裝配式建筑結構設計中的剪力墻結構設計

鄭僱招

（重慶市長壽建筑設計院，重慶 401220）

0 引言

在城市化建設的進程中，建筑物的結構形式越來越新穎，人們對建筑物的要求也越來越高，國內外眾多學者都對裝配式建筑結構進行研究。周炯從裝配式建筑結構出發(fā)，對CL 結構體系、SW 建筑體系、WZ 復合墻等進行研究，探索了剪力墻結構的設計要點。馬倩研究了裝配式建筑設計的要點，對框架設計、剪力墻結構設計、構件拆分設計等進行研究，闡述了相關的技術要求。本研究從前人的研究基礎出發(fā)，結合具體案例，重點研究裝配式建筑結構剪力墻結構的設計內容、運用方法。

1 裝配式建筑結構和剪力墻結構

1.1 裝配式建筑結構

裝配式建筑結構是一種提前制作建筑構件，進而按照設計要求實施裝配的建筑形式。在裝配式建筑的建造過程中，建設單位需要通過工廠生產標準化的預制構件，包括樓梯、陽臺、樓板等，所有的預制構件都需要從工廠運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，施工人員需要進行連接，提高施工效率。在裝配式建筑結構的施工中，建設單位需要高度重視建筑構件的標準性和規(guī)范性，應用先進的構件連接方式，提高建筑結構的穩(wěn)定性。當前，我國城市建設中的裝配式建筑結構越來越多，這種建筑形式大大縮短了建筑物的施工周期，具有節(jié)約能源資源、節(jié)約土地、節(jié)省建筑材料的優(yōu)勢，能夠進行全面推廣[1]。

1.2 剪力墻結構

在裝配式建筑結構中，剪力墻從基礎部位直達建筑頂部，高度能夠達到上百米，寬度通常為幾米到幾十米。相比較于普通墻而言，剪力墻的厚度較小，為200～300mm，最小能夠達到160mm。當前，剪力墻結構可以分為實體墻、整體小開口剪力墻，壁式框架剪力墻、雙肢剪力墻、多肢剪力墻等，不同類型的剪力墻結構在應用中能夠發(fā)揮不同的功能，設計人員需要結合建筑物的整體結構，選擇不同類型的剪力墻，采用科學的剪力墻設計方法，全面提高剪力墻的抗震性能，增強建筑結構的美觀性[2]。

2 裝配式建筑結構中剪力墻結構的設計內容

2.1 預制墻體設計

對于裝配式建筑結構設計而言，設計人員首先要做好預制墻體的設計，發(fā)揮剪力墻結構的作用。在設計工作開始前，設計人員要全面分析裝配式建筑結構中剪力墻的設計訴求，綜合考慮裝配式建筑結構的整體受力情況，把握好剪力墻結構需要承擔的作用和價值[3]。

例如，鄭州市某住宅小區(qū)全部采用裝配式剪力墻結構體系，該項目總用地面積為15 077.5m2，建筑總面積51 000m2。其中，5＃樓建筑的長度為54.4m，寬為13.6m，地上共有21層，地下共有2 層，標準層的單層面積為624.36m2，層高為2.9m，總建筑面積為14 568.52m2，建筑高度為61.2m。該建筑的剪力墻厚度為200mm，樓板的厚度為140mm。在剪力墻混凝土的強度等級方面，基礎頂～3 層為C40，3～4 層為C35，5 層～屋面層為C30。在預制墻體的設計中，設計人員需要對預制墻水平縫受剪承載力進行驗算，嚴格按照《裝配式環(huán)筋扣合錨接混凝土剪力墻結構技術規(guī)程》中的相關規(guī)定，通過VuE ≤0.6fyAsd+0.8N 完成驗算。結合該公式，設計人員需要對建筑物中剪力墻的最小軸力和豎向配筋面積進行計算。在5＃樓，某預制剪力墻的最小軸力N ＝1 645.84kN，豎向配筋的面積Asd ＝1 810.8mm2，該剪力墻在地震作用下的最大剪力為VuE ＝559.04kN，與下層預制墻連接的水平縫受剪承載力設計值為1 707.8kN，所以VuE ＜V，該剪力墻的設計符合規(guī)范要求。

在剪力墻結構的荷載計算方面，設計人員可以從恒荷載、活荷載量、線荷載三個方面進行計算。首先，在恒荷載方面，設計人員需要對建筑中的樓板、衛(wèi)生間等位置進行恒荷載量計算。其次，在活荷載量的計算中，設計人員需要根據《工程結構通用規(guī)范》（GB55001-2021）來確定，荷載情況如表1 所示。

表1 建筑主要部分標準荷載數(shù)值

最后，在線荷載的計算方面，設計人員需要按照相關公式進行計算，具體的公式為：

線荷載＝重度（kN/m3）×寬度（m）×高度（m） （1）

在預制墻體的設計中，設計人員需要高度重視預制墻體自身的受力情況，科學設計受力點，同時還需要關注套筒預埋區(qū)域、鋼筋預留距離等，為后期預制墻體的運用奠定基礎。

