裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的運用研究

周 炯

（江西同濟(jì)建筑設(shè)計咨詢有限公司，江西南昌 330000）

引言

在我國建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中，我國政府出臺了一系列的綠色建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展政策，并為其提供相應(yīng)的技術(shù)支持，促進(jìn)我國建筑行業(yè)始終向著綠色化以及產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展。而裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計作為綠色建筑中的重要組成部分，已經(jīng)成為建筑行業(yè)發(fā)展設(shè)計中的重要內(nèi)容。裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)具有精細(xì)化以及模板化、智能化的特點，其中蘊含的技術(shù)種類也較多，因此要想提高裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量，就需要對其中各項技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析討論。

1 裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)運用分析

1.1 CL 結(jié)構(gòu)體系復(fù)合剪力墻

我國從2016 年開始加強了對裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)，并發(fā)布了一系列的指導(dǎo)建議，提出在10 年之內(nèi)將裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)中的占比達(dá)到30%。相繼出臺了一系列的文件以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)在設(shè)計運用中需要嚴(yán)格根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)實施，其中主要包括JGJ/T273-2012《鋼絲網(wǎng)架混凝土復(fù)合板結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、CECS445-2016《非金屬面結(jié)構(gòu)保溫夾芯板設(shè)計規(guī)程》等。CL 結(jié)構(gòu)體系復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)最早出現(xiàn)在二十世紀(jì)末，該結(jié)構(gòu)中主要由鋼絲網(wǎng)架保溫夾芯板以及混凝土層組成，利用鋼絲網(wǎng)架穿過保溫板，將其作為夾芯層。其中網(wǎng)架需要超出一定的距離，對兩側(cè)的混凝土進(jìn)行噴涂，完成混凝土復(fù)合剪力墻的制作。CL 結(jié)構(gòu)體系復(fù)合剪力墻在實際運用中具有較強的抗震性以及節(jié)能性，并且在2018 年在多個省內(nèi)發(fā)布了CL 結(jié)構(gòu)體系復(fù)合剪力墻運用標(biāo)準(zhǔn)。CL 結(jié)構(gòu)體系復(fù)合剪力墻在應(yīng)用中鋼絲網(wǎng)架能夠與兩側(cè)的承重混凝土實現(xiàn)緊密連接，進(jìn)而實現(xiàn)共同協(xié)同發(fā)展，兩側(cè)混凝土層的抗震性能與疊加厚度的抗震性相同，因此在實際應(yīng)用中需要計算CL 結(jié)構(gòu)體系復(fù)合剪力墻中的疊加厚度。

1.2 SW 建筑體系

SW 建筑體系屬于新型建筑體系，其在實際設(shè)計中，將夾膜噴涂混凝土夾芯剪力墻作為主要受力部位，其中中間夾層位置使用保溫板，雙面鋼絲網(wǎng)架起到連接作用，將保溫板兩側(cè)的混凝土進(jìn)行連接?；炷两ㄔO(shè)分為兩次施工進(jìn)行，第一次在夾芯板表面噴涂混凝土，形成夾芯剪力墻，第二次使用夾模后澆的方式，在夾芯墻兩端的位置實現(xiàn)混凝土澆筑，具體見圖1。

圖1 SW 復(fù)合夾心墻

在對SW 復(fù)合夾心墻進(jìn)行測試的過程中，隨機選擇5 個混凝土墻試件對其受力情況進(jìn)行測試，最終結(jié)果表示，墻底位置豎向連接鋼筋在達(dá)到受拉屈服強度情況下，墻底底部位置應(yīng)力的分布情況與平截面假定計算相互吻合。

1.3 WZ 復(fù)合墻

WZ 復(fù)合墻由鋼筋網(wǎng)架以及混凝土共同組合，WZ復(fù)合墻的夾芯層與混凝土板相互連接，通過正交桁架的鋼筋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，再通過澆筑將網(wǎng)架中的弦桿方格相互連接，構(gòu)成“三明治”復(fù)合墻板結(jié)構(gòu)。WZ 復(fù)合墻在實際運用中主要具有以下特點，第一，WZ 復(fù)合墻中的腹桿還是弦桿，無論處于縱墻還是橫墻中，都會形成平面桁架結(jié)構(gòu)，因此WZ 復(fù)合墻在運用中的穩(wěn)定性較強。第二，WZ 復(fù)合墻的抗壓強度較高，在對其承載力進(jìn)行計算的過程中，可以利用混凝土厚度疊加的方式進(jìn)行計算，并在WZ 復(fù)合墻受壓側(cè)150 mm 的范圍之內(nèi)，對WZ 復(fù)合墻的水平鋼筋進(jìn)行加密處理[1]。另外，還可以在原有WZ 復(fù)合墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用碳纖維增強錐形蜂窩網(wǎng)格夾芯墻的結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)與WZ 復(fù)合墻相比，承載力更高，運用效果也更好。

