裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)中角部邊緣構(gòu)件劃分對設計合理性及施工便捷性的影響

劉 威，徐春麗，吳 鋒，楊喜梅，武 濤（上海寶冶集團有限公司建筑設計研究院，上海 200941)

1 工程設計概況

1.1 項目概況

本工程由 3 棟 18 層高層住宅、1 棟 11 層住宅、1 棟 4層配套公建、地下車庫、PT/PK 型站及門衛(wèi)等組成總建筑面積 43 548.55 m2，地上建筑面積 36 681.00 m2，地下建筑面積 6 867.55 m2，其中地下車庫面積為 5 202.37 m2。除地下車庫、PT/PK 型站及門衛(wèi)外，其余單體均采用裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)。

1.2 結(jié)構(gòu)概況

本工程建筑設計耐久年限 50年，建筑抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度為 0.1 g，設計地震分組為第二組，場地類別為 Ⅳ 類。3 棟 18 層住宅和 1 棟 11 層住宅采用裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)，1 棟配套公建采用裝配整體式框架結(jié)構(gòu)，抗震等級均為三級。本工程預制構(gòu)件范圍包括所有剪力墻（標高范圍 5.730～52.130 m）、外圍梁（標高范圍8.630～52.130 m）、外圍非承重墻、部分樓板、陽臺、空調(diào)板、飄窗。預制率預計控制在 40% 以上。住宅基礎采用PHC 管樁基礎，配套公建因鄰近地鐵采用灌注樁基礎。

本文選擇 2 號樓右側(cè)標準層（標高范圍 5.730～8.630 m）左上角和左下角兩個凸窗兩側(cè)剪力墻的邊緣構(gòu)件作為研究對象，即左上角的 GB Ze 4、YBZe 2 和左下角的 GBZe 6、GBZe 3。通過實際計算分析，詳細討論了 2 種布置方案對剪力墻邊緣構(gòu)件劃分合理性和 PC 施工便捷性的影響?，F(xiàn)有的建筑平面布置圖和結(jié)構(gòu)剪力墻布置見圖1、2（注：僅選取左上角和左下角作為研究對象）。

圖1 建筑標準層平面圖（mm）

圖2 結(jié)構(gòu) 5.730～8.630 m 墻柱布置圖（mm）

2 設計假定和計算結(jié)果輸出

抗震墻的墻肢長度≤墻厚的 3 倍時，應按柱的有關要求進行設計；矩形墻肢的厚度≤300 mm 時，尚宜全高加密箍筋[1]。

當墻肢的截面高度和厚度之比≤4 時，宜按框架柱進行截面設計[2]。

裝配式結(jié)構(gòu)的平面形狀宜簡單、規(guī)則、對稱，質(zhì)量、剛度分布宜均勻；不應采用嚴重不規(guī)則的平面布置；不宜采用角部重疊或細腰形平面布置[3-4]。

在本單體中，根據(jù)建筑圖紙布置，角部房間凸窗不居中，造成洞口兩邊一側(cè)墻肢長度＜墻厚的 3 倍，按規(guī)范要求，需要按柱的要求進行設計，尤其是當計算結(jié)果數(shù)值較大時，按柱單邊配筋，一般都要采用鋼筋三排放置，甚至采用并筋的形式，才能滿足計算結(jié)果和配筋要求。

為了響應規(guī)范要求，在滿足建筑凸窗尺寸和使用功能的情況下，建議將凸窗居中布置。這樣洞口兩側(cè)的墻肢長度相當，受力均勻合理，且墻肢的截面高度和厚度之比均＞4，無需按柱計算設計，后期施工圖配筋更加靈活簡便。

本工程采用中國建筑科學研究院 PKPM 系列軟件(2010 v 3.1 版 PMCAD,SATWE 等)進行結(jié)構(gòu)設計。現(xiàn)將 2 種結(jié)構(gòu)模型剪力墻在同一位置的計算結(jié)果輸出，對比見圖3、圖4。

