裝配式剪力墻結構體系在某公租房中的應用(建筑)
裝配式剪力墻結構體系在某公租房中的應用(建筑)
張海東
（河南中建工程設計咨詢有限公司，鄭州450004）
[摘要] 裝配式剪力墻結構通過標準化設計、工廠化生產、裝配化施工，能達到高效建造和節能環保的目的，符合建筑工業化的發展方向。介紹了中建觀湖國際項目中14#公租房的裝配式結構體系設計，提出了裝配式剪力墻結構的設計原則。并通過抗震性能分析發現本結構底部加強區為薄弱部位，對此部位提出了具體的加強措施；同時對構件連接構造提出了要求，可為類似裝配式結構設計提供一定的參考作用。
[關鍵詞] 裝配式剪力墻結構；結構分析；預制構件；連接
中圖分類號：TU318 文章編號：1002-848X( 2016) 10-0009-05
1 工程概況
中建觀湖國際項目（圖1）位于鄭州市經濟開發區，總用地面積30 735. 27m2。其中14#樓位于建設用地的西北角，為小區配套公租房項目，標高±0. 00m以上采用預制裝配結構，以下采用現澆混凝土結構。該公租房項目總建筑面積9 276m2，地上為24層，各層層高為2. 9m;地下為2層，其中地下1層層高為4.5m，地下2層層高為3.8m。14#樓建筑高度69. 900m，為一類高層住宅樓。地下室主要為儲藏室和自行車庫，地上1，2層為物業及社區用房，3層及以上為公租房。
14#樓建筑長27m、寬14. 1m。標準層有6戶，每戶開間4. 5m、進深9m，建筑面積約60m2，標準層建筑混凝土結構技術規程》( JGJ 3-2010)（簡稱高規）第5.1節相關規定，做如下假定：結構的變形和內力按彈性計算；結構分析采用空間模型進行有限元計算；內力和位移計算時，假定樓板面內無限剛性。剪力墻、梁、板等預制構件應具有與現澆構件相同的強度、耐久性、耐火性、防水性等性能（即等同現澆結構體系）。剪力墻、梁應根據連接方式選用正確的計算方法，疊合樓板要保證有充分的強度和剛度以滿足面內無限剛性假定。
連接是裝配式結構與現澆結構主要不同點之一。豎向和水平接縫部位的鋼筋應采用安全可靠的連接，且接縫處新舊混凝土之間應采用粗糙面、鍵槽等構造措施。連接區域應有滿足受力要求的強度、剛度及塑性，后澆混凝土強度等級不應低于相應預制構件的混凝土強度等級。
2.2結構平面布置及拆分
圖4為結構標準層平面布置圖，圖中涂黑構件為剪力墻，墻厚200mm；疊合梁主要截面尺寸為：200mm×400mm,200mm×600mm．200mm×1 000mm；疊合板厚度為130mm;填充墻厚度有200mm和100mm兩種。
圖5為結構標準層墻體分布示意，主要墻體有預制剪力墻、現澆剪力墻、預制填充墻。預制構件主要包括：預制墻板、預制樓板、預制樓梯等。現澆部分主要為：剪力墻連接部位、疊合樓板的現澆部分。
2.3結構小震彈性分析
本工程采用SATWE軟件進行小震作用下的彈性分析，計算采用考慮扭轉耦聯的振型分解反應譜（CQC法）。主要參數計算結果見表1。
從計算結果可以看出，X向、Y向兩個主軸方向的結構剛度基本接近；最大層間位移角小于1/1 000，扭轉位移比控制在1.2以內；剪重比大于0. 024。結構在X向、y向剛度和抗扭剛度的布置均較為合理，按一般現澆結構進行分析的主要指標均滿足高規相關要求。建筑平面見圖2，建筑剖面圖見圖3。14#樓采用裝配式剪力墻結構體系，主要構件剪力墻、填充墻、樓板、樓梯等均采用工廠加工，現場拼裝。
14#樓為標準設防類，設計使用年限為50年。抗震設防烈度為7度，基本地震加速度為0. 15g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類。抗震等級為三級，抗震構造措施為二級；基本風壓為0. 45kN/m2，地面粗糙程度為B類。結構嵌固端設在地下室頂板。
2 結構設計
