某超高層裝配式鋼混剪力墻結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

林泳

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010）

1 工程概況

某項(xiàng)目位于廣東省深圳市龍崗區(qū)，總建筑面積約6.04 萬(wàn)m2，其中B4 棟超高層公寓地上41 層，地下3 層，首層至4 層為裙房商業(yè)，4 層以上為公寓功能，建筑高度148.50m，屋頂構(gòu)架標(biāo)高160.8m，屬B 級(jí)高度高層建筑。結(jié)構(gòu)平面尺寸約為51.1m×50.4m，高寬比為6.09，主要層高3.6m，3.0m，如圖1 所示。

圖1 建筑效果圖及結(jié)構(gòu)平面

根據(jù)業(yè)主對(duì)該塔樓采用裝配式結(jié)構(gòu)和縮短工期的要求，結(jié)合建筑使用功能、抗震（風(fēng)）性能要求以及造價(jià)合理等因素，創(chuàng)新地采用一種裝配式鋼混剪力墻結(jié)構(gòu)體系：采用加筋纖維水泥壓力板做模和飾面的鋼混剪力墻為豎向構(gòu)件；以自定位U 型鋼主梁、U 型鋼次梁和加筋水泥纖維板做模的混凝土疊合板為水平構(gòu)件；內(nèi)墻采用輕質(zhì)墻板；外墻采用裝配式自鎖連接整澆外墻；樓梯采用預(yù)制混凝土樓梯。

2 裝配式鋼混剪力墻體系組成及技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 加筋纖維水泥壓力板做模和飾面的鋼混剪力墻

因現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻需要大量模板，現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)量大，工期較長(zhǎng)；雙層鋼板組合剪力墻鋼材用量多，造價(jià)較高；預(yù)制裝配鋼筋混凝土剪力墻墻體重量大，運(yùn)輸安裝工作量大。該體系創(chuàng)新的采用一種新型鋼混剪力墻。

其由鋼板墻端柱和墻身標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制拼裝構(gòu)件分離安裝組成。鋼板墻端柱采用方鋼管柱組成一片剪力墻體的約束邊緣構(gòu)件。墻身標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制拼裝構(gòu)件由加筋纖維水泥壓力板內(nèi)包按常規(guī)鋼筋混凝土剪力墻配筋設(shè)計(jì)的墻身鋼筋骨架組成。型鋼端柱與墻身標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制拼裝構(gòu)件通過(guò)角焊縫連接后澆筑混凝土組成完整的一片鋼混剪力墻，如圖2 所示。

圖2 加筋纖維水泥壓力板做模和飾面的鋼混剪力墻

其具有如下顯著效果：

（1）采用加筋纖維水泥壓力板作為施工墻身模板，在施工過(guò)程中無(wú)須另外搭建施工模板；其外表面平整光滑，可以作為墻身裝飾面，與混凝土接觸面采用壓紋處理，使預(yù)制層和現(xiàn)澆層有效結(jié)合；其抗彎抗剪強(qiáng)度高可以輔助內(nèi)包常規(guī)鋼筋混凝土剪力墻受力，提高了剪力墻的承載力和穩(wěn)定性。

（2）將對(duì)剪力墻剛度貢獻(xiàn)明顯的端柱采為型鋼端柱，將對(duì)剪力墻剛度貢獻(xiàn)不大的墻身采用加筋纖維水泥壓力板內(nèi)包常規(guī)鋼筋混凝土受力，節(jié)省鋼材用量同時(shí)又提高剪力墻剛度，相比雙層鋼板組合剪力墻鋼材量節(jié)省約一半，相比普通鋼筋混凝土剪力墻體積減小約1/4。

（3）型鋼端柱和墻身標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制拼裝構(gòu)件可以在工廠中預(yù)先制造成型再運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)，在施工現(xiàn)場(chǎng)僅需通過(guò)焊接可實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件的定位對(duì)接，最后向端柱和墻身灌注混凝土就可完成剪力墻的組裝。組裝非常方便、快捷使得剪力墻的施工速度得以大幅提高。