圖3 左上角計算結(jié)果對比

圖4 左下角計算結(jié)果對比

根據(jù) 2 種結(jié)構(gòu)模型計算結(jié)果，剪力墻邊緣構(gòu)件實際劃分和配筋詳圖如圖5 所示。

圖5 墻柱實際配筋圖對比

從圖5 中明顯看出：原結(jié)構(gòu)布置中，出現(xiàn)較多高厚比＜4，甚至＜3 的墻肢，按照規(guī)范規(guī)定，按柱單邊配筋的話，鋼筋直徑較大，配筋較多，甚至出現(xiàn)并筋的形式，顯然不滿足裝配式建筑中鋼筋與灌漿套筒配套使用的規(guī)定，且灌漿套筒間距也不滿足要求（詳見后續(xù) 3.3 節(jié)計算），構(gòu)件生產(chǎn)制作和現(xiàn)場安裝難度較大。居中后，洞口兩側(cè)剪力墻高厚比均＞4，再加上配筋計算結(jié)果較小，按墻去配筋布置時，鋼筋數(shù)量較少，且直徑較小，大大提高了后續(xù)模具生產(chǎn)、構(gòu)件制作和施工安裝效率。

3 邊緣構(gòu)件劃分和施工可行性分析

3.1 邊緣構(gòu)件的劃分原則

規(guī)范[3]對于邊緣構(gòu)件預制段和后澆段的劃分如圖6 所示：

圖6 邊緣構(gòu)件劃分相關規(guī)定（mm）

從圖6 中可以看出：

（1）約束邊緣構(gòu)件的劃分與規(guī)范[2]第 7.2.15 條是一致的。

（2）構(gòu)造邊緣構(gòu)件的劃分若采用全部后澆時，與規(guī)范[1]第 6.4.5 條一致，但與規(guī)范[2]第 7.2.16 條是不一致的。本單體為高層建筑，實際劃分應與后者一致，從嚴要求。這樣，邊緣構(gòu)件在實際施工中，就會存在預制和后澆 2 種形式。

（3）構(gòu)造邊緣構(gòu)件的劃分若采用部分后澆時，與規(guī)范[1]第 6.4.5 條和規(guī)范[2]第 7.2.16 條都是不一致的。考慮到實際設計中需要滿足預制率 40% 的情況下，多數(shù)設計師會在滿足規(guī)范[3]的情況下，將邊緣構(gòu)件劃分為預制和后澆 2 種形式，就必然存在剪力墻邊緣構(gòu)件中鋼筋豎向有灌漿套筒或漿錨搭接連接形式。

3.2 預制剪力墻中豎向鋼筋連接規(guī)定

預制剪力墻中鋼筋接頭處套筒外側(cè)鋼筋的混凝土保護層厚度應≥15 mm，預制柱中鋼筋接頭處套筒外側(cè)箍筋的混凝土保護層厚度應≥20 mm；套筒之間的凈距應≥25 mm[3]。

縱向鋼筋采用漿錨搭接連接時，對預留孔成孔工藝、孔道形狀和長度、構(gòu)造要求、灌漿料和被連接鋼筋，應進行力學性能及適用性的試驗驗證。Φ＞20 mm 的鋼筋不宜采用漿錨搭接連接[3]。

上下層預制剪力墻的豎向鋼筋，當采用套筒灌漿連接和漿錨搭接連接時，應符合下列規(guī)定[3]：

（1）邊緣構(gòu)件豎向鋼筋應逐根連接。

（2）預制剪力墻的豎向分布鋼筋，當僅部分連接時（見圖7），被連接的同側(cè)鋼筋間距應≥600 mm，且在剪力墻構(gòu)件承載力設計和分布鋼筋配筋率計算中不得計入不連接的分布鋼筋；不連接的豎向分布鋼筋應Φ≥6 mm。

圖7 豎向鋼筋部分連接示意（mm）

（3）一級抗震等級剪力墻以及二、三級抗震等級底部加強部位，剪力墻的邊緣構(gòu)件豎向鋼筋宜采用套筒灌漿連接。

3.3 套筒灌漿設計與施工便捷性分析

套筒灌漿連接方式在日本、歐美等國家已經(jīng)有長期、大量的實踐經(jīng)驗，國內(nèi)也已有充分的試驗研究和相關的規(guī)程，可以用于剪力墻豎向鋼筋的連接[3]。本工程采用規(guī)范建議的套筒灌漿連接方式，根據(jù)剪力墻邊緣構(gòu)件計算結(jié)果和套筒實際規(guī)格，詳細計算分析了在設計過程中，如何劃分邊緣構(gòu)件和配筋排布。