2.1裝配式結構設計應遵循的原則
本工程采用裝配式剪力墻結構，依據《裝配式混凝土結構技術規程》( JGJ l-2014)（簡稱裝配式結構技術規程）第6.3.1條規定：在各種設計狀況下，裝配整體式結構可采用與現澆混凝土結構相同的方法進行結構分析。本工程計算分析根據《高層圖6為小震作用下底層剪力墻配筋，由圖可見，在小震作用下底層剪力墻大部分處于壓彎狀態，僅在角部剪力墻出現偏拉，底層剪力墻的截面配筋以規范要求最低配筋率控制為主。
2.4中震不屈服分析
本工程采用SATWE軟件進行中震不屈服計算。7度(0. 15g)對應的設防烈度地震影響系數最大值為0. 34，采用振型分解反應譜進行計算，關鍵構件（底部加強區剪力墻）的正截面承載力應滿足高規第3. 11.3.2款中公式：
計算結果表明，底部加強區剪力墻抗震承載力可以滿足中震不屈服的要求。
圖7為中震作用下底層剪力墻配筋，可以看出在中震不屈服狀況下底層剪力墻四周均出現偏拉，其截面配筋以計算配筋為主。
為了驗證預制剪力墻水平接縫處在中震作用下是否會產生滑移，本工程對底層剪力墻水平接縫處的抗剪承載力進行了“中震不屈服”內力作用下的驗算，安照裝配式結構技術規程第6.5.1條及第8.3.7條中的公式進行驗算，驗算公式如下：
當墻肢出現拉力時抗剪不利，所以選取底層剪力墻出現拉力且拉力值較大工況的墻肢（圖7中墻肢Q1）進行驗算。該墻肢截面尺寸為220mm（厚）×3 500mm（長），根據SATWE計算文件查得墻肢Q1在中震作用下軸力N=-2 887kN（拉力），剪力
此段墻肢在水平接縫處的抗剪承載力在中震下滿足規范要求，墻肢能夠滿足中震不屈服的要求。
通過以上分析認為，適當提高底部加強區剪力配筋同時控制其軸壓比可以滿足中震不屈服（輕度損壞）的相關要求。
2.5大震彈塑性分析
本工程采用EPDA軟件進行彈塑性動力時程分析，地震加速度為0. 15g，場地特征周期為0.55g，設計分析選用三組地震波，分別為人工波( RHITG055波)、天然波1（THITC055波）、天然波2(TH4TG055波)。彈塑性分析采用Y向單地震輸入，峰值加速度取310cm／s2，地震波計算步長取0. 02s，有效持續時間取20s。
三組地震波作用下結構的彈塑性層間位移角曲線見圖8，由圖8可見，人工波和天然波1、天然波2三組地震波作用下結構y向的最大層間位移角分別為1/268，1/232，1/215。
圖9為底部加強區結構的彈塑性狀態分布，其中虛線表示墻體裂縫，圓點表示桿件出現塑性鉸。由圖可見，裂縫主要分布在端部開間樓電梯間部位的剪力墻上，裂縫以受拉裂縫為主，山墻有局部受壓裂縫；外側及一些內部梁端部出現塑性鉸。
綜上所述，在大震作用下結構的最大彈塑性層間位移角為1/215<[
]=1/120，可以滿足“大震不倒”的設防目標；底層部分墻體出現裂縫，部分梁和連梁出現塑性鉸。
中震不屈服及大震彈塑性分析結果表明，在等同現澆結構體系的前提下，該預制裝配式結構可以滿足設定的抗震性能目標，具有較好的抗震性能，結構的延性狀況較好，可以滿足規范的相關要求。
2.6結構設計采取的一些措施
根據裝配式結構的特點和結構計算結果分析，本工程采用了以下措施來提高結構的抗震性能：1）依據裝配式結構技術規程第6.3.1條相關要求，對現澆墻肢在地震作用下的彎矩和剪力乘以1.1的增大系數。2）底層墻體的軸壓比控制在0.5以內，低于規范限值0.6，通過提高底部加強區的延性來提高結構抗震性能。3）對底部加強區（1～3層）采取如下的加強措施：參考中震不屈服計算結果對墻體配筋進行加強，墻體配筋率按不小于0. 5%控制，分
布鋼筋采用
12@200；約束邊緣構件的抗震等級提高一級，按抗震等級二級進行設計。4）將剪力墻水平連接區域內的豎向構件上下500mm范圍內箍筋間距加密為100mm。
