一种装配式钢筋混凝土角撑框架及其施工方法与流程

本发明涉及建筑结构技术领域，特别是一种装配式钢筋混凝土角撑框架及其施工方法。

背景技术：

现有的装配式钢筋混凝土框架结构，从设计上与整体现浇混凝土结构没有区别，只是梁、板、柱变为叠合构件。在抗震性能上，也基本等同钢筋混凝土现浇结构，梁与柱的连接模型采用刚性连接做法。如图3所示，在施工上，柱采用预制柱，但梁柱节点区范围的柱要采用现浇混凝土，也即节点后浇区11。叠合梁与柱采用刚接做法，梁钢筋锚入柱节点现浇混凝土内。这样，叠合楼板的后浇混凝土、叠合梁的后浇混凝土，节点后浇区一并浇筑。混凝土养护达到龄期强度后，再采用灌浆套筒9灌注浆料10连接上一层的预制柱。因此，这种模拟纯现浇结构的做法，不免造成连接构造复杂，质量难以控制等问题。目前，现有技术的装配式梁柱的施工混凝土两次浇筑，势必造成预制与现浇部分，梁与柱的连接，柱与柱的连接等环节，存在钢筋碰撞、构造繁琐、工序复杂、施工尺寸的精度要求高等弊端。

装配式结构在设计、预制件制作，现场安装和混凝土浇筑等环节存在诸多协调配合上的问题，致使造成施工工期长、造价增加15～30％，成为推广应用的一大障碍。如何通过合理的构造设计，优化预制件的构造，简化施工流程，成为装配式建筑发展的重要技术问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种装配式钢筋混凝土角撑框架，该装配式钢筋混凝土角撑框架中梁与柱的连接，采用销轴连接，实现真正的装配式施工。同时，在承受荷载不变的情况下，能使梁高大大降低，建筑层高能减少5～8％，也即屋内净高能增加200～300mm。另外，预制柱的预制长度不受楼层现浇的限制，可根据运输条件等要求，将预制柱的预制长度加长，减少套筒灌浆连接的批次，提高柱的施工质量，缩短施工周期。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种装配式钢筋混凝土角撑框架，包括预制柱、叠合梁和防屈曲支撑。

叠合梁水平设置，预制梁和后浇混凝土。

预制梁的两端分别与位于两侧的预制柱相铰接，预制梁的底部两侧各设置一个倾斜设置的防屈曲支撑，每根防屈曲支撑的一端与预制叠合梁底部相铰接，每根防屈曲支撑的另一端与预制柱相铰接。

防屈曲支撑与预制梁之间具有水平夹角α。

预制梁的两端各预埋一个梁柱连接端，相邻两个预制柱相向一侧的顶端各预埋一个梁柱铰接支座，梁柱连接端与相应的梁柱铰接支座采用销轴相连接；预制叠合梁的底部两侧各预埋一个角撑连接端，位于梁柱铰接支座下方的每个预制柱顶部各设置一个角撑铰接支座，角撑连接端与相应的角撑铰接支座采用销轴相连接。

角撑铰接支座与梁柱铰接支座之间的距离为层高的20-50％。

预制梁的两端均为逐渐递减的变截面梁。

预制梁的梁高比现有叠合梁的梁高减少25-50％，现有叠合梁的梁高为(1/15-1/10)l，其中l为相邻两根预制柱之间的间距，也即梁跨度。

一种装配式钢筋混凝土角撑框架的施工方法，其特征在于：包括如下步骤。

步骤1：预制柱的预制：根据运输条件要求，将预制柱的预制长度设定为建筑楼层层高的2-5倍，在每个楼层层高的对应部位分别预埋梁柱铰接支座和角撑铰接支座。

步骤2，预制梁的预制：按照设定形状及尺寸对预制梁进行预制，预制时，在预制梁的两端分别预埋梁柱连接端，预制梁的底部两侧分别预埋角撑连接端。

步骤3，预制柱施工：将预制柱运输至施工地点，并对预制柱进行施工。

步骤4，预制梁施工：将预制梁分别吊装至对应楼层层高处，采用销轴将预制梁中的梁柱连接端与相应的梁柱铰接支座相铰接；再采用销轴将预制梁中的角撑连接端与相应的角撑铰接支座相铰接。

