基于爬架施工全現(xiàn)澆混凝土外墻結(jié)構(gòu)若干設(shè)計優(yōu)化與措施分析

王 凱

（廈門經(jīng)濟特區(qū)房地產(chǎn)開發(fā)集團有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

鋁合金模板與整體提升式腳手架（爬架）配合的施工體系由于其能夠?qū)崿F(xiàn)工期提效、施工方便效率高、模板可回收利用、拼縫少、精度高、拆模后混凝土成型效果好等技術(shù)特點，在目前的高層及超高層建筑項目施工中逐漸得到廣泛運用［1］。對于傳統(tǒng)外墻結(jié)構(gòu)調(diào)整為一次成型全現(xiàn)澆混凝土外墻結(jié)構(gòu)，其調(diào)整過程中的設(shè)計優(yōu)化與技術(shù)措施至關(guān)重要，本文梳理了全現(xiàn)澆混凝土外墻結(jié)構(gòu)的若干設(shè)計優(yōu)化與技術(shù)措施，并針對其中的關(guān)鍵技術(shù)措施——混凝土墻填充墻與承重墻間的柔性連接進行詳細(xì)分析，從結(jié)構(gòu)受力機理與工程實例分析的角度研究其對工程質(zhì)量與安全的影響。

1 一次成型全現(xiàn)澆混凝土外墻結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

出于施工質(zhì)量與施工組織的考慮，鋁模+爬架施工體系往往要求薄抹灰/免抹灰全現(xiàn)澆混凝土外墻的設(shè)計。這是因為一方面全現(xiàn)澆混凝土外墻能夠提高施工質(zhì)量，避免砌筑填充墻與外墻承重剪力墻、砌筑填充墻與墻面砂漿之間因為材料熱膨脹系數(shù)不同引起的空鼓開裂滲漏等質(zhì)量通病；另一方面全現(xiàn)澆混凝土外墻可提高施工效率，充分利用鋁模體系施工優(yōu)勢實現(xiàn)外墻一次成型，通過避免或減少外立面砌筑、抹灰、貼磚等濕作業(yè)等工程量有效實現(xiàn)穿插提效工期優(yōu)化?；谝陨戏治觯捎萌F(xiàn)澆混凝土外墻并對原設(shè)計結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的設(shè)計優(yōu)化，能夠更好地匹配鋁模+爬架施工體系，與該施工體系協(xié)調(diào)工作。

廈門市目前在建部分高層及超高層塔樓的結(jié)構(gòu)施工中，采用鋁模+爬架工藝的全現(xiàn)澆混凝土外墻結(jié)構(gòu)，不同程度分別采用了如下結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。

1）將原設(shè)計外墻調(diào)整優(yōu)化為全現(xiàn)澆混凝土墻體，應(yīng)確保結(jié)構(gòu)能夠滿足抗震抗風(fēng)等相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求；

2）對于二次結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)調(diào)整，將外墻砌體結(jié)構(gòu)調(diào)整為混凝土結(jié)構(gòu)與主體外墻剪力墻同步澆筑施工；

3）對于局部的砌體構(gòu)件，如剪力墻邊的墻垛、門垛、凸窗板、窗臺墻、剪力墻開洞填充等調(diào)整為與主體梁板柱同標(biāo)號混凝土同步澆筑施工；

4）對于門頂過梁調(diào)整為梁下掛板，與主體結(jié)構(gòu)梁板采用同標(biāo)號混凝土同步澆筑施工；

5）相應(yīng)減少優(yōu)化外立面線條與造型，避免線條復(fù)雜無法使用鋁模一次成型。

2 一次成型全現(xiàn)澆混凝土外墻結(jié)構(gòu)技術(shù)措施

傳統(tǒng)外墻結(jié)構(gòu)調(diào)整為全現(xiàn)澆混凝土外墻結(jié)構(gòu)除了需要進行設(shè)計優(yōu)化外，由于結(jié)構(gòu)體系發(fā)生較大變化，針對調(diào)整為混凝土墻的填充外墻還需施行一定的技術(shù)措施，以保證結(jié)構(gòu)按照原有設(shè)計狀態(tài)受力與工作，避免出現(xiàn)較大的工程質(zhì)量與安全隱患，引發(fā)工程質(zhì)量安全事故［2］。 同樣以廈門市為例，目前高層及超高層項目中采用的技術(shù)措施如下。

