的预埋螺栓孔、翼梁的翼部上的预埋螺栓孔和翼梁的翼部上的连接槽；所述预制楼板16与预制梁的内部均设有受力钢筋。

再进一步，所述预制上柱1在节点区域的下端面预埋浆锚套筒，预制下柱2在所述节点区域的上端面预留连接钢筋，所述连接钢筋插入浆锚套筒内并注入水泥浆。

再进一步，所述水平连接钢板5在预制上柱1内的一端上还设有端板。

再进一步，在预制柱为预制角柱时，预制角柱在柱外侧角部沿着其高度方向预留有柱内竖向预应力螺栓通道及端头处的预应力螺栓槽10，竖向预应力螺栓11穿过柱内竖向预应力螺栓通道且其连接接头位于所述预应力螺栓槽内。

再进一步，所述预制上柱1与预制下柱2的连接面上、预制主梁8与第一牛腿相连接的连接面上、预制次梁19与第二牛腿连接的连接面上、预制楼板16与翼梁15的翼部的连接面上均采用抗剪键及坐浆的连接方式。一般是在预制件上设计出抗剪键槽41，它是一个下凹的槽口，当安装时，在连接面坐浆压紧后，槽内充满了水泥砂浆，凝固后才成为抗剪键及坐浆4。

更进一步，所述竖向预应力螺栓11的连接接头采用外六角的长螺帽。

本实施例中，预制柱包括预制中柱、预制边柱、预制角柱，牛腿3包括第一牛腿和第二牛腿，预紧连接螺栓6包括第一预紧连接螺栓、第二预紧连接螺栓和第三预紧连接螺栓。

本发明的基本原理是利用混凝土结构工厂化制作的成熟工艺与先张法预应力技术，在工厂预制好框架结构中的梁、板、柱结构构件，再利用后张法预应力技术将预制混凝土构件在现场进行装配，连接成整体结构。

由于将先张法预应力和后张法预应力技术同时引进到混凝土框架结构中，需要在混凝土框架结构的设计方法上进行适当的调整，主要是要为后张法预应力连接预留出连接通道位置及锚固位置，同时要考虑结构中预应力钢筋与非预应力钢筋的不同作用，使之能协调工作。采用干式连接需要在连接处设计连接机构，连接机构主要是采用牛腿结构加后张法预应力，也需要采用如键槽、销钉等方法，所有这些连接方法均要求连接面上坐浆处理；

本发明的核心是混凝土预制构件的结构设计计算原则和现场的干式连接方案，连接方案与构件预制设计原则相协调。预制构件的结构设计基本方法依据现行的混凝土结构设计规范，在现行设计计算的基础上调整截面钢筋配置方式，在保证截面钢筋总面积不减少的条件下，用粗钢筋代替多根细钢筋，用钢筋集中对称布置代替分散布置，为后张法预应力钢筋留出通道及张拉空间。干式连接方案包括柱身、梁柱间、板梁间三大方面的连接方案，其中柱身间的连接采用目前湿式连接中常用的浆锚套筒形式，加上外置的预紧连接螺栓和柱身上的柱内竖向受力钢筋固方案相结合；梁柱间采用牛腿预紧连接螺栓加梁预应力筋穿越节点的方案；板梁间的连接采用翼梁加预紧连接螺栓的连接方案。此连接方案可以保证框架结构梁柱节点的混凝土采用预制结构，实现“强节点”的设计要求；柱结构在楼层面相连接，柱身全部预制，再由贯穿于柱连接面的预紧连接螺栓使柱连接面的水平抗剪承载力比节点现浇的湿式连接得到进一步加强，柱身上没有现浇的混凝土段，全柱均采用预制的高性能混凝土，可保证柱身的抗侧承载力要求；梁与柱的连接通过牛腿加梁预应力筋穿越节点的方案，不仅可减少节点处现浇混凝土的复杂工艺，同时可保证连接面的抗剪要求，保证受地震作用时梁不致垮落；楼板直接搁置于翼梁的翼部，并用预紧连接螺栓将楼板与梁相连接。