步骤5，叠合梁的后浇混凝土：在每个预制梁的顶部分别浇筑一层钢筋混凝土，叠合梁的后浇混凝土与预制梁形成一个整体，构成叠合梁。

步骤1中，预制柱的预制长度为建筑楼层层高的3～5倍。

步骤2中，叠合梁的梁高比现有叠合梁的梁高减少25-50％，现有叠合梁的梁高为(1/15-1/10)l，其中l为相邻两根预制柱之间的间距，也即梁跨度。

步骤5中，2～5层的叠合梁顶部的后浇混凝土同步浇筑。

本发明具有如下有益效果：

1.梁高大大降低：与现有技术的梁柱连接方式相比，在整体结构的刚度与位移指标相同的前提下，本发明的混凝土梁截面高度大大减小。这完全来自于梁端部的支撑给梁提供了中间两个竖向支承点，由于设置了两个支点，两有单跨梁变为3跨梁，梁的弯矩、剪力大大降低，配筋也大大降低。

2.对建筑层高与净高的影响大，使用功能大大改善，经济效益明显。梁高度降低，对建筑的影响巨大。首先，在建筑层高不变时，梁下高度大，建筑室内净高更高，室内使用空间效果大大改善。第二，在建筑室内净高要求不变的情况下，可以减少建筑层高5～8％。按照每层节省200～300mm计算，原本15层高的建筑可以做成16层，经济效益明显。

3.预制柱柱的预制长度突破楼层限制，可以两层、三层甚至更多层一次预制，没有中间的接头，不仅施工方便，缩短施工周期，成型质量优异，而且抗震性能大大提升。

4.预制梁易于制造：预制梁的截面变小，重量变小，便于预制件的制造、运输、吊装及安装调整。

5.对柱基本没有不利影响：算例仅是单层单跨，看似柱内力变大。柱的内力变化是针对竖向荷载，这对结构来说很容易解决，造价影响也小。实际上，当建筑中间位置，柱子四面或三面都受到梁与支撑的约束，支撑对柱的影响可以两两相互抵消。

6.大震状态下，即使连梁破坏，更换非常方便。这对现有技术的混凝土连梁，更换将是非常困难。

7.大大改善梁柱节点部位的抗震性能、施工要求，工期大大缩短，造价降低。

附图说明

图1显示了本发明一种装配式钢筋混凝土角撑框架的结构示意图。

图2显示了本发明一种装配式钢筋混凝土角撑框架的爆炸图。

图3显示了表1中常规装配式结构的构造大样示意图。

图4显示了表1中本发明装配式钢筋混凝土角撑框架的的构造大样示意图。

其中有：1、预制柱，2、预制梁，3、后浇混凝土，4、防屈曲支撑，5、梁柱铰接支座。6、角撑铰接支座。7、梁柱连接端。8、角撑连接端；9、灌浆套筒；10.浆料；11.节点后浇区；12.结构标高。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，一种装配式钢筋混凝土角撑框架，包括预制柱1、叠合梁和防屈曲支撑4。

叠合梁水平设置，叠合梁包括预制梁2和位于预制梁顶部的后浇混凝土3。

预制梁的两端均优选为逐渐递减的变截面梁。变截面梁的设置，便于安装的同时，能使防屈曲支撑与预制叠合梁之间具有水平夹角α增加，支撑效果更好；另外，还能节省钢筋混凝土的使用。

预制梁的两端分别与位于两侧的预制柱相铰接，预制梁的底部两侧各设置一个倾斜设置的防屈曲支撑，每根防屈曲支撑的一端与预制梁底部相铰接，每根防屈曲支撑的另一端与预制柱相铰接。

预制梁与预制柱的铰接优选设置方式为：预制梁的两端各预埋一个梁柱连接端7，相邻两个预制柱相向一侧的顶端各预埋一个梁柱铰接支座5，梁柱连接端与相应的梁柱铰接支座采用销轴相连接。

防屈曲支撑分别与预制柱及预制梁的铰接优选设置方式为：预制梁的底部两侧各预埋一个角撑连接端8，位于梁柱铰接支座下方的每个预制柱顶部各设置一个角撑铰接支座6，角撑连接端与相应的角撑铰接支座采用销轴相连接。

防屈曲支撑与预制梁之间具有水平夹角α。

对叠合梁的改善程度取决于防屈曲支撑的位置与角度。位置越靠近叠合梁中部，效果越好。防屈曲支撑与叠合梁的水平夹角α越大，效果越好。水平夹角α一般优选取值为20-60°。

