浅谈预制叠合梁纵向钢筋的锚固和连接设计

赵海燕

上海水石建筑规划设计股份有限公司（200235）

0 前言

随着全国装配式建筑政策的密集出台，新建装配式建造项目比例越来越高，装配式建筑已经进入快速发展阶段。发展装配式建筑的目标为提高工程质量、提高施工效率、减小人工、减少环境污染，是项目建造方式的重大变革。结构设计师应熟悉预制构件生产、装配式施工建造工法，结合结构概念设计和结构分析计算，进行预制构件设计和构件连接设计等内容。现以已建成的装配整体式框架项目为例，介绍装配整体式框架结构的设计要点，并对预制叠合梁设计、预制叠合梁纵向钢筋的锚固和梁底纵筋连接设计等关键技术点进行设计梳理。

1 项目概况

新建项目5#生产用房位于上海市松江区，建筑功能为加工制造业生产用房。建筑总长度73.1 m，宽度23.9 m。本项目为地上5层，地上1层生产用房内配备5 t电动单梁悬挂起重机（S=4.0 m），建筑层高为7.2 m。地上2层生产用房内配备3 t电动单梁悬挂起重机（S=4.0 m）,建筑层高为6.5 m。地上3～5层为生产用房，标准层层高4.5 m，房屋建筑总高度为27.5 m。

建筑结构安全等级为二级，建筑工程抗震设防分类标准为丙类。基本风压为0.55 kN/m2（50年重现期）,地面粗糙度为B类。项目结构类型为装配整体式框架结构，抗震等级为二级[2]。

2 装配整体式框架结构的设计要点

2.1 装配式结构方案

2.1.1 结构单元划分

本项目建筑长度73.1 m，因预制构件在工厂生产时混凝土收缩已经完成，且因边跨楼板为楼、电梯间开洞设计，根据现行规范[1]装配式框架结构伸缩缝最大间距为75 m的规定，可按1个结构单体进行设计。

2.1.2 预制构件

满足装配式建筑项目预制率40%的要求，采用预制的水平结构构件为桁架预制叠合板和预制叠合梁，均为免模板、有支撑设计。竖向构件为预制框架柱，斜撑构件为预制梯段板。

2.1.3 预制构件布置范围

水平结构构件优选框架 （跨度8.1 m×7.5 m）为标准预制单元，进行预制构件和节点的标准化设计，节约构件材料成本，提高现场安装工效。为加强结构整体性，顶层屋面板、楼板开大洞周边楼板按现浇设计。桁架预制叠合板布置范围为2～5层，同时避开管井、卫生间等管线集中区域。预制叠合梁布置范围为2～5面层。

为优化现场工种间有序高效施工，优选框架单元内框架柱预制，同时考虑构件标准化设计原则，避开建筑竖向层高不规则的1～2层，选择标准层3～5层框架柱、梯段板预制设计。

2.1.4 预制构件连接设计

结合梁格尺寸和经济性，本项目四边支承楼板按双向板设计计算。桁架预制叠合板底端部出筋锚入相邻梁（柱）内。当同一楼板被拆分成多个桁架预制叠合板时，双向叠合板之间采用整体式接缝连接设计。接缝设置在板次要方向且避开最大弯矩截面，采用后浇带形式。后浇带两侧板底纵向筋端部设135°弯钩，接头率为100%，钢筋搭接长度满足现行规范规定。

预制叠合梁端部出筋锚入框架柱内。

预制框架柱纵向钢筋在梁柱节点内贯通，上、下层预制框架柱间纵向钢筋采用全灌浆套筒100%连接。

项目楼梯构件未参与整体结构抗震计算。为减少楼梯构件对主体结构刚度的影响，预制梯段板与现浇梯梁按预埋螺栓连接设计，高端支承为固定铰支座，低端支承为滑动铰支座。预制梯段板按两端简支模型进行构件设计。

2.1.5 预制构件截面设计

项目楼板厚度取150 mm，满足预制构件短暂工况验算，桁架预制叠合板厚为70 mm，楼板后浇叠合层厚度取80 mm。

考虑楼面荷载和构件内钢筋的合理排布，便于梁、柱钢筋在节点区的有效避让，对框架柱、梁截面尺寸进行优化设计。

梁截面宽度为400 mm，考虑同一节点多梁钢筋节点锚固、竖向弯折避让等对梁截面有效高度h0的影响最小，将主要受力方向梁截面高度增加100 mm，并考虑先安装设计。