本发明的技术方案是建立在现行的现浇混凝土框架结构和湿式装配整体式混凝土框架结构的基础上提出的，目前湿式装配整体式框架结构在梁、柱节点处采用现浇混凝土，对于梁、板结构采用预制梁板的下部，而现浇上部结构的叠合结构方法，本发明的核心是改变湿式现浇混凝土方法，将框架梁、柱和板等结构构件全部采用预制构件，并用浆锚套筒加预应力筋和预紧连接螺栓连接的方案。

预制的钢筋混凝土柱与楼板可依照现行的混凝土结构设计标准执行，预应力混凝土梁可分成两种，对于主梁，可依照现行的后张法预应力混凝土梁设计标准执行，对于次梁，当跨度较大，一般为超过10m时可以依照先张法或后张法预应力梁进行设计，而对于一般跨度的次梁，可采用普通混凝土结构梁进行设计。梁的截面布置可分为两种，一种是在其上无楼板拼接的，可采用普通矩形梁或T字形梁，若在梁上有楼板进行拼接时，可采用翼梁截面如图3所示，翼梁也可分为单侧翼梁和双侧翼梁，对应于单侧楼板的边梁和双侧楼板中间梁。

首先要根据建筑设计和现浇混凝土结构设计确定梁、柱、板的布局，然后进行装配式预制结构分拆设计。原则上对柱网布置不进行大幅调整，主要的分拆设计针对楼盖结构。具体步骤如下：

1)确定预制楼板的跨度及板幅，确定预制楼板的搁置方案，定出预制楼板拼接位置的梁。

2)确定预制楼板拼接处翼梁的截面及梁板的连接方案，并按现行混凝土结构设计规范确定梁的配筋和连接件。

3)将预制上柱、预制下柱的连接位置设计在主梁的中部位置，通过预紧连接螺栓将下柱上的牛腿及上柱预埋的水平连接板将梁与柱相连接，同时将柱的连接面压紧，提高柱连接面的抗侧移能力；对于角柱，考虑到柱四边竖向预压力不均匀，在柱外侧角部增加一根柱内竖向预应力螺栓，如图2，随框架的组装，逐层施加预应力及逐层接长柱内竖向预应力螺栓。

4)按新划分的楼板形状确定楼板预制方案，按现行混凝土楼板结构设计规范重新设计楼板配筋，并确定与翼梁的连接方案和连接预埋件；确定预制主梁的预应力筋设计方案和锚固方法，以及与柱和次梁的连接件。

5)确定预制次梁的跨度，按简支梁设计次梁的配筋和与主梁的连接件。

6)设计结构柱的预制方案，原则上每层一个柱段，当吊装、运输条件允许时，可每两层确定为一个预制柱段。按现行的浆锚套筒连接方法在连接面两侧柱内分别预埋柱段的浆锚套筒和预留柱内竖向受力钢筋。

7)在工厂预制好柱、梁、板等构件后，将其运至建筑现场，按设计图纸进行组合装配，首先立柱，再将主梁吊将至设计位置，置于两侧牛腿之上，在柱侧用连接螺栓将牛腿、梁端及柱上水平方向的连接钢板连接在一起，并按设计施加预紧应力，组成基本的框架结构体系。

8)将次梁吊装并搁置于两侧主梁的牛腿之上，再用连接螺栓将主、次梁连接在一起。

10)将预制楼板吊装，搁置于两侧的翼梁上，并通过翼梁和楼板端部预留的连接孔用螺栓将翼梁与楼板连接在一起。

11)在主梁上穿预应力筋，在两端施加预应力，并锚固之。

12)用水泥砂浆凝胶填充所有连接缝，封密所有连接螺栓和连接件的暴露部分。

13)逐层进行柱、梁、板的装配、连接、封密直至全部混凝土结构构件组装完成。

本发明的具体实施方案如下：

1)本发明干式装配式预制混凝土构件连接的基本形式为混凝土连接面的坐浆加抗剪键槽加预紧连接螺栓，对于主梁与柱的连接再利用主梁的预应力筋进一步增强框架梁、柱间的连接性，可确保框架结构的整体稳定性。

