某預(yù)制空心板剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文/中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司國(guó)住人居工程顧問(wèn)有限公司 武曉敏 蔡玉龍 楊春林

1 工程概況

某項(xiàng)目位于北京市昌平區(qū)南邵鎮(zhèn)，分為57號(hào)地塊和70號(hào)地塊，兩地塊南北相鄰。本工程包括11棟公租房、30棟商品房、地下車庫(kù)及公共服務(wù)設(shè)施配套，總建筑面積562742m2。其中2棟公租房采用預(yù)制空心板剪力墻結(jié)構(gòu)體系，地上15層，地下3層，標(biāo)準(zhǔn)層層高2.8m，建筑高度44.25m；8棟商品房采用預(yù)制空心板剪力墻結(jié)構(gòu)體系，地上5～6層，地下2層，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.15m，建筑高度16.50（19.65）m。建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑抗震設(shè)防分類為丙類，抗震設(shè)防烈度8度（0.20g），設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。

2 結(jié)構(gòu)布置

公租房底部加強(qiáng)部位為地上1～2層，主要剪力墻厚200mm，抗震等級(jí)為二級(jí)；地上4～15層采用預(yù)制空心板剪力墻，地上3～15層樓板采用疊合樓板及預(yù)制空調(diào)板，地上樓梯全部采用預(yù)制樓梯。商品房底部加強(qiáng)部位為地上1層，主要剪力墻厚度為200mm，抗震等級(jí)為三級(jí)；地上全部采用預(yù)制空心板剪力墻，地上2層至頂層采用疊合樓板及預(yù)制空調(diào)板，地上2層及以上樓梯采用預(yù)制樓梯。以商品房9號(hào)樓為例（以下結(jié)構(gòu)計(jì)算分析等均以此樓棟為例），9號(hào)樓共2個(gè)單元，2個(gè)單元為鏡像關(guān)系，每個(gè)單元為2戶，每戶為鏡像關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)層單套型結(jié)構(gòu)平面布置如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層單套型結(jié)構(gòu)平面布置

3 住宅產(chǎn)業(yè)化實(shí)施

根據(jù)項(xiàng)目規(guī)劃意見(jiàn)書(shū)要求，依據(jù)“關(guān)于印發(fā)《北京市混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化住宅項(xiàng)目技術(shù)管理要點(diǎn)》的通知（京建發(fā)[2010]740號(hào)）”文件的有關(guān)規(guī)定：建筑高度小于60m時(shí)，①應(yīng)用預(yù)制剪力墻外墻板，預(yù)制化率不低于50%；②應(yīng)用預(yù)制樓梯；③應(yīng)用預(yù)制（疊合）陽(yáng)臺(tái)板和空調(diào)板，預(yù)制化率不低于70%；④宜采用預(yù)制（疊合）樓板和輕質(zhì)內(nèi)隔墻板。本工程豎向構(gòu)件采用預(yù)制剪力墻外墻板及預(yù)制剪力墻內(nèi)墻板，水平構(gòu)件采用疊合樓板、預(yù)制空調(diào)板及預(yù)制樓梯。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層單套型墻板拆分平面

3.1 預(yù)制空心板剪力墻

預(yù)制空心板剪力墻是在工廠生產(chǎn)完成的帶有貫通豎向孔及非貫通水平孔的預(yù)制剪力墻板，預(yù)制剪力墻墻板及預(yù)制邊緣構(gòu)件內(nèi)的鋼筋網(wǎng)片均為受力鋼筋。剪力墻的豎向及水平向連接均通過(guò)在施工現(xiàn)場(chǎng)向豎向及水平向孔內(nèi)放置豎向搭接鋼筋及水平搭接鋼筋進(jìn)行間接搭接，孔內(nèi)豎向及水平向搭接鋼筋均由工廠生產(chǎn)；搭接鋼筋就位后，向孔內(nèi)及現(xiàn)澆段澆筑比預(yù)制剪力墻板強(qiáng)度等級(jí)高一級(jí)的混凝土，形成裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)?？變?nèi)后插間接搭接鋼筋可避免預(yù)制剪力墻板四周預(yù)留胡子筋，使預(yù)制剪力墻板更易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，降低構(gòu)件的生產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝及現(xiàn)場(chǎng)安裝難度，提高生產(chǎn)及施工效率。標(biāo)準(zhǔn)層單套型墻板拆分平面如圖3所示。