框架柱截面尺寸按大于同方向梁宽的1.5倍设计，且不小于600 mm。

2.2 “等同现浇”结构分析和设计

对地震区的装配整体式结构，当预制构件之间采用后浇混凝土连接，接缝构造（构件端部键槽、粗糙面等）和接缝承载力满足现行规程规定，可按“等同现浇”进行结构分析和设计。

2.3 局部设计参数调整（以YJK-A建筑结构计算软件为例）

考虑到地震作用的随机性，在不同的组合下，梁端弯矩可能为正，也可能为负。现行规范第11.3.6条第2款对框架梁端截面的纵向钢筋面积比（底部和顶部）提出规定。第11.3.1条对梁正截面受弯承载力计算中，对纵向受压钢筋的梁端混凝土受压区高度有最大限值规定[3]。

梁正截面计算时，会综合考虑规范第11.3.1条和第11.3.6条第2款规定，进行地震组合梁端承载力配筋计算，同时建议用户在设计参数中，优先选择框架梁梁端配筋考虑受压钢筋影响。软件会考虑ζb的调整及最小受压钢筋面积的规定，避免出现截面受压区高度超限的问题，同时计算的受拉钢筋面积也会因考虑受压钢筋影响而偏小，这样能在一定程度上解决梁端钢筋过于拥挤的问题。

3 预制叠合梁设计

3.1 预制叠合梁端接缝设计

结合预制叠合梁端结合面的受剪承载力，如新旧混凝土结合面的黏结力、键槽和后浇混凝土叠合层的抗剪力、梁纵向钢筋的抗剪作用等，对预制叠合梁构件进行梁端构造设计、梁端抗剪设计。

预制叠合梁端部及与后浇混凝土的结合面应设置粗糙面,要求骨料凹凸深度不应小于6 mm。梁端同时设置键槽，键槽构造满足规程规定。

框架叠合梁的后浇混凝土叠合层厚度不小于150 mm，可按矩形截面梁设计。

梁端接缝的正截面承载力应符合现行国家标准的规定。

按规程第7.2.2条进行预制叠合梁端接缝的抗剪承载力计算，应同时满足规程第6.5.1条梁端抗剪验算规定。对于梁端箍筋加密区等装配整体式结构的控制区域，梁端接缝要实现强连接设计要求，即预制叠合梁端接缝的抗剪承载力设计值大于被连接梁构件端部斜截面受剪承载力 （混凝土截面、实配箍筋面积）设计值乘以强连接系数，以保证预制叠合梁不在接缝处发生损坏。本项目框架抗震等级为二级，梁端接缝受剪承载力增大系数为1.2。

3.2 预制叠合梁纵向钢筋在节点中锚固

框架梁柱节点根据所在位置不同，分为框架中间层端节点、框架中间层中间节点、框架顶层端节点和框架顶层中间节点四种。现仅以现场施工较为复杂的框架中间层中间节点为例进行介绍，预制框架柱纵向钢筋在梁柱节点内贯通，梁纵向钢筋伸入中柱节点锚固设计。

3.2.1 梁上部纵筋

因梁上部纵筋为叠合层后浇混凝土现场施工放置，在中间节点内锚固构造按现行国家规范、国标图集《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图》（现浇混凝土框架、剪力墙、梁、板）16G101-1和 《混凝土结构施工钢筋排布规则与构造详图》（现浇混凝土框架、剪力墙、梁、板）18G901-1规定。框架中间层中间节点，相交于同一柱的双向梁（4根）顶标高相同，且当梁顶钢筋为两排及以上设计时，应按现行规范进行梁顶和梁节点钢筋排布，同时对预制叠合梁后浇层厚度150 mm进行尺寸复核。如不满足，也可采用梁顶纵筋并筋配置。

以5轴交B轴的KL6交KL13中柱节点为例进行分析（如图1所示），梁梁叠合层顶筋排布构造（如图2所示）。

3.2.2 梁侧腰筋

梁侧腰筋有受扭纵筋和构造钢筋两种。

梁侧为受扭纵筋设计时，应按梁侧受扭纵筋和梁顶（底）角筋，沿截面周边均匀对称布置为原则，且间距不应大于200 mm及梁截面短边长度。受扭纵向钢筋应按梁下部受拉纵筋锚固在支座内。