2.2 自定位U 型鋼主梁、U 型鋼次梁

U 型鋼梁是對(duì)H 型鋼梁的改良，將H 型鋼梁腹板外擴(kuò)為二做梁身兩側(cè)，H 型鋼梁上翼緣外擴(kuò)為二支承兩側(cè)樓板，H 型鋼梁下翼緣作為梁底，在U 型梁內(nèi)澆筑混凝土，形成內(nèi)包混凝土的U型鋼梁。U 型鋼梁利用了鋼材的強(qiáng)度高及混凝土抗壓承載力高的特點(diǎn)，節(jié)省了鋼材用量，同時(shí)省去了混凝土的模板，施工方便。

該體系創(chuàng)新的在U 型主梁與剪力墻端柱連接處采用自定位安裝節(jié)點(diǎn)。其在端柱上預(yù)先設(shè)置1/6 梁長(zhǎng)度的工字鋼和U 型定位板，工字鋼設(shè)置加勁肋。在U 型主梁支座預(yù)先設(shè)置與工字鋼加勁肋相對(duì)應(yīng)的加勁肋。安裝時(shí)，U 型主梁放在U 型定位板上，U 型定位板與U 型主梁底部采用安裝螺栓固定，在U 型梁頂板采用連接板貼住工字鋼加勁肋和U 型主梁加勁肋并用安裝螺栓固定，如圖3 所示。

圖3 自定位U 型鋼主梁節(jié)點(diǎn)大樣

自定位安裝節(jié)點(diǎn)僅在整段梁的負(fù)彎矩最大處設(shè)置工字鋼，提高梁支座處的抗彎能力；在整段梁的支座剪力處設(shè)置U 型定位板，提高梁支座處的抗剪能力；同時(shí)采用U 型定位板增強(qiáng)了梁支座的抗扭剛度?？晒?jié)省鋼材用量，提高經(jīng)濟(jì)效益。自定位安裝構(gòu)件可以在工廠中預(yù)先制造成型再運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)，施工時(shí)僅采用安裝螺栓固定連接就實(shí)現(xiàn)連接處剛接效果，無(wú)須焊接。同時(shí)U型定位板可提高安裝定位精度。制造簡(jiǎn)單安裝方便，提高了施工速度。

2.3 加筋水泥纖維板做模的混凝土疊合板

該體系創(chuàng)新的采用一種加筋水泥纖維板做模復(fù)合自帶鋼筋受力的混凝土疊合板，其在加筋水泥纖維板上的一個(gè)方向通過(guò)自攻螺絲釘固定一定間距的槽鋼，底模和槽鋼共同承受施工階段荷載，在施工過(guò)程中無(wú)須另外搭建施工模板和拆除模板；在槽鋼上點(diǎn)焊固定樓板使用階段受力的板底板面鋼筋。自攻螺絲釘可承受疊合面的剪應(yīng)力，同時(shí)水泥纖維板在與混凝土接觸面采用壓紋處理，使槽鋼和加筋水泥纖維板底模與現(xiàn)澆混凝土層有效結(jié)合，可與板底鋼筋共同承受板底彎矩，有效提高板底的抗彎能力和抗裂性能，減少板底鋼筋面積，如圖4 所示。

圖4 加筋水泥纖維板做模的混凝土疊合板大樣

2.4 裝配式自鎖連接整澆外墻

裝配式自鎖連接整澆外墻采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的冷彎薄壁槽鋼構(gòu)件和雙拼角鋼構(gòu)件，角鋼與角鋼、角鋼與槽鋼之間的連接采用鋼釘自鎖連接形成鋼骨架，在鋼骨架左右兩邊拼接20mm 厚木絲水泥板形成外墻外表面，用防水型輕質(zhì)泡沫混凝土填充兩塊木絲水泥板之間的空隙，外墻與豎向構(gòu)件和水平構(gòu)件進(jìn)行焊接連接，形成制造安裝方便，抗裂性強(qiáng)，剛度大，自重輕，抗風(fēng)、隔音、防火、防水的裝配式外墻板。