3.2 疊合樓板、預(yù)制空調(diào)板及預(yù)制樓梯

本工程樓板除公共區(qū)域及降板處采用現(xiàn)澆，其余位置均采用疊合樓板，預(yù)制底板厚60mm，后澆疊合層厚70mm，疊合樓板拼縫采用后澆帶形式，形成現(xiàn)澆整體拼縫，標(biāo)準(zhǔn)層單套型樓板拆分平面如圖4所示。本工程預(yù)制空調(diào)板均為懸挑構(gòu)件，采用整體預(yù)制，板頂預(yù)留負(fù)彎矩筋伸入主體結(jié)構(gòu)后澆層的水平段長(zhǎng)度不應(yīng)小于1.2la，且不應(yīng)小于預(yù)制空調(diào)板的懸挑長(zhǎng)度。預(yù)制樓梯為雙跑樓梯，梯段上端及下端均采用固定鉸支座。

3.3 預(yù)制化率計(jì)算

本工程豎向構(gòu)件采用標(biāo)準(zhǔn)層豎向預(yù)制混凝土體積比計(jì)算預(yù)制化率，水平構(gòu)件采用標(biāo)準(zhǔn)層預(yù)制混凝土面積比計(jì)算預(yù)制化率。經(jīng)計(jì)算，9號(hào)樓剪力墻板預(yù)制化率為56%，樓板預(yù)制化率為79%，空調(diào)板及樓梯預(yù)制化率為100%，滿足“京建發(fā)[2010]740號(hào)”文件的相關(guān)規(guī)定。

4 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析

4.1 整體計(jì)算

采用與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相同的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析，現(xiàn)澆墻肢水平地震作用彎矩、剪力均乘以1.1的放大系數(shù)。本工程采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下的彈性分析，計(jì)算結(jié)果均滿足國(guó)家現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范要求。

4.2 補(bǔ)充計(jì)算

1）豎縫受剪承載力計(jì)算

參考JGJ 1—91《裝配式大板居住建筑設(shè)計(jì)和施工規(guī)程》第5.0.13條，墻肢豎縫剪力Vj，可按下式計(jì)算：

式中，Vj為墻肢在該層的水平剪力；bi為墻肢寬度；h為樓層高度。

取①軸交B～E軸最不利墻肢分析，其在底層的水平剪力設(shè)計(jì)值為1328kN，由式（1）得，其豎縫剪力為Vj=1.2×3.15/4.3×1328=1167.4kN。

參考JGJ 1—91第6.3.4條，墻板豎向接縫的受剪承載力按下式計(jì)算：

式中，nk、nj為接縫中的混凝土銷鍵及節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；Ak、Aj為單個(gè)銷鍵及節(jié)點(diǎn)的受剪截面面積；fjv為銷鍵混凝土的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，對(duì)于C30鋼筋混凝土墻板取fjv=fv=2.1MPa；ξ為群鍵共同工作系數(shù)，接縫中的混凝土銷鍵及節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為1～2個(gè)時(shí)，取ξ=1.00。As、fy為穿過(guò)豎向接縫的水平鋼筋水平面積及抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)，對(duì)鋼筋混凝土墻板，取γRE=0.85。

豎縫按全截面厚200mm計(jì)算，由式（2）得：

豎縫按后澆混凝土厚100mm計(jì)算，由式（2）得：

計(jì)算結(jié)果表明，豎縫受剪承載力滿足要求。

2）水平縫受剪承載力計(jì)算

參考JGJ 1—91第6.3.1條，當(dāng)軸向力為壓力時(shí)，水平接縫剪力設(shè)計(jì)值Vj，可按下式計(jì)算：

式中，Vc為混凝土銷鍵及節(jié)點(diǎn)的受剪承載力設(shè)計(jì)值；Vs為穿過(guò)水平接縫的豎向鋼筋的剪切摩擦力設(shè)計(jì)值，應(yīng)符合要求；VN為軸壓力所產(chǎn)生的剪切摩擦力設(shè)計(jì)值，當(dāng)VN≥(Vc+Vs)/2時(shí)，取VN=(Vc+Vs)/2；N為相應(yīng)于剪力Vj的軸壓力設(shè)計(jì)值；nk、nj為接縫中的混凝土銷鍵及節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；Ak、Aj為單個(gè)銷鍵及節(jié)點(diǎn)的受剪截面面積；fjv為銷鍵混凝土的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，對(duì)于C30鋼筋混凝土墻板取fjv=fv=2.1MPa；ξ為群鍵共同工作系數(shù)，接縫中的混凝土銷鍵及節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為1～2個(gè)時(shí)，取ξ=1.00。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)層單套型樓板拆分平面