角撑铰接支座与梁柱铰接支座之间的距离优选为层高的20-50％。

进一步，叠合梁的梁高比现有叠合梁的梁高减少25-50％，现有叠合梁的梁高为(1/15-1/10)l，其中l为相邻两根预制柱之间的间距，也即梁跨度。

一种装配式钢筋混凝土角撑框架的施工方法，其特征在于：包括如下步骤。

步骤1：预制柱的预制：根据运输条件要求，将预制柱的预制长度设定为建筑楼层层高的2-5倍，优选为3倍。在每个楼层层高的对应部位分别预埋梁柱铰接支座和角撑铰接支座。

步骤2，预制梁的预制：按照设定形状及尺寸对预制梁进行预制，预制时，在预制梁的两端分别预埋梁柱连接端，预制梁的底部两侧分别预埋角撑连接端。

步骤3，预制柱施工：将预制柱运输至施工地点，并对预制柱进行施工。

步骤4，预制梁施工：将预制梁分别吊装至对应楼层层高处，采用销轴将预制梁中的梁柱连接端与相应的梁柱铰接支座相铰接；再采用销轴将预制梁中的角撑连接端与相应的角撑铰接支座相铰接。

步骤5，叠合梁的后浇混凝土：在每个预制梁的顶部分别浇筑一层钢筋混凝土，后浇混凝土与预制梁形成一个整体，构成叠合梁。本步骤5中，2～5层的叠合梁顶部的后浇混凝土同步浇筑。

为表明本发明相对于现有技术的优越性，特举一个单层单跨的框架为例。该框架跨度7.5米，层高3.3米，梁上荷载40kn/m，设防地震烈度8度，设计地震基本加速度0.2g。现有技术的框架和本发明的框架，采用表格的方式，进行对比，见后续表1以及续表1。

现有技术中的常规装配式结构的大样，如图3所示；本发明装配式钢筋混凝土角撑框架的构造大样如图4所示。

下面结合后续表1、续表1以及图3和图4，将本发明的结构总体控制指标与现有技术进行详细的比较与说明。

(1)结构自振周期

现有技术的结构自振周期0.2147秒，本发明的结构自振周期0.2138秒，两者相差0.4％，误差在工程允许范围5％的范围之内。

(2)层间位移角

现有技术的层间位移角1/3549，本发明的层间位移角1/3518,相差0.9％。误差在工程允许5％的范围之内。

(3)底层地震剪力

现有技术的底层剪力29kn，本发明的底层剪力29.8kn,相差2.7％。误差在工程允许5％的范围之内。

本发明与常规装配式结构的性能对比表1

本发明与常规装配式结构的性能对比续表1

三、结构构件的内力指标

上述三个指标是结构抗震设计的关键控制指标。三个指标相同的对比才具有科学意义。在此基础之上，其他指标的对比性如下：

(4)梁的竖向挠度

现有技术的梁挠度4.83，本发明梁挠度4.21，相差0.6mm，梁挠度更小，设计更优。

(5)梁弯矩

跨中正弯矩，现有技术为287kn.m，本发明为127kn.m，降低56％，直接影响梁下部纵筋配筋面积降低56％，

梁端负弯矩，现有技术为-139kn.m，本发明为-83kn.m，降低40％，直接影响梁下部纵筋配筋面积降低40％，

因此，梁的纵筋配筋可以减低50％左右。

(6)梁剪力

现有技术的梁最大剪力214kn，本发明梁最大剪力143，降低33％，箍筋更省。

(7)梁轴力

现有技术梁轴力54.2kn，本发明梁轴力最大87.2kn，比原有技术增大60％。由于梁的轴力基本有梁和面积庞大的现浇板在面内承担，因此，梁轴力问题历来不是结构设计需要额外考虑的因素。

(8)柱弯矩、剪力

在荷载下柱弯矩与剪力，本发明均与现有技术相比，有些位置大、有些位置小。主要是由于现有技术中，预制柱在防屈曲支撑处受到防屈曲支撑的集中力作用。这些荷载下的内力对预制柱设计不是关键要素。并且本发明的案例仅是单层单跨，看似预制柱内力变大。预制柱的内力变化是针对竖向荷载，这对结构来说很容易解决，造价影响也小。实际上，在建筑中间位置，预制柱四面或三面都受到叠合梁与防屈曲支撑的约束，防屈曲支撑对预制柱的影响可以两两相互抵消。