2)楼盖分拆设计确定预制梁格的构成形式和楼板的搁置方案。考虑预制、运输及吊装条件，预制楼板的拼接可以在主梁上完成，也可以在次梁上完成，拼接楼板的梁截面为翼梁形式；其余梁均与现浇混凝土楼盖梁一样，可采用矩形和T形，这些梁均为楼板的直接搁置梁，即梁高不包括楼板厚度，预制楼板是置于预制梁上方。预制楼板间，即宽度方向的拼接与其它连接缝和连接面一样，均采用水泥砂浆凝胶灌入封闭。

3)预制柱与预制主梁、主梁与次梁、楼板与翼梁间的搁置连接面均采用抗剪键及坐浆4连接方式，安装时要保证坐浆均匀，抗剪键槽41填充饱满。

现以常见的中柱与主梁、主梁与次梁、两端搁置的翼梁与楼板的连接为例说明预制框架结构的结构制作与组装方案：

1)根据现行的《混凝土结构设计规范》计算确定框架结构的柱网和梁格布置，按预制结构的制作条件及运输、吊装条件确定预制柱的高度；根据所确定的梁格布置，确定预制楼板的跨度及板幅和搁置方案，定出楼板拼接位置的梁，原则上将楼板的拼接位置放在主梁上。

2)确定结构柱的预制方案，原则上每层一个柱段，当吊装、运输条件允许时，可每两层确定为一个预制柱段。上、下柱段间竖向受力钢筋采用浆锚套筒连接，按现行的浆锚套筒连接技术规程在预制上柱1下端面侧预埋浆锚套筒，预制下柱2上端面预留连接钢筋；同时在上柱预埋水平连接钢板5，在预制下柱预制牛腿3。如图1、图2、图3和图4所示，中柱和边柱与主梁的连接。

将柱分段预制，柱内竖向受力钢筋配筋总截面不变，适当调节柱内竖向受力钢筋的配置位置，避免与主梁8上的预应力筋相冲突，必要时可将柱中竖向受力钢筋调粗，并向四角集中；在与主梁连接区域要设计连接用的牛腿和水平连接钢板5，牛腿3的设计方法可参照现行混凝土结构牛腿设计方法，并预留预紧螺栓孔7，每侧连接螺栓6个数与直径根据梁大小确定，一般主梁以2个为宜，预紧连接螺栓的直径Ф＝20～40mm；如图12和图13，水平连接钢板5的厚度i可根据梁大小不同可取15～30mm，且与竖向受力钢筋相焊接以确定其位置，并在后端焊端板，端板厚度≤i，水平连接钢板伸入柱内尽可能长，以各方向水平连接钢板伸入柱内长度均衡且不冲突为原则；若取20mm厚的端板；为连接板上表面标高，比主梁上表面标高低40mm；若d为预紧连接螺栓的螺栓孔直径，d＝Ф+4mm；k为水平连接钢板的宽度，k＝b-20mm，b为梁宽；j为边距控制尺寸，可取j＝2Ф；E为柱边长。

对于角柱，除主梁方向两侧采用预紧螺栓连接，在柱外侧角部增加一根竖向后张法预应力螺栓11，在该柱预制时应留出此螺栓的通道及端头处的连接接头12的位置和预应力螺栓槽10，连接接头12采用外六角的长螺帽形式，在角柱基础相应位置预埋一个长螺帽，柱段吊装同时将长螺栓一并穿入并将螺栓一端拧入长螺帽规定长度后固定螺栓，在上柱的上端部再次拧入螺帽，并拧紧；如此循环，逐层接长柱子和螺栓，逐层施加预压应力，如图5和图6所示。

3)确定楼板拼接处翼梁15的截面，如图7所示，根据翼梁跨度确定翼梁梁高h，可按现浇结构主梁梁高的确定方式确定h值，翼梁翼高e可取所搁置楼板的楼板厚t，翼宽a可取2倍的翼高，即a＝2e；b为梁宽。按现行混凝土结构设计规范确定梁的配筋，翼梁的翼部配筋按固端悬臂梁设计，梁截面的配筋如图14所示。

