装配式剪力墙结构体系在某公租房中的应用(建筑)

                                张海东

                     （河南中建工程设计咨询有限公司，郑州450004）

[摘要]  装配式剪力墙结构通过标准化设计、工厂化生产、装配化施工，能达到高效建造和节能环保的目的，符合建筑工业化的发展方向。介绍了中建观湖国际项目中14#公租房的装配式结构体系设计，提出了装配式剪力墙结构的设计原则。并通过抗震性能分析发现本结构底部加强区为薄弱部位，对此部位提出了具体的加强措施；同时对构件连接构造提出了要求，可为类似装配式结构设计提供一定的参考作用。

[关键词]  装配式剪力墙结构；结构分析；预制构件；连接

中图分类号：TU318   文章编号：1002-848X( 2016) 10-0009-05

1  工程概况

    中建观湖国际项目（图1）位于郑州市经济开发区，总用地面积30 735. 27m²。其中14#楼位于建设用地的西北角，为小区配套公租房项目，标高±0. 00m以上采用预制装配结构，以下采用现浇混凝土结构。该公租房项目总建筑面积9 276m²，地上为24层，各层层高为2. 9m;地下为2层，其中地下1层层高为4.5m，地下2层层高为3.8m。14#楼建筑高度69. 900m，为一类高层住宅楼。地下室主要为储藏室和自行车库，地上1，2层为物业及社区用房，3层及以上为公租房。

    14#楼建筑长27m、宽14. 1m。标准层有6户，每户开间4. 5m、进深9m，建筑面积约60m²，标准层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3-2010)（简称高规）第5.1节相关规定，做如下假定：结构的变形和内力按弹性计算；结构分析采用空间模型进行有限元计算；内力和位移计算时，假定楼板面内无限刚性。剪力墙、梁、板等预制构件应具有与现浇构件相同的强度、耐久性、耐火性、防水性等性能（即等同现浇结构体系）。剪力墙、梁应根据连接方式选用正确的计算方法，叠合楼板要保证有充分的强度和刚度以满足面内无限刚性假定。

    连接是装配式结构与现浇结构主要不同点之一。竖向和水平接缝部位的钢筋应采用安全可靠的连接，且接缝处新旧混凝土之间应采用粗糙面、键槽等构造措施。连接区域应有满足受力要求的强度、刚度及塑性，后浇混凝土强度等级不应低于相应预制构件的混凝土强度等级。

2.2结构平面布置及拆分

    图4为结构标准层平面布置图，图中涂黑构件为剪力墙，墙厚200mm；叠合梁主要截面尺寸为：200mm×400mm,200mm×600mm．200mm×1 000mm；叠合板厚度为130mm;填充墙厚度有200mm和100mm两种。

    图5为结构标准层墙体分布示意，主要墙体有预制剪力墙、现浇剪力墙、预制填充墙。预制构件主要包括：预制墙板、预制楼板、预制楼梯等。现浇部分主要为：剪力墙连接部位、叠合楼板的现浇部分。

2.3结构小震弹性分析

    本工程采用SATWE软件进行小震作用下的弹性分析，计算采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱（CQC法）。主要参数计算结果见表1。

    从计算结果可以看出，X向、Y向两个主轴方向的结构刚度基本接近；最大层间位移角小于1/1 000，扭转位移比控制在1.2以内；剪重比大于0. 024。结构在X向、y向刚度和抗扭刚度的布置均较为合理，按一般现浇结构进行分析的主要指标均满足高规相关要求。建筑平面见图2，建筑剖面图见图3。14#楼采用装配式剪力墙结构体系，主要构件剪力墙、填充墙、楼板、楼梯等均采用工厂加工，现场拼装。

    14#楼为标准设防类，设计使用年限为50年。抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0. 15g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类。抗震等级为三级，抗震构造措施为二级；基本风压为0. 45kN/m²，地面粗糙程度为B类。结构嵌固端设在地下室顶板。

2  结构设计

2.1装配式结构设计应遵循的原则

    本工程采用装配式剪力墙结构，依据《装配式混凝土结构技术规程》( JGJ l-2014)（简称装配式结构技术规程）第6.3.1条规定：在各种设计状况下，装配整体式结构可采用与现浇混凝土结构相同的方法进行结构分析。本工程计算分析根据《高层图6为小震作用下底层剪力墙配筋，由图可见，在小震作用下底层剪力墙大部分处于压弯状态，仅在角部剪力墙出现偏拉，底层剪力墙的截面配筋以规范要求最低配筋率控制为主。