1）對于混凝土填充墻進行取孔處理，使用如聚氯乙烯（PVC）管等材料，預(yù)埋在填充外墻中，通過控制一定的取孔率控制新增混凝土墻體積，減少調(diào)整后外墻體系的重力變化，如圖1 所示。

圖1 取孔大樣圖示例

2）對于混凝土填充墻與混凝土承重墻或上下層梁板間進行柔性連接處理，一般使用聚氯乙烯（PVC）、增塑聚氯乙烯（PVC-U）型材等材料。對于混凝土填充墻與混凝土承重墻或上下層梁板分別設(shè)置豎向與水平拉縫進行聯(lián)系，通過空腔構(gòu)造的拉縫設(shè)置可以允許一定范圍的拉壓變形，以實現(xiàn)柔性連接，減少調(diào)整后外墻體系的剛度變化。拉縫節(jié)點大樣如圖2 所示。

圖2 拉縫大樣圖示例（單位：mm）

3 關(guān)鍵技術(shù)措施分析

上述設(shè)計優(yōu)化與技術(shù)措施中，出于經(jīng)濟效益的考慮，建設(shè)單位與施工單位對于設(shè)計優(yōu)化落實較為到位。但是對于保證工程質(zhì)量與安全的技術(shù)措施，往往由于相應(yīng)技術(shù)措施費工費料，加上對于未實行技術(shù)措施帶來的結(jié)構(gòu)危害不夠了解從而沒有引起足夠重視，并未落實到位。故針對以拉縫為代表的柔性連接這一保障工程質(zhì)量與安全的關(guān)鍵技術(shù)措施進行詳細(xì)分析，闡述其技術(shù)機理，并以工程實例為例建模比對分析未施行該技術(shù)措施將帶來的質(zhì)量安全隱患與危害。

3.1 拉縫措施工藝與機理

結(jié)構(gòu)拉縫技術(shù)措施是在混凝土填充墻與承重剪力墻的豎向或橫向接縫部位，填充柔性材料，將填充墻體與承重墻體柔性連接，能夠有效隔斷填充墻同相連剪力墻及上下層梁柱，實現(xiàn)填充墻與承重墻的一次性澆筑成型［3］。結(jié)構(gòu)拉縫技術(shù)措施的工作機理在于：一方面，通過橫向拉縫的設(shè)置使混凝土填充墻的豎向荷載不會直接傳遞到墻底的梁，而是通過豎向拉縫與錨固鋼筋將填充混凝土墻自身的重力傳遞到主要受力豎向構(gòu)件上，有效降低了由高層累計的豎向荷載作用引起的底層梁局部結(jié)構(gòu)破壞，降低梁體結(jié)構(gòu)裂縫；另一方面，通過柔性連接能夠避免引起原設(shè)計結(jié)構(gòu)剪力墻剛度變化，否則結(jié)構(gòu)在地震作用下沒有進入預(yù)先設(shè)計的受力工作狀態(tài)，發(fā)生局部屈服破壞或剪切變形等不利工況。如有必要還可以在拉縫處增設(shè)阻尼構(gòu)件，實現(xiàn)地震下耗能，進一步降低地震下響應(yīng)［4］。

拉縫依據(jù)分隔連接的不同劃分為豎向拉縫與水平拉縫兩類。豎向拉縫用以連接同層相鄰的混凝土填充墻與承重剪力墻，橫向拉縫用以連接混凝土填充墻與其上下的樓層梁/板。拉縫柔性材料使用如聚氯乙烯（PVC）、增塑聚氯乙烯（PVC-U）型材等。型材腔體內(nèi)設(shè)置彎曲塑料片。通過腔體設(shè)置實現(xiàn)柔性連接，并預(yù)留孔洞以備穿拉結(jié)筋與兩側(cè)混凝土形成整體共同工作。豎向拉縫板材兩側(cè)突出卡槽對稱構(gòu)造布置用以實現(xiàn)擋水；水平拉縫板型材在室外方向設(shè)置企口，外高內(nèi)低以利于防水［5］（見圖3）。