4)按新划分的楼板形状确定楼板预制方案，按现行混凝土楼板结构设计规范重新设计预制楼板16的配筋，楼板两端与翼梁连接处设连接槽17，槽深以大于连接螺帽及垫圈高度之和为宜，待连接后，槽内充填水泥砂浆后与楼板面平齐为标准；每块楼板与翼梁的预紧连接螺栓间距c＝200～400mm，且不少于3个；预留螺栓孔的预埋件可以用钢管、波纹管，管内径大于螺栓直径5mm，连接螺栓的直径取楼板厚t的1/6为宜，如图10和图11所示，B为预制楼板宽度,18为预制楼板拼接缝。

5)针对现浇混凝土设计的主梁8配筋方案，对主梁进行简支梁验算，考虑主梁上的后张法预应力筋的配置线型，要求同时满足简支梁的承载力及变形；再确定主梁的预应力锚固方法，主梁的预应力筋两端锚固于柱身上，如图4中的13为预应力筋锚头，在柱身的相应位置应预制锚固小平台，在预制时留出预应力筋通道9。主梁与次梁连接处应在主梁相应位置设计小牛腿，如图8中的牛腿3。

主梁两端与柱的连接需要考虑预紧螺栓6的位置，在主梁两端与柱连接处设计连接预制件，如预紧螺栓孔7、抗剪键槽41等；上表面与水平连接板相接处应设连接槽，槽下沉深度按连接钢板厚度i+40mm为宜，以便主梁安装时方便地推入牛腿与水平连接钢板之间，同时两端受力钢筋在端部应弯起且满足锚固长度要求。

6)确定预制次梁19的跨度，按简支梁重新设计其配筋以及与主梁的连接件，主次梁间也采用预紧螺栓加结合面抗剪键及座浆相连接，一般次梁端部采用单个螺栓相连接，如图8和图9所示，当梁宽较大时，也可采用一端两个螺栓连接。

7)在工厂预制好柱、梁、板等构件后，将其运至建筑现场，按设计图纸进行组合装配，首先按柱网设计安装立柱，先利用浆锚套筒进行柱段间的直接连接，再将主梁吊将至设计位置，置于两侧牛腿之上，在柱侧用连接螺栓将牛腿、梁端及柱上水平方向的连接钢板连接在一起，并按设计对螺栓施加预紧应力，组成基本的框架结构体系。

8)将次梁吊装并搁置于两侧主梁的牛腿之上，再用连接螺栓将主、次梁连接在一起，待主梁上的次梁全部安装到位后，对螺施加预紧应力，形成楼层梁格体系。

9)将预制楼板吊装，搁置于次梁及两侧的翼梁上，并通过翼梁和楼板端部预留的连接孔用螺栓将翼梁与楼板连接在一起。

10)将楼层板铺设到位后，进行测量校正，拼缝调整，待全楼层或部分区域楼层调整到位后，对楼板与翼梁连接螺栓施加预紧应力，基本组成楼盖结构体系。

11)在预制主梁上穿预应力筋，在两端施加预应力，并锚固于相应的预制柱之上。

12)用水泥砂浆凝胶填充所有连接缝，对螺栓孔、预应力筋通道进行注浆，封密所有连接螺栓和连接件的暴露部分。

13)逐层进行柱、梁、板的装配、连接、封密直至全部混凝土结构构件组装完成。

对于角柱、边柱与主梁、阳台梁与阳台板等其它结构可参照本实施方案处理。

本项发明将混凝土框架结构全部采用干式连接方式，实现了所有构件全预制化，施工现场不再需要现浇混凝土；柱与主梁、主梁与次梁、楼板与梁之间的连接均采用预紧螺栓加座浆及抗剪键槽形式，预制和组装方式统一；柱子的预制与装配采用了浆锚套筒加连接面施加预压应力的方法，预压应力由预紧螺栓和预应力钢筋提供。

本发明为了解决当前装配整体式建筑结构中仍然需要现浇部分混凝土构件及连接部位，仍然需要保留现场混凝土浇注的工艺与设备，仍然会产生建筑扬尘，仍然会给城市交通运输造成压力等一系列的问题；使混凝土结构中的预应力技术与混凝土结构的预制技术相结合，实现混凝土框架结构的全装配整体式结构，即干式混凝土装配整体化。