2.2 預制構件設計

在剪力墻結構設計方面，設計人員還需要完成預制構件的設計，保證預制構件能夠在后期得到可靠運用，避免預制構件出現(xiàn)偏差。對于剪力墻結構而言，預制構件的標準化程度、質量決定了后期的施工質量，同時還會影響整個建筑工程的質量。為此，設計人員首先需要確定出所有預制構件的類型，然后結合剪力墻結構在裝配式建筑中的具體分布情況，確定預制構件的預制方式。例如，在裝配式建筑的預制外墻體中，就需要使用預制混凝土夾心保溫構件，該構件能夠提高剪力墻的保溫性能，降低該部位的熱量損失。另外，在預制構件的設計方面，設計人員還需要綜合考慮具體的參數(shù)信息，提高設計的精準性。對于裝配式建筑而言，設計人員需要把握好不同構件的參數(shù)標準，確定好各類預制構件的尺寸，另外還要科學設計構件的數(shù)量，方便后期的施工。

2.3 豎向連接設計

在裝配式建筑中，剪力墻結構的設計包含了豎向連接設計，只有全面做好豎向連接設計，才能提高剪力墻結構的穩(wěn)定性，消除安全隱患。當前，剪力墻結構的豎向連接設計主要包含機械連接、套筒灌漿連接、漿錨連接等方式。其中，機械連接方式主要利用了帶肋鋼筋和連接接頭之間的摩擦力，能夠起到良好的連接效果。在具體的設計當中，設計人員需要高度重視鋼筋材料的優(yōu)化使用，設計規(guī)格粗大的鋼筋，同時對相應的套筒材料進行搭配，確保后期施工能夠取得理想的連接效果，避免出現(xiàn)不穩(wěn)定、不協(xié)調的問題。在預制裝配剪力墻結構的上下層連接方面，設計人員需要運用半剛性的連接手段，保證剪力墻結構的完整性，防止上下層出現(xiàn)偏差。

2.4 水平連接設計

作為裝配式建筑結構剪力墻結構的設計人員，除了要做好豎向連接設計之外，還需要重點做好水平連接設計，避免水平連接出現(xiàn)問題。在具體的設計當中，設計人員需要關注鋼筋的搭接方式，充分考慮剪力墻結構在后續(xù)施工中的要求，降低施工難度。當前，“水平鋼筋預留直線錨固”是一種常見的水平連接設計，設計人員需要結合構件的特點，合理設置鋼筋材料，確保水平連接形成良好的咬合效果，提高水平連接的穩(wěn)定性。此外，在水平連接設計方面，設計人員還需要關注鋼筋錨固長度不足的問題，結合剪力墻水平連接的需求以及整體的結構參數(shù)，科學配置鋼筋錨固。

2.5 疊合板設計

對于裝配式建筑結構而言，疊合板式混凝土的連接方式能夠有效提高裝配式建筑整體的抗震性能，增強建筑的穩(wěn)定性。在剪力墻結構的設計方面，設計師必須高度重視疊合板設計。疊合板設計必須考慮預制板的接縫長度、結構，設計人員需要充分掌握這些內容，做好單向板、雙向板的規(guī)劃，完成具體的設計方案。通常情況下，從預制板的接縫節(jié)點來說，接縫節(jié)點有兩種，一種是非貫穿節(jié)點，另一種是貫穿節(jié)點[4]。不同的接縫節(jié)點需要采用不同的連接方式，例如，非貫穿節(jié)點的情況就可以運用預制板直接完成連接，無需使用鋼筋，采用單向板的連接方法；貫穿節(jié)點的情況則需要采用澆筑混凝土的方法連接，采用雙向板模式。在整個設計過程中，設計人員需要嚴格計算預制構件的數(shù)量，保證剪力墻結構的設計符合工程項目的造價要求，提高裝配式建筑工程的經濟效益。作為設計人員，需要注意雙向板的加筋計算，保證雙向板的加筋強度始終低于單向板，運用雙向板來設計疊合板，提高設計的科學性。

2.6 抗震設計

剪力墻結構的抗震設計至關重要，抗震設計的目標是確保剪力墻結構在地震中不會受到較大損壞，把損壞程度控制在一定范圍內。我國《建筑抗震設計規(guī)范》中明確規(guī)定了建筑物的抗震設計目標，可以簡單概括為“小震不壞，中震可修、大震不倒”。作為設計人員，需要深入研究抗震設計規(guī)范，從多個方面開展建筑抗震設計。對于裝配式建筑結構而言，剪力墻結構的穩(wěn)定性決定了整個工程的抗震性能，為此，設計人員需要高度重視剪力墻結構的抗震設計，提高整個結構體系的安全性。在設計過程中，設計人員需要對建筑工程項目所在區(qū)域開展調查，掌握區(qū)域內的地震加速度、地震周期、地質條件等，綜合確定建筑場地的地震特性，了解該區(qū)域對建筑工程項目提出的抗震設防烈度，從而明確剪力墻結構設計的要求，做好細節(jié)設計。作為設計人員，需要在剪力墻結構的抗震設計中計算剪力墻結構的振型及周期，綜合衡量結構性能，有效控制結構的扭轉效應。此外，設計人員還需要考慮樓層剪力以及傾覆彎矩、剪力墻結構的位移比，從多個方面開展抗震設計，全面提高剪力墻結構的抗震性能。