As、fy為穿過(guò)豎向接縫的水平鋼筋水平面積及抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)，對(duì)鋼筋混凝土墻板，取γRE=0.85。

?、佥S交B～E軸最不利墻肢分析，其在底層的水平接縫剪力設(shè)計(jì)值Vj=1328kN，按后澆混凝土厚100mm計(jì)算，由式（4）得，Vc=0.24×1.00×100×4300×2.1=216.72 kN；由式（5）得，Vs=0.56×360×79×46=732.61kN；由式（6）得，VN=0.3×2440=732kN＞（216.72+732.61）/2=474.67kN，取VN=474.67kN；由式（1）得，Vj=1328kN≤（216.72+732.61+474.67）/0.85=1675kN。

依據(jù)JGJ 1—2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第8.3.7條，水平縫的受剪承載力設(shè)計(jì)值Vj=1328kN≤（0.6×360×79×46/1000+0.8×2440）/0.85=3220kN。

計(jì)算結(jié)果表明，水平縫受剪承載力滿足要求。

3）水平縫沿墻板出平面受壓承載力計(jì)算

參考JGJ 1—91第6.3.2條，當(dāng)為實(shí)心樓板時(shí)，水平縫沿墻板出平面受壓承載力可按下式計(jì)算：

式中，N為軸壓力設(shè)計(jì)值；β1為接點(diǎn)強(qiáng)度降低系數(shù)，按芯體、樓板與墻體三者混凝土強(qiáng)度差值大小，取用0.8～0.9；Aas為樓板在墻上的支承面積；A’為后澆混凝土芯體水平面積；fjc為樓板或墻板混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取兩者中較小值。對(duì)于鋼筋混凝土大板結(jié)構(gòu)，取fjc=fc；fjc’為芯體混凝土或墻板混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取兩者中較小值。對(duì)于鋼筋混凝土大板結(jié)構(gòu)，取fjc’=fc；e0為組合偏心距；t為墻板厚度。

?、佥S交B～E軸最不利墻肢分析，其在底層最大軸壓力設(shè)計(jì)值N=2758kN，偏安全取1-2e0/t=0.3（即僅考慮30%的受壓面積），由式（7）得，N=2758kN≤0.8×14.3×200×4300×0.3/0.85=3472.4kN。

計(jì)算結(jié)果表明，水平縫沿墻板出平面受壓承載力滿足要求。

5 設(shè)計(jì)措施

5.1 預(yù)制空心板剪力墻豎向連接

通過(guò)在剪力墻板豎孔內(nèi)后插非貫通鋼筋與上下層墻板豎向受力鋼筋間接搭接實(shí)現(xiàn)剪力墻板的豎向連接。設(shè)計(jì)時(shí)，考慮豎向鋼筋錯(cuò)位搭接的影響，后插鋼筋面積取不小于1.1倍墻體豎向鋼筋實(shí)配面積，搭接長(zhǎng)度較1.2laE提高到1.4laE，且在搭接范圍內(nèi)，墻體水平鋼筋間距加密為100mm。預(yù)制空心板剪力墻豎向連接節(jié)點(diǎn)如圖5所示。

5.2 預(yù)制空心板剪力墻水平向連接

當(dāng)剪力墻板接縫位于縱橫墻交接處的邊緣構(gòu)件區(qū)域時(shí)，邊緣構(gòu)件全部采用現(xiàn)澆混凝土，通過(guò)在預(yù)制墻板水平孔內(nèi)后插封閉箍筋與現(xiàn)澆邊緣構(gòu)件箍筋間接搭接實(shí)現(xiàn)剪力墻板水平向連接；當(dāng)拼縫位于非邊緣構(gòu)件時(shí)，相鄰預(yù)制墻板通過(guò)密拼板縫的形式實(shí)現(xiàn)剪力墻板水平向連接，密縫處水平孔內(nèi)后插封閉箍筋與相鄰預(yù)制墻板內(nèi)的水平鋼筋間接搭接。

圖5 預(yù)制空心板剪力墻豎向及水平向連接節(jié)點(diǎn)

5.3 樓層處連續(xù)水平后澆帶及屋蓋處封閉后澆圈梁設(shè)置

為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性及穩(wěn)定性，在樓層處的預(yù)制墻板頂面設(shè)置連續(xù)水平后澆帶，在屋蓋處的預(yù)制墻板頂面設(shè)置了封閉的后澆混凝土圈梁。節(jié)點(diǎn)如圖6所示。