圖3 PVC 拉縫板型材

3.2 工程實例分析

以廈門市某住宅項目為例，結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)如下：建筑高度 99 m，地下室層數(shù) 2 層，地上層數(shù) 32 層，上部結(jié)構(gòu)體系為剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級；抗震設(shè)防參數(shù)如下：所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度 7 度，設(shè)計基本地震加速度 0.15 g，設(shè)計地震分組第三組，場地類別II 類場地，場地特征周期 g=0.45s，水平地震影響系數(shù)amax在多遇、設(shè)防、罕遇地震下為 0.12、0.34、0.72；抗風(fēng)設(shè)防參數(shù)如下：50 年一遇基本風(fēng)壓 0.8 kN/m2，地面粗糙度 B 類。按不考慮全現(xiàn)澆混凝土外墻設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計按《廈門市住宅工程質(zhì)量常見問題防治—若干技術(shù)措施》（2014）與《福建省住宅工程設(shè)計若干技術(shù)規(guī)定》（2018）執(zhí)行。

依據(jù)上述的設(shè)計參數(shù)與建筑結(jié)構(gòu)平面布置圖建模，得到外墻非全混凝土結(jié)構(gòu)模型 STM-01。各項荷載取值依據(jù) GB 50009－2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》確定。在外墻非全混凝土結(jié)構(gòu)模型 STM-01 基礎(chǔ)上，按照外墻全混凝土進行調(diào)整，且針對拉縫技術(shù)措施的設(shè)置對照組，分別得到外墻全混凝土拉縫結(jié)構(gòu)模型 STM-02 與外墻全混凝土未拉縫結(jié)構(gòu)模型 STM-03。通過對 3 個工況模型建模計算，研究混凝土填充墻與混凝土承重墻間是否設(shè)置拉縫等柔性連接技術(shù)措施對于結(jié)構(gòu)地震下響應(yīng)的影響。

其中對于外墻全混凝土拉縫結(jié)構(gòu)模型 STM-02，增加的外墻混凝土墻部分由于設(shè)置拉縫，故在地震作用下不參與工作。按照混凝土墻體恒載取代外墻非全混凝土結(jié)構(gòu)模型 STM-01 中的砌體填充外墻恒載，荷載取值如表1 所示（暫按不采用取孔措施考慮）。對于外墻全混凝土未拉縫結(jié)構(gòu)模型，由于取代砌體墻的混凝土墻填充墻未與承重墻間使用柔性連接，故將參與結(jié)構(gòu)的承重受力，故對該部分混凝土墻按照等厚度剪力墻布置進行考慮。

表1 STM-01與STM-02 模型外墻非承重墻墻體荷載對比

使用 YJK2.0 結(jié)構(gòu)計算軟件進行建模與計算，求解STM-01、STM-02、STM-03 三個模型在地震與風(fēng)振作用下的等效側(cè)向剛度比、位移比、最大層間位移角等響應(yīng)指標(biāo)，結(jié)果如表2 所示。其中規(guī)范要求指標(biāo)取自 GB 50011－2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016 修訂）、GB 50 010－2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（2015 修訂）、JGJ 3－2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。

通過上述響應(yīng)指標(biāo)比較，可以得到如下結(jié)論。

1）全混凝土現(xiàn)澆外墻對于結(jié)構(gòu)性能不論是否經(jīng)過拉縫處理均存在不同程度的不利影響。外墻全混凝土拉縫結(jié)構(gòu)與外墻全混凝土未拉縫結(jié)構(gòu)的剛重比分別減少至 6.366、7.132，位移比分別增加至 1.27、1.23，層間位移比分別增大至 1.37、1.27，層間位移角分別變?yōu)?/1 024、1/1 142，但均仍在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