上海地區(qū)常見的全灌漿套筒規(guī)格與鋼筋直徑的關系（上海利物寶建筑科技有限公司產(chǎn)品）如表1 所示。

表1 常見的全灌漿套筒規(guī)格

以邊緣構(gòu)件豎向最小鋼筋Φ12 mm 為例，水平分布筋Φ8 mm，墻厚 200 mm，最小保護層厚度取 15 mm[5]，根據(jù)表1 可知，套筒直徑D=44 mm，墻厚方向單排 2 根12 mm 鋼筋，2x44 mm+25 mm + 2x8 mm+ 2x15 mm =159mm＜ 200 mm，滿足。墻厚方向單排 3 根 12 mm 鋼筋，3x44 mm+2x25 mm+2x8 mm+2x15 mm=228 mm＜200 mm，不滿足同等條件和計算方式，所以只能采用鋼筋單排 2 根放置。鋼筋Φ取 28 mm，此時套筒直徑D= 62 mm， 2x62 mm+25 mm +2x8 mm +2x15 mm = 195 mm＜200 mm，滿足。鋼筋Φ取 32 mm，此時套筒直徑D=66 mm， 2x66 mm + 25 mm + 2x8 mm +2x15 mm = 203 mm＞200 mm，不滿足。故得出結(jié)論，200 mm 墻厚，當豎向鋼筋采用灌漿套筒連接時，單排只能放 2 根鋼筋，鋼筋Φ≤28 mm。此處注意，抗震墻豎向和橫向分布鋼筋的直徑要求：墻厚的 1/10 ≥Φ≥8 mm[1]，按照此條規(guī)定，對于 200 mm 厚剪力墻，鋼筋宜Φ≤20 mm，而最新裝配式規(guī)范[3-4]中未提到剪力墻鋼筋直徑最大值的相應規(guī)定，故本文中暫且按最大鋼筋Φ28 mm 考慮。

本工程實際預制邊緣構(gòu)件和普通墻體的豎向鋼筋套筒灌漿連接做法如圖8 所示。

圖8 預制墻豎向套筒連接做法示意

在本單體中，由于凸窗不居中，造成洞口兩邊的 GBZe 6 和 YBZe 2 墻肢長度＜墻厚的 3 倍，需要按柱的要求進行設計，實際配筋采用三排且并筋的形式，才能滿足計算結(jié)果和配筋要求。實際套筒灌漿連接，對于 200 mm 厚墻體，單排只能放置 2 根鋼筋，且不能采用并筋，否則跟套筒不配套，所以就造成了設計與實際施工很難協(xié)調(diào)處理的問題。當凸窗居中布置后，洞口兩側(cè)的墻肢長度相當，且墻肢的截面高度和厚度之比均＞4，無需按柱計算設計，計算結(jié)果數(shù)值較小，設計配筋能很好地滿足套筒灌漿連接的實際要求，達到設計與施工的高度統(tǒng)一，更加合理便捷。

3.4 兩種方案經(jīng)濟性對比分析

3.4.1 豎向鋼筋

左上角凸窗洞口兩側(cè)建立墻計算配筋 1 527 mm2+1 602 mm2=3 129 mm2；

居中后 1 038 mm2+704 mm2= 1 742 mm2；

左上角居中后計算配筋量為原來的 1 742 mm2/3 129 mm2=55.7%；

左下角凸窗洞口兩側(cè)建立墻計算配筋 1 319 mm2+494 mm2=1 813 mm2；

居中后 1 109 mm2+680 mm2= 1 789 mm2；

左下角居中后計算配筋量為原來的 1 789 mm2/1 813 mm2=98.7%；

兩片墻肢合計居中后計算配筋量為原來的（1 742 mm2+1789 mm2）/（3 129 mm2+1 813 mm2）=71.4%，節(jié)約了 28.6 % 的鋼筋，推廣到全樓，經(jīng)濟性非?？捎^。