2.4中震不屈服分析

    本工程采用SATWE软件进行中震不屈服计算。7度(0. 15g)对应的设防烈度地震影响系数最大值为0. 34，采用振型分解反应谱进行计算，关键构件（底部加强区剪力墙）的正截面承载力应满足高规第3. 11.3.2款中公式：

  计算结果表明，底部加强区剪力墙抗震承载力可以满足中震不屈服的要求。

    图7为中震作用下底层剪力墙配筋，可以看出在中震不屈服状况下底层剪力墙四周均出现偏拉，其截面配筋以计算配筋为主。

  为了验证预制剪力墙水平接缝处在中震作用下是否会产生滑移，本工程对底层剪力墙水平接缝处的抗剪承载力进行了“中震不屈服”内力作用下的验算，安照装配式结构技术规程第6.5.1条及第8.3.7条中的公式进行验算，验算公式如下：

    当墙肢出现拉力时抗剪不利，所以选取底层剪力墙出现拉力且拉力值较大工况的墙肢（图7中墙肢Q1）进行验算。该墙肢截面尺寸为220mm（厚）×3 500mm（长），根据SATWE计算文件查得墙肢Q1在中震作用下轴力N=-2 887kN（拉力），剪力

此段墙肢在水平接缝处的抗剪承载力在中震下满足规范要求，墙肢能够满足中震不屈服的要求。

    通过以上分析认为，适当提高底部加强区剪力配筋同时控制其轴压比可以满足中震不屈服（轻度损坏）的相关要求。

2.5大震弹塑性分析

    本工程采用EPDA软件进行弹塑性动力时程分析，地震加速度为0. 15g，场地特征周期为0.55g，设计分析选用三组地震波，分别为人工波( RHITG055波)、天然波1（THITC055波）、天然波2(TH4TG055波)。弹塑性分析采用Y向单地震输入，峰值加速度取310cm／s²，地震波计算步长取0. 02s，有效持续时间取20s。

    三组地震波作用下结构的弹塑性层间位移角曲线见图8，由图8可见，人工波和天然波1、天然波2三组地震波作用下结构y向的最大层间位移角分别为1/268，1/232，1/215。

    图9为底部加强区结构的弹塑性状态分布，其中虚线表示墙体裂缝，圆点表示杆件出现塑性铰。由图可见，裂缝主要分布在端部开间楼电梯间部位的剪力墙上，裂缝以受拉裂缝为主，山墙有局部受压裂缝；外侧及一些内部梁端部出现塑性铰。

    综上所述，在大震作用下结构的最大弹塑性层间位移角为1/215<[]=1/120，可以满足“大震不倒”的设防目标；底层部分墙体出现裂缝，部分梁和连梁出现塑性铰。

    中震不屈服及大震弹塑性分析结果表明，在等同现浇结构体系的前提下，该预制装配式结构可以满足设定的抗震性能目标，具有较好的抗震性能，结构的延性状况较好，可以满足规范的相关要求。

2.6结构设计采取的一些措施

    根据装配式结构的特点和结构计算结果分析，本工程采用了以下措施来提高结构的抗震性能：1）依据装配式结构技术规程第6.3.1条相关要求，对现浇墙肢在地震作用下的弯矩和剪力乘以1.1的增大系数。2）底层墙体的轴压比控制在0.5以内，低于规范限值0.6，通过提高底部加强区的延性来提高结构抗震性能。3）对底部加强区（1～3层）采取如下的加强措施：参考中震不屈服计算结果对墙体配筋进行加强，墙体配筋率按不小于0. 5%控制，分

布钢筋采用12@200；约束边缘构件的抗震等级提高一级，按抗震等级二级进行设计。4）将剪力墙水平连接区域内的竖向构件上下500mm范围内箍筋间距加密为100mm。

2.7构件拆分及构件设计

    构件的拆分应满足受力合理、加工简单、安装便捷的原则。首先确定预制剪力墙连接位置及尺寸，根据装配式结构技术规程相关要求设置合理的现浇区域。填充墙的拆分要根据帚装的要求选取合理的尺寸，叠合楼板应根据房间布置选择合理的宽度。