表2 外墻非全混凝土、外墻全混凝土拉縫、外墻全混凝土未拉縫結(jié)構(gòu)模型響應(yīng)對比

2）外墻全混凝土拉縫結(jié)構(gòu)模型相較外墻非全混凝土結(jié)構(gòu)模型，僅結(jié)構(gòu)剪重比變化較大，超過了規(guī)范允許區(qū)間；但其可通過剪力調(diào)整系數(shù)對相應(yīng)樓層剪力進行調(diào)整，進而對部分剪力墻配筋調(diào)整即可滿足規(guī)范要求。外墻全混凝土工況下進行拉縫處理實際上帶來了結(jié)構(gòu)成本的增加，但對結(jié)構(gòu)設(shè)計受力狀態(tài)與工程質(zhì)量安全并無顯著不利影響。

3）外墻全混凝土未拉縫結(jié)構(gòu)模型相較外墻非全混凝土結(jié)構(gòu)模型，最大層間位移與位移比最大值由塔樓頂部的 32 層改變至塔樓中部的 15 層處，改變了結(jié)構(gòu)原設(shè)計受力狀態(tài)。雖然最大層間位移相較原結(jié)構(gòu)有所減少，但是剛度比與受剪承載力均無法滿足規(guī)范要求，從而出現(xiàn)薄弱層在地震作用下易發(fā)生脆性破壞，存在重大安全隱患。究其原因，從結(jié)構(gòu)設(shè)計概念角度出發(fā)，由于增加剪力墻使得結(jié)構(gòu)剛度增加因此位移減少，但是增加的剪力墻由于地下室空間限制，無法貫通布置到地下室以及地基基礎(chǔ)上，因此對整體結(jié)構(gòu)存在較為嚴(yán)重的不利影響。

4 結(jié)論

本文對于基于爬架施工的一次成型全現(xiàn)澆混凝土外墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)歸納提出了若干設(shè)計優(yōu)化與技術(shù)措施，并針對其中結(jié)構(gòu)拉縫這一關(guān)鍵技術(shù)措施從結(jié)構(gòu)受力機理出發(fā)進行了全面的剖析。以某實際工程為例，比對了外墻非全混凝土、外墻全混凝土拉縫處理、外墻全混凝土未拉縫處理 3 種工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。得到如下結(jié)論。

1）調(diào)整為全現(xiàn)澆混凝土外墻結(jié)構(gòu)需要在保證抗震抗風(fēng)等結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的前提下，對于原砌體構(gòu)件及砌體外墻部分進行相應(yīng)設(shè)計優(yōu)化，將砌體調(diào)整為與相應(yīng)結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件同標(biāo)號的混凝土同步澆筑，提高了施工工效和工程質(zhì)量；

2）取孔、拉縫等技術(shù)措施對于全現(xiàn)澆混凝土外墻結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量與安全具有重要影響，需要嚴(yán)格落實相應(yīng)的技術(shù)措施以保證結(jié)構(gòu)在地震作用下按照能夠符合設(shè)計規(guī)范要求的設(shè)計受力狀態(tài)工作，由此保證工程質(zhì)量與安全；

3）全現(xiàn)澆混凝土外墻結(jié)構(gòu)對于結(jié)構(gòu)拉縫這一關(guān)鍵技術(shù)措施，若未設(shè)縫或不做縫，將導(dǎo)致混凝土填充墻承受荷載，而混凝土填充墻與承重墻不同，未貫通布置在地下室與地基基礎(chǔ)上，故結(jié)構(gòu)受力模式發(fā)生較大的變化，剛度比與受剪承載力等指標(biāo)無法滿足規(guī)范要求，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)薄弱層，地震下優(yōu)先發(fā)生脆性破壞，存在較大的工程質(zhì)量安全隱患。故在設(shè)計與施工過程中需要格外重視全現(xiàn)澆混凝土外墻的拉縫措施設(shè)計合理布置以及施工落實到位。