3.4.2 水平分布鋼筋

原結(jié)構(gòu) YBZe 2 計算值為 H 1.7，即墻內(nèi)設計箍筋間距200 mm 范圍內(nèi)的箍筋面積（cm2），折算為單側(cè)每米范圍內(nèi)配筋面積為 170 mm2/ 2 / 0.2 = 425 mm2；

GBZe 6 計算值為 H 1.4，即墻內(nèi)設計箍筋間距 200 mm范圍內(nèi)的箍筋面積（cm2），折算為單側(cè)每米范圍內(nèi)配筋面積為 140 mm2/2/0.2=350 mm2；

居中后，兩側(cè)墻肢計算結(jié)果均為 H 1.0，構(gòu)造配筋，折算為單側(cè)每米范圍內(nèi)配筋面積為 100 mm2/2/0.2=250 mm2；

兩片墻肢合計居中后計算配筋量為原來的（250 mm 2x 2）/（425 mm2+350 mm2）= 64.5%，節(jié)約了 35.5% 的鋼筋，推廣到全樓，經(jīng)濟性亦非?？捎^。

4 方案對比分析及經(jīng)驗總結(jié)

經(jīng)過以上 2 種方案的詳細對比分析，可以得出以下的結(jié)論和經(jīng)驗總結(jié)。

（1）結(jié)構(gòu)方案布置的不合理性，對設計計算結(jié)果和實際施工均有很大的影響，建議在以后的項目設計中，在前期方案比選時，盡量優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置，尤其是外墻洞口宜居中布置。

（2）對于預制 200 mm 剪力墻，當豎向鋼筋采用套筒灌漿連接時，由于套筒自身與鋼筋相應直徑的配套性、套筒間距及套筒外圍分布筋保護層厚度等的要求，不能采用并筋，且單排只能放 2 根鋼筋，直徑范圍 12～28 mm。

（3）盡量避免出現(xiàn)短肢剪力墻，尤其是高厚比＜4 的墻肢，以防止墻肢過短，計算結(jié)果配筋較大，出現(xiàn)并筋或配筋較大而 PC 構(gòu)件無法制作的情況。

（4）若是實際工程中，不可避免地出現(xiàn)高厚比＜4 的墻肢或某些邊緣構(gòu)件計算配筋較大時，建議將此部分墻肢或邊緣構(gòu)件劃分為現(xiàn)澆。這樣豎向鋼筋就無需按灌漿套筒逐根連接，設計也可以采用并筋形式，PC 構(gòu)件無法制作的情況迎刃而解。

（5）若在實際設計項目中，由于建筑開洞等布局限制，出現(xiàn)高厚比＜4 的墻肢，對于 200 mm 厚剪力墻，結(jié)合按柱配筋要求，單排只能放置 2 根鋼筋和連梁鋼筋穿過等情況，墻肢計算值宜≤9 cm2。

（6）外墻洞口居中布置后，由于墻肢高厚比＞4，豎向鋼筋計算值較小，且不用再按照柱子設計配筋，故配筋設計更加靈活，鋼筋直徑普遍較小，相應灌漿套筒也較少較小，能夠更好地滿足 PC 構(gòu)件制作和施工便捷性要求。

（7）在滿足建筑功能的前提下，合理優(yōu)化外墻洞口布置，可以大大節(jié)約成本。本例中，豎向鋼筋用量節(jié)約了28.6%，水平分布筋用量節(jié)約了 35.5%，經(jīng)濟性十分可觀。

5 結(jié) 語

住宅產(chǎn)業(yè)化是我國住宅建設的發(fā)展方向。如何快速實現(xiàn)鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化，是擺在所有業(yè)內(nèi)人員面前的共同課題，其中，設計是龍頭，更是制約裝配式住宅技術發(fā)展的核心問題。

本文結(jié)合在做 PC 項目設計過程中遇到的實際問題，提出了設計優(yōu)化布置方案。經(jīng)過實際計算，對比分析了 2 種方案的設計合理性、施工便捷性和經(jīng)濟性，并總結(jié)了一些設計經(jīng)驗，供廣大設計及施工人員參考。