    预制构件混凝土强度等级根据其受力及轴压比要求确定为：1～3层为C40，4～5层为C35，6层及以上为C30。预制填充墙材料为C10陶粒混凝土。

    预制剪力墙根据计算结果及构造要求进行配筋，其中剪力墙底部加强区配筋为双向12@ 200，剪力墙上部区域（3层以上）竖向分布筋为10@200、水平分布筋办8@ 200。预制填充墙考虑其抗裂及吊装要求设置构造钢筋6@600，其中200mm厚预制填充墙采用双层双向配筋，100mm厚预制填充墙采用单层双向配筋。填充墙顶部为叠合梁，叠合梁承受本层墙体及上层楼板的荷载。图10为标准层预制墙体和充填墙体配筋大样。

    楼板采用钢筋桁架叠合板，通过有效连接形成双向或单向受力体系。本工程楼板按双向板计算，叠合板板底设双向受力钢筋。叠合楼板厚度为130mm，其中预制板厚60mm，现浇叠合层厚度为70mm；楼板钢筋根据内力计算结果配置。本工程板底配筋为双向8@ 150，支座钢筋为10@150。图11为预制叠合板大样。

2.8连接构造

2.8.1预制剪力墙连接构造

    本工程预制剪力墙连接采用环筋扣合锚接技术，剪力墙竖向及水平连接示意见图12。剪力墙竖向连接通过上、下层相邻剪力墙环筋交错扣合后，穿入水平纵向钢筋，然后浇筑节点处混凝土。剪力墙水平连接通过连接区域环筋扣合后，插入竖向钢筋，然后浇筑节点处混凝土，此做法与《装配式混凝土结构连接节点构造》( 15G 310-2)中设附加封闭连接钢筋与预留U形钢筋连接做法一致。现浇暗柱纵筋采用机械连接。图13为样板间及施工现场照片。

2.8.2叠合楼板与预制墙体的连接

    叠合楼板底部钢筋在墙内搭接锚固，支座处上部钢筋穿过墙体。叠合楼板现浇层与剪力墙竖向结合部位一块浇筑形成整体，楼板与墙连接示意见图14。目前广泛应用的剪力墙竖向连接方法主要为套筒灌浆连接和浆锚搭接。本工程预制剪力墙的竖向钢筋通过环筋扣合连接在叠合楼板现浇层内，可以有效地约束竖向连接处的混凝土，防止后浇部分混凝土剥落；同时由于结合部位在楼板处，接缝处抗剪能力强。这种连接比在楼板上面的搭接更安全可靠。

2.8.3预制楼板连接

    叠合板的长度根据结构跨度确定，宽度控制在4m以内，以便于运输和现场安装。叠合板之间采用环筋扣合锚接，连接处设置环筋，纵向设附加钢筋，浇筑混凝土后形成整体。楼板连接示意见图15。

3  经济性分析

    为了比较与同等现浇结构的差别，做了现浇式预算和装配式清单两种类型的工程造价计算。在地上装配式工程范围内（建筑面积8 273m²），按现浇定额计算的工程造价为860. 99万元，单方造价为1 040. 68元／m²；按装配式清单计算的工程造价为1 087. 13万元，单方造价为1 314. 03元／m²。

    通过对二种计价方式的单方造价对比，在不考虑建筑工期影响的情况下装配式清单的单方造价比现浇定额高273. 35元/m²。差价主要表现在：工厂加工费用高于现场施工的人工费；结构附属构件较多，例如飘窗墙、空调板墙和立面建筑造型等，造成装配式结构的加工及安装费用高于传统现浇结构；由于经验不足导致项目整体管理费用较高；预制构件的生产批量较小导致单价高等。

4  结语

    本文依据装配式剪力墙结构设计的现有规范及相关资料，对中建观湖国际项目中的14#公租房进行了结构分析。根据抗震性能化设计的分析结果，采取了可靠的技术措施，并对构件设计及节点连接提出了相应的设计原则及构造做法，对进一步推广装配式结构体系的广泛应用具有一定的意义。目前本工程主体结构已施工至15层，构件安装顺利，节点连接施工质量较好。