地震作用下，本发明与现有技术，总体性能数据指标上基本相同，相差5％以内。

通过上述案例计算指标的对比，发现本发明比现有技术，综合来看，本发明的结构设计指标明显由于现有技术。在此基础上，做技术经济性能的进一步对比。对比点包括：预制梁的设计，层高或净高，预制梁制造安装的便利性，预制柱的内力影响，震后可修复性，框架施工技术优越性，总工期，总造价等。

(1)梁内力更加合理

与现有技术的梁柱连接方式相比，在整体结构的刚度与位移指标相同的前提下，本发明的混凝土梁截面高度大大减小。这完全来自于梁端部的防屈曲支撑给梁提供了中间两个竖向支承点，由于设置了两个支点，两有单跨梁变为3跨梁，梁的弯矩、剪力大大降低，配筋也大大降低。

对叠合梁的改善程度取决于防屈曲支撑位置与角度。防屈曲支撑位置越靠近叠合梁中，效果越好。防屈曲支撑支撑与叠合梁的水平夹角越大，效果越好。

(2)对建筑层高与净高的影响大，使用功能大大改善，经济效益明显。

现有技术预制梁高大，梁下净高小。使用空间差。

本发明的预制梁构造，比现有技术预制梁高降低20％～50％，对建筑的影响巨大。首先，在建筑层高不变时，预制梁下的高度大，建筑室内净高更高，室内使用空间效果大大改善。第二，在建筑室内净高要求不变的情况下，可以减少建筑层高5～8％。按照每层节省200～300mm计算，原本15层高的建筑可以做成16层，经济效益明显。

(3)预制梁易于制造。

现有技术预制梁，截面大，总量大，制造、运输、吊装及安装调整。本发明的预制装配式预制梁的截面变小，重量变小，便于预制件的制造、运输、吊装及安装调整。

(4)对预制柱基本没有不利影响。

本发明的按例仅是单层单跨，看似预制柱内力变大。然而，预制柱的内力变化仅是针对竖向荷载，这对结构来说很容易解决，造价影响也小。实际上，当建筑中间位置，预制柱四面或三面都受到梁与支撑的约束，支撑对柱的影响可以两两相互抵消。

(5)大震状态下，现有技术叠合梁破坏后修复非常困难，本发明的叠合梁更换非常方便。

(6)大大改善梁柱节点部位的抗震性能、施工要求，工期大大缩短，造价降低。

梁柱相交的节点部位，对于现有的预制装配式工程，是重点、弱点、难点。这是结构的关键受力部位，要求高，作用大。当节点失效了，整个结构不复存在。

现有技术的主要施工特点：

(1)柱在每层需要连接，灌浆套筒抗震连接技术是非常明显的弱点。虽然经过试验，但毕竟是接头部位，当施工质量非常好时，才能满足理论假定的要求。

(2)当建筑中部位置，柱子四面有四根框架梁需要在此连接时，加上上下的柱子，共有6根构件在一个节点处连接，预制件外露钢筋的定位要求非常高，互相站位碰撞问题非常突出。节点区的后浇混凝土要与六个面的预制混凝土结合，设计与施工要求非常高。

(3)现有技术梁柱连接，工期长、造价高、抗震性能差。

本发明的梁柱铰接做法，相比起来，具有明显的优势：

(1)预制柱的预制长度突破楼层限制，可以两层、三层甚至更过层多一次预制，没有中间的接头，不仅施工方便，成型质量优异，而且抗震性能大大提升；

(2)梁与柱的连接就是两个销轴等铰接连接，施工极其快捷方便，连接技术更加可靠，节点抗震性能大大提升；

(3)本发明的梁柱连接方式，可完全节省掉预制梁柱的钢筋及混凝土浇筑时间，以及混凝土的养护时间，工期大大缩短。

(4)由于预制柱有足够的承载能力，还可两层或三层同时施工，工期大大缩减。造价大大节省。

通过实例的计算指标的精确对比，进而对技术经济性的比较，本发明的角撑框架梁技术比现有的装配式钢筋混凝土梁技术，结构更加合理，构造更加简洁，施工更加便捷，施工工期更短，工程总造价更低，本发明的角撑框架梁技术具有突出的技术经济优越性，便于大量开发应用，具有广阔的市场应用前景。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。