2.7構件拆分及構件設計
構件的拆分應滿足受力合理、加工簡單、安裝便捷的原則。首先確定預制剪力墻連接位置及尺寸，根據裝配式結構技術規程相關要求設置合理的現澆區域。填充墻的拆分要根據帚裝的要求選取合理的尺寸，疊合樓板應根據房間布置選擇合理的寬度。
預制構件混凝土強度等級根據其受力及軸壓比要求確定為：1～3層為C40，4～5層為C35，6層及以上為C30。預制填充墻材料為C10陶粒混凝土。
預制剪力墻根據計算結果及構造要求進行配筋，其中剪力墻底部加強區配筋為雙向
12@ 200，剪力墻上部區域（3層以上）豎向分布筋為10@200、水平分布筋辦8@ 200。預制填充墻考慮其抗裂及吊裝要求設置構造鋼筋
6@600，其中200mm厚預制填充墻采用雙層雙向配筋，100mm厚預制填充墻采用單層雙向配筋。填充墻頂部為疊合梁，疊合梁承受本層墻體及上層樓板的荷載。圖10為標準層預制墻體和充填墻體配筋大樣。
樓板采用鋼筋桁架疊合板，通過有效連接形成雙向或單向受力體系。本工程樓板按雙向板計算，疊合板板底設雙向受力鋼筋。疊合樓板厚度為130mm，其中預制板厚60mm，現澆疊合層厚度為70mm；樓板鋼筋根據內力計算結果配置。本工程板底配筋為雙向8@ 150，支座鋼筋為10@150。圖11為預制疊合板大樣。
2.8連接構造
2.8.1預制剪力墻連接構造
本工程預制剪力墻連接采用環筋扣合錨接技術，剪力墻豎向及水平連接示意見圖12。剪力墻豎向連接通過上、下層相鄰剪力墻環筋交錯扣合后，穿入水平縱向鋼筋，然后澆筑節點處混凝土。剪力墻水平連接通過連接區域環筋扣合后，插入豎向鋼筋，然后澆筑節點處混凝土，此做法與《裝配式混凝土結構連接節點構造》( 15G 310-2)中設附加封閉連接鋼筋與預留U形鋼筋連接做法一致。現澆暗柱縱筋采用機械連接。圖13為樣板間及施工現場照片。
2.8.2疊合樓板與預制墻體的連接
疊合樓板底部鋼筋在墻內搭接錨固，支座處上部鋼筋穿過墻體。疊合樓板現澆層與剪力墻豎向結合部位一塊澆筑形成整體，樓板與墻連接示意見圖14。目前廣泛應用的剪力墻豎向連接方法主要為套筒灌漿連接和漿錨搭接。本工程預制剪力墻的豎向鋼筋通過環筋扣合連接在疊合樓板現澆層內，可以有效地約束豎向連接處的混凝土，防止后澆部分混凝土剝落；同時由于結合部位在樓板處，接縫處抗剪能力強。這種連接比在樓板上面的搭接更安全可靠。
2.8.3預制樓板連接
疊合板的長度根據結構跨度確定，寬度控制在4m以內，以便于運輸和現場安裝。疊合板之間采用環筋扣合錨接，連接處設置環筋，縱向設附加鋼筋，澆筑混凝土后形成整體。樓板連接示意見圖15。
3 經濟性分析
為了比較與同等現澆結構的差別，做了現澆式預算和裝配式清單兩種類型的工程造價計算。在地上裝配式工程范圍內（建筑面積8 273m2），按現澆定額計算的工程造價為860. 99萬元，單方造價為1 040. 68元／m2；按裝配式清單計算的工程造價為1 087. 13萬元，單方造價為1 314. 03元／m2。
通過對二種計價方式的單方造價對比，在不考慮建筑工期影響的情況下裝配式清單的單方造價比現澆定額高273. 35元/m2。差價主要表現在：工廠加工費用高于現場施工的人工費；結構附屬構件較多，例如飄窗墻、空調板墻和立面建筑造型等，造成裝配式結構的加工及安裝費用高于傳統現澆結構；由于經驗不足導致項目整體管理費用較高；預制構件的生產批量較小導致單價高等。
4 結語
本文依據裝配式剪力墻結構設計的現有規范及相關資料，對中建觀湖國際項目中的14#公租房進行了結構分析。根據抗震性能化設計的分析結果，采取了可靠的技術措施，并對構件設計及節點連接提出了相應的設計原則及構造做法，對進一步推廣裝配式結構體系的廣泛應用具有一定的意義。目前本工程主體結構已施工至15層，構件安裝順利，節點連接施工質量較好。