梁侧为构造钢筋设计时，由于预制构件的收缩在工厂生产时已经基本完成，为简化安装，现行标准[5]规定，梁侧构造钢筋可不伸入梁柱节点核心区。

图1 框架梁柱二层中间节点

图2 梁叠合层顶筋排布构造

3.2.3 梁下部纵筋

现行规范规定，根据梁端计算条件不同，梁下部纵筋在节点锚固要求不同。当梁端计算不利用该钢筋的强度时，梁底纵筋伸入节点或支座的锚固长度不小于12 d（带肋钢筋）和15 d（光面钢筋），d为钢筋的最大直径。当梁端计算仅利用该钢筋的抗压强度时，梁底纵筋伸入节点或支座的锚固长度不应小于0.7La（0.7LaE），且要求受压钢筋不应采用末端弯钩和一侧贴焊锚筋的锚固措施。当梁端计算中利用钢筋的抗拉强度时，钢筋可采用直线方式锚固在中间支座内，且锚固长度不应小于La（LaE）。

考虑预制构件加工及安装的便利性，本项目梁下部纵筋采用钢筋端部加锚固板的机械锚固方式。钢筋锚固板的材质、钢筋丝头加工、锚固板的安装、检验与验收均应满足现行规程[6]规定。

在结构设计参数中已经选择“框架梁梁端配筋考虑受压钢筋影响”，但当水平荷载较大或相邻跨的跨度相差太多时也有受拉的可能。梁端纵筋计算值除应满足规程第11.3.6条第2款规定受压钢筋最小值要求外，同时根据梁正截面受弯承载力计算受拉钢筋截面面积。以5轴交B轴的KL6交KL13中柱节点（图1）为例，梁底纵筋为受拉钢筋计算值，预制叠合梁下部纵筋采用部分锚固板时，钢筋宜伸至柱对侧纵向钢筋内边，锚固长度不应小于0.4Lb（0.4LaE）。结合同一节点梁构件吊装顺序，采用梁底纵向钢筋竖向弯折避让（先下后上），弯折角度不大于1∶6。梁底弯折位置附加构造纵筋，与梁底纵筋搭接长度满足现行规范规定。预制叠合梁下部纵筋在节点内锚固设计如图3所示。

图3 预制叠合梁下部纵筋节点

3.3 预制叠合梁底纵向钢筋的连接设计

装配整体式框架节点中，如遇梁柱纵筋数量多且节点区钢筋排布困难时，也可采用梁纵向钢筋贯穿梁柱节点，在节点区外设置梁后浇段的连接方案。梁顶纵向钢筋贯通后浇段并满足现行规范规定，梁底纵筋在后浇段内采用搭接连接或机械连接，后浇段内箍筋加密设置，除满足计算外，尚应满足搭接区对箍筋直径和间距的要求。

梁底纵向钢筋在后浇段采用搭接连接时，搭接位置宜在节点外梁弯矩较小的1.5 hb以外，以避让梁端塑性铰区和箍筋加密区。

梁底纵向钢筋在后浇段内采用机械连接时，为实现施工高效、接头易检测等质量保证措施，推荐采用挤压套筒连接、YK可调组合钢筋接头等形式，接头的各项性能指标应满足现行规程I级接头规定。后浇段钢筋机械连接构造可参见现行标准第5.6.6条梁后浇段纵筋挤压套筒连接设计的相关规定要求。但应注意，梁后浇段纵筋连接位于框架梁端箍筋加密区时，梁后浇段长度应同时考虑钢筋机械接头率不应大于50%的规定[7]。

4 结论和建议

项目装配式设计全过程，统筹设计与预制构件生产、安装、现场施工的工作界面协同，根据结构概念、方案和传力途径等确定预制构件拆分及连接方式，以此为基础进行结构计算、构件设计及连接设计。在装配整体式框架节点设计中，预制叠合梁纵向钢筋在节点中锚固和连接方式是决定施工可行性及节点受力性能的关键。预制叠合梁纵向钢筋在节点中锚固和连接设计，从设计参数、计算方法入手，使得构件计算结果准确、合理。预制构件接缝构造符合规范规定，接缝连接满足“强节点弱构件”设计要求，并充分考虑构件钢筋合理排布和高效钢筋连接技术等施工措施，保证节点受力、钢筋连接安全可靠，真正实现提高产品质量、提高现场施工效率的装配式建造目标。