5.4 混凝土澆筑

為減少混凝土的收縮，在預(yù)制墻板的孔內(nèi)澆筑微膨脹混凝土，預(yù)制墻板拼縫的現(xiàn)澆段采用補(bǔ)償收縮混凝土。

6 施工措施

1）施工單位應(yīng)編制詳細(xì)的施工組織設(shè)計(jì)和專項(xiàng)施工方案。施工前應(yīng)對(duì)預(yù)制空心板剪力墻增加樣板墻施工，確定工序流程、施工注意事項(xiàng)、操作規(guī)范及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)收合格后，對(duì)工人進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)后，方可進(jìn)行樓棟施工。

2）應(yīng)采取有效措施保證剪力墻板后插豎向及水平向連接鋼筋的準(zhǔn)確定位，保證鋼筋錨固長(zhǎng)度滿足規(guī)范要求，如設(shè)置定位鋼筋等。

3）為保證后澆混凝土質(zhì)量，在選擇后澆混凝土?xí)r，宜選擇最大骨料粒徑小于25mm、摻加粉煤灰、坍落度為（200±10）mm的混凝土。

4）后澆混凝土前，應(yīng)清除結(jié)合面上的雜物、浮漿及松散骨料，表面干燥時(shí)需灑水潤(rùn)濕，灑水后不得留有積水；同時(shí)對(duì)預(yù)制空心板剪力墻底部板腿間預(yù)留間隙采取防漏漿措施，并對(duì)排氣孔進(jìn)行防護(hù)處理。

5）后澆混凝土?xí)r，應(yīng)采用混凝土澆筑導(dǎo)澆槽進(jìn)行澆筑，澆筑順序?yàn)橄葷仓A(yù)制空心板剪力墻孔洞內(nèi)及相鄰預(yù)制墻板拼接處孔洞內(nèi)混凝土，后澆筑現(xiàn)澆段模板處混凝土?？锥磧?nèi)后澆混凝土分2次澆筑，每次澆筑高度為預(yù)制墻板高度的一半。首先，逐孔連續(xù)澆筑下部混凝土（必須隨澆隨振，逐孔振搗，振搗棒應(yīng)插至混凝土底部），澆筑時(shí)可采用輕質(zhì)材料作為標(biāo)尺，插入圓孔內(nèi)以控制下部混凝土澆筑高度；然后應(yīng)在下部混凝土初凝前完成上部混凝土澆筑（必須隨澆隨振，逐孔振搗，振搗棒應(yīng)插入下部混凝土內(nèi)不小于150mm），兩次澆筑均應(yīng)在振搗棒相應(yīng)位置做好標(biāo)記，嚴(yán)格控制振搗棒振搗深度。振搗時(shí)，振搗棒應(yīng)快插慢拔，按序振搗，不得漏振，最終振搗至混凝土上表面無(wú)氣泡、無(wú)塌陷。振搗作業(yè)人員需預(yù)先進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，培訓(xùn)合格后方可上崗作業(yè)，振搗時(shí)，管理人員應(yīng)旁站管理振搗作業(yè)全過(guò)程。

圖6 水平后澆帶及后澆圈梁

6）應(yīng)對(duì)后澆混凝土澆筑過(guò)程采取監(jiān)控錄像措施，以防止施工人員違反施工作業(yè)規(guī)定，為保障后澆混凝土質(zhì)量提供有效監(jiān)督與管理。

7 結(jié)語(yǔ)

本工程采用預(yù)制空心板剪力墻結(jié)構(gòu)體系，預(yù)制豎向構(gòu)件采用預(yù)制剪力墻外墻板及預(yù)制剪力墻內(nèi)墻板，預(yù)制水平構(gòu)件采用疊合樓板、預(yù)制空調(diào)板及預(yù)制樓梯。

1）結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)周期比、位移比、剪重比、層間位移角、樓層彎矩、有效質(zhì)量系數(shù)等均滿足規(guī)范要求。

2）對(duì)預(yù)制墻板豎向拼縫及水平拼縫的補(bǔ)充計(jì)算表明，拼縫承載力能夠滿足規(guī)范要求，預(yù)制空心板剪力墻結(jié)構(gòu)能夠形成裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)。

3）目前裝配式混凝土結(jié)構(gòu)多采用等同現(xiàn)澆的計(jì)算模型，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重概念設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際采用的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系與相應(yīng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的不同，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件及關(guān)鍵部位采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施，同時(shí)采取有效施工措施，保證計(jì)算假定的合理性。