2 裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

2.1 荷載取值

在裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)荷載計算過程中，可以從以下幾個方面入手：

第一，恒荷載，針對建筑中樓板、地面裝修位置以及衛(wèi)生間位置的恒荷載量進(jìn)行計算，其中地面部分的荷載量為1.3 kN/m2。衛(wèi)生間的恒載部分：0.13×25 kN/m3+0.35×12 kN/m3(陶粒混凝土的容重)=6.7 kN/m2，為保證安全，需要取整數(shù)7.0 kN/m2，建筑樓梯間部位的荷載量取值根據(jù)以往經(jīng)驗為8.0 kN/m2。

第二，活荷載量，活荷載量的取值范圍需要按照《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》(GB55001-2021)確定，具體荷載情況見表1。

表1 建筑主要部分標(biāo)準(zhǔn)荷載數(shù)值

第三，線荷載，線荷載的計算公式為線荷載=重度（kN/m3）×寬度（m）×高度（m）。其中重度需要根據(jù)《建筑接軌荷載規(guī)范》中材料以及構(gòu)件自身重量取值，混凝土是25 kN/m3，實心磚為kN/m3，混合砂漿為17 kN/m3，重度最終數(shù)值需要加上建筑抹灰以及涂料重量，外墻面磚為0.6 kN/m3，內(nèi)墻抹灰為0.4 kN/m3，通常情況下普通住宅線荷載的范圍在7～15 kN/m 之間。根據(jù)以上數(shù)值能夠計算出各個部位線荷載的實際數(shù)量，例如，200 mm 厚預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)：（18×0.2+0.4+0.6）×3=13.8 kN/m，門窗折減之后為13.8×0.7=9.66 kN/m。200mm 內(nèi)墻：（18×0.2+0.4×2）×3=13.2 kN/m，門窗折減之后為13.2×0.7=9.24 k/m。

通常情況下，裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的重量往往大于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，住宅建筑設(shè)計中采用的非承重墻，多數(shù)使用的材料為孔磚材料以及加氣混凝土，重量在8～14 kN/m3之間。另外，裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)中，多數(shù)構(gòu)件需要預(yù)制，主要為圍護(hù)墻、集成窗等材料，并且還要滿足吊裝作業(yè)以及運輸作業(yè)的實際要求，所以多數(shù)情況下采用配筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，容量為25k N/m3。住宅建筑中開間的設(shè)計在3 300～4 000 mm 之間，建筑樓板厚度跨度為1/40～1/30 之間，范圍是100～120 mm。裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)中采用的樓板設(shè)計為疊合板，因此根據(jù)當(dāng)前對裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)規(guī)定能夠看出，一般疊合板預(yù)制的厚度在60 mm 以上，完成混凝土澆筑疊合層的厚度也在60 mm 以上。

2.2 剪力墻連接方式以及構(gòu)件長度設(shè)計

目前裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)在連接過程中，機械連接的應(yīng)用時間較長，到目前為止已經(jīng)具有50 多年的應(yīng)用時間，該種連接方式主要是利用帶肋鋼筋和連接接頭之間的摩擦力實現(xiàn)，在兩根鋼筋之間對力進(jìn)行有效傳遞。由于應(yīng)用時間較長，因此我國針對其的機械接頭類型、構(gòu)造以及注意事項等都作出了明確規(guī)定，整體上看該種連接方式的配套條件較為完善。圖2 為常見的機械連接接頭。

圖2 常見的機械連接接頭

要想進(jìn)一步降低裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)施工難度，預(yù)制剪力墻的模數(shù)通常情況下需要控制在300 mm 左右，并且重點對其長度進(jìn)行有效控制，單片墻的承受量需要在5 t 以下。如果建筑設(shè)計為現(xiàn)澆結(jié)果，假設(shè)剪力墻的厚度為200 mm，則構(gòu)造邊緣的長度可以控制在400 mm 左右，如果構(gòu)件中存在轉(zhuǎn)角墻，則可以將長度控制在300 mm 左右。裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)在邊緣構(gòu)件長度確定的過程中，需要對水平鋼筋的直徑以及錨固長度進(jìn)行分析，根據(jù)預(yù)制墻中水平鋼筋材料的實際使用情況，在現(xiàn)澆過程中，直錨長度需要在1.2LaE 以上，如果是U型錨，則長度需要達(dá)到0.6LaE。假設(shè)135°彎鉤的抗震等級為二級，使用混凝土強度為C35，三級鋼的直徑大小為12 mm，則最終錨固的長度為37d+10=454 mm。在對翼墻或者轉(zhuǎn)角墻進(jìn)行設(shè)計的過程中，邊緣構(gòu)件直段長度參數(shù)為300 mm，單邊現(xiàn)澆長度為500 mm。但是為了降低對實際施工產(chǎn)生的負(fù)面影響，需要根據(jù)配筋情況確定最終邊沿構(gòu)件的長度情況，保證裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計施工能順利進(jìn)行[2]。