圖5 裝配式自鎖連接整澆外墻大樣

3 裝配式鋼混剪力墻體系抗震性能分析

3.1 抗震性能目標(biāo)

該塔樓屬B 級(jí)高度、扭轉(zhuǎn)偏大和凹凸不規(guī)則的超限高層建筑，依據(jù)《高規(guī)》第3.11 節(jié)的要求進(jìn)行總體性能目標(biāo)C 抗震性能化設(shè)計(jì)。

3.2 小震和風(fēng)作用下計(jì)算

采用YJK 和ETABS 兩個(gè)軟件進(jìn)行計(jì)算分析。整體電算結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn)各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

3.3 中震作用下計(jì)算

采用YJK 軟件進(jìn)行中震承載力驗(yàn)算。阻尼比ξ=0.04，水平最大地震影響系數(shù)αmax＝0.23。采用規(guī)范反應(yīng)譜計(jì)算，結(jié)果表明，所有豎向構(gòu)件的抗彎抗剪均未出現(xiàn)超限情況；部分連梁出現(xiàn)屈服，但滿足中震性能目標(biāo)3 的要求。

表1 整體電算結(jié)果

3.4 罕遇地震彈塑性分析

采用SAUSAGE 軟件，選取滿足頻率特性的2 條人工波和5條天然波進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析。分析結(jié)果表明：①結(jié)構(gòu)0°主方向?qū)娱g位移角最大值為1/173，90°主方向?qū)娱g位移角最大值為1/166，結(jié)構(gòu)最大層間位移角均小于1/150，滿足罕遇地震不倒的性能要求；②結(jié)構(gòu)大部分鋼混剪力墻未出現(xiàn)明顯受壓損傷，鋼材大部分保持彈性，大部分構(gòu)件均在輕度損傷以下。底部加強(qiáng)區(qū)部分剪力墻角部出現(xiàn)小范圍中度損傷，同時(shí)部分鋼材進(jìn)入塑性；③除連梁外，部分U 型主梁發(fā)生輕微到中度損傷，少量U 型主梁鋼材進(jìn)入屈服；④結(jié)構(gòu)連梁損傷程度較大，大部分達(dá)到重度或嚴(yán)重?fù)p壞，起到一定的耗能作用。結(jié)構(gòu)樓板損傷程度均較低；⑤結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件均滿足性能C 抗剪截面要求，如圖6 所示。

綜上所述，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下整體滿足性能C 要求。

4 結(jié)論

該結(jié)構(gòu)體系抗震性能分析結(jié)果滿足性能目標(biāo)C 的要求，同時(shí)風(fēng)荷載和豎向荷載作用下的計(jì)算指標(biāo)也滿足規(guī)范要求，證明該結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

該結(jié)構(gòu)體系解決了混凝土剪力墻體系梁高較高，樓層凈高過(guò)小的問(wèn)題，800mm 梁高的混凝土框架梁，采用U 型鋼梁替代僅需600mm 高；解決了混凝土剪力墻墻較厚的問(wèn)題，600mm 寬的混凝土剪力墻采用加筋纖維水泥壓力板做模和飾面的鋼混剪力墻替代僅需450mm 寬；采用自重輕安裝方便的自鎖連接外墻解決了預(yù)制混凝土外墻重量大，吊裝困難的問(wèn)題。

新型裝配式鋼混剪力墻體系可達(dá)到90%以上裝配率，該體系自重輕，可有效減少結(jié)構(gòu)地震力和基礎(chǔ)負(fù)荷，預(yù)制構(gòu)件制造簡(jiǎn)單安裝方便，工業(yè)化施工速度快，可縮短工期，降低結(jié)構(gòu)造價(jià)，具有明顯經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 鋼混剪力墻、U 型主梁性能水平