2.3 裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)拆分要點

在對裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行深化設(shè)計的過程中，需要對預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行拆分處理，由于裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，所以在拆分過程中，也要實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化拆分，根據(jù)協(xié)調(diào)性和構(gòu)件連接等效的原則進(jìn)行拆分。其中剪力墻截面的尺寸需要根據(jù)節(jié)點區(qū)鋼筋布置要求決定，要保證鋼筋錨固強度的同時，將預(yù)制厚度的剪力墻厚度控制在200 mm 左右，具體情況（以某實際工程舉例）見表2。

表2 剪力墻厚度以及混凝土強度等級

樓板的尺寸具體情況為預(yù)制層厚度為60 mm，現(xiàn)澆層厚度為70 mm，尺寸分別為1 200 mm×60 mm、1 500 mm×60 mm、1 800 mm×60 mm。疊合梁截面的尺寸為200 mm×400 mm，200 mm×500 mm，200 mm×750 mm 三種。

2.4 裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計

在對裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行設(shè)計的過程中，可以從以下幾方面入手（以某實際工程舉例）：

第一，裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的振型以及周期，周期是裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)性能衡量的關(guān)鍵指標(biāo)，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行有效控制，提高抗側(cè)力剛度布局的合理性，避免裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)過度損壞等情況[3]。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的內(nèi)容進(jìn)行周期計算，如果最終計算結(jié)果沒有達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，則表示裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，抗震性能有待提升，因此需要對裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整[4，5]。在計算剪力墻結(jié)構(gòu)以及裝配結(jié)構(gòu)的過程中，可以使用YJK 軟件進(jìn)行計算，確定各階的陣型等。具體情況見表3、4。

表3 YJK 軟件中現(xiàn)澆式剪力墻結(jié)構(gòu)前8 階周期以及平動系數(shù)

表4 YJK 軟件中裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)前8 階周期以及平動系數(shù)

通過上表的數(shù)據(jù)信息能看出，現(xiàn)澆筑剪力墻結(jié)構(gòu)與裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)周期差異為1.5%，二者的結(jié)構(gòu)周期比分別為0.823 和0.843，規(guī)范限值為0.9，二者都達(dá)到了相應(yīng)的要求，抗震性能較好。

第二，樓層剪力以及傾覆彎矩，裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)在地震以及風(fēng)荷載的影響下，基底總剪力以及總傾覆彎矩的實際情況見表5。

表5 結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)荷載作用下的剪力及傾覆彎矩

通過上表內(nèi)容能夠看出，裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)在地震的情況下，由于方向不同，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制的因素也不同，在X 方向中，地震對裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)起到主要控制，而在Y 方向的情況下，風(fēng)荷載主要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。

第三，裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的位移比，位移比指的是在偏心因素的影響下，建筑豎向構(gòu)件最大位移與樓層位移的比值，通過分析位移比的方式能夠確定裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，如果位移比沒有達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，則表示建筑物可能會在地震中發(fā)生結(jié)構(gòu)破損等情況。我國在《高規(guī)》中針對結(jié)構(gòu)位移比制定了明確規(guī)定，其中A、B 級建筑物的位移比需要在樓層平均值的1.2 倍以下，A 級建筑在平均值的1.5 以下，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的建筑在樓層平均值的1.4 倍以下，可以利用YJK 軟件計算位移比，假設(shè)工程為A 級，在這一標(biāo)準(zhǔn)下，裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)位移比實際數(shù)值見表6。

表6 裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)位移比

通過上表內(nèi)容能夠看出，裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)在X、Y 方向中位移比的最大值為1.12，與規(guī)定數(shù)值1.2 相比較小，因此能滿足相應(yīng)規(guī)定。但是在偶然偏心地震的作用下，Y 方向位移角比增加，這一情況則表示需要對對應(yīng)節(jié)點進(jìn)行強化處理，不斷提高裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3 結(jié)論

裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中的保溫、抗震以及節(jié)能性能都較強，是我國建筑結(jié)構(gòu)今后發(fā)展的主要方向，目前我國各個省份已經(jīng)針對裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)制定了相應(yīng)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。該種情況下，要想進(jìn)一步提高裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計運用質(zhì)量，就需要從結(jié)構(gòu)的各項環(huán)節(jié)和性能入手，實現(xiàn)有效設(shè)計，為今后裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的良好應(yīng)用和發(fā)展提供條件。