3 裝配式建筑中剪力墻結構的具體運用

3.1 SW 建筑體系的運用

SW 是Sandwich Wall 的縮寫，在裝配式建筑結構的設計中，SW 建筑體系比較新穎，具有低能耗、保溫性能高、防火性良好的特征，實際應用比較廣泛。在SW 建筑體系中，夾膜噴涂混凝土夾芯剪力墻是整個結構中最主要的受力部位，中間的夾層部分需要應用保溫板，然后設計雙面的鋼絲網架，將中間夾層的保溫板和兩側的混凝土連接起來。SW 建筑技術需要提前預制好鋼網夾芯板，混凝土部分的施工需要分兩次進行。在第一次施工中，施工人員需要在夾芯板的表面噴涂一層混凝土，從而形成夾芯剪力墻，第二次則需要采取夾模后澆的方法，在夾芯墻的兩端完成混凝土澆筑[5]。當前，很多別墅、民居、多層建筑中都使用了SW 建筑技術，該技術要求建筑高度≤24m，能夠有效提高建筑的抗震要求，應用前景十分廣闊。

3.2 WZ 建筑體系的應用

WZ 體系是指鋼筋網架——混凝土組合結構夾芯板剪力墻結構節(jié)能建筑體系，技術核心是運用具有鋼筋——混凝土正交平面桁架式組合網架結構的承重抗剪多功能WZ 板（聚苯乙烯夾心板）作為樓板和墻板，構建出具有組合網架夾心剪力墻結構的建筑。WZ 體系不用粘土磚，能夠大幅度提高建筑物的節(jié)能效果，降低建筑物的造價。在裝配式建筑結構的剪力墻結構設計中，設計人員可以應用WZ 建筑體系，該建筑體系具有整體性高、抗震性強、自重輕等特點，在應用過程中具有較高的工業(yè)化水平，適應裝配式的施工方式。在WZ 建筑體系中，WZ復合墻夾芯層和混凝土板能夠通過正交桁架的鋼筋網架結構實現(xiàn)連接，然后再進行混凝土澆筑，使網架當中的弦桿方格相互連接，形成復合墻板結構。為進一步提高WZ 復合墻的承載力和穩(wěn)定性，設計人員可以在WZ 復合墻的基礎上應用碳纖維增強錐形蜂窩網格夾芯墻，優(yōu)化WZ 建筑體系的運用效果。當前，WZ 建筑體系主要應用于低層、多層、小高層、高層建筑當中，大約可以降低30%的造價。

3.3 CL 結構體系復合剪力墻的運用

CL 建筑結構體系是“Composite Light-weight building system”的縮寫，也被稱為復合保溫鋼筋焊接網架混凝土剪力墻，這種建筑結構由鋼絲網架保溫夾芯板和混凝土土層組成，是一種抗震性能良好的剪力墻結構體系。針對裝配式建筑的剪力墻結構設計而言，設計人員可以使用CL 結構體系復合剪力墻。在該結構體系中，CL 網架板是主要的承重構件，石膏板代替了以往的鋼模板和抹灰，內隔墻部分使用石膏空心砌塊砌筑，承載力較高。CL 結構體系保溫墻的耐久性良好，建筑保溫的壽命較長，可以解決當前外掛保溫層技術、外墻粘貼保溫層技術存在的問題，防止保溫層出現(xiàn)裂縫、空鼓、滲漏、脫落等問題。

4 優(yōu)化裝配式結構中剪力墻結構設計的實踐路徑

4.1 預制裝配式框架結構設計

在裝配式建筑結構中，框架結構體系至關重要。通常情況下，框架結構的質量比剪力墻結構的質量要輕，材料運輸比較方便，預制疊合梁、預制疊合板等框架結構都是從工廠流水線中生產出來的，標準化程度較高，在現(xiàn)場施工中，施工人員只需進行焊接和澆筑，就可以完成整個框架施工。在框架結構設計中，設計人員需要高度關注焊接設計，充分考慮焊接部分能夠承受的壓力，結合不同位置選取不同的焊接技術。為保證框架結構的承載力，設計人員還需要重視軸力、剪力的設計，做好計算工作。此外，框架結構設計還需要增強整體結構的平整性，設計人員需要讓框架內部結構中梁、柱的中心線處于同一平面當中，在梁和柱的交接處用剛接點的方法進行交接，這樣可以進一步提高結構的穩(wěn)定性。

4.2 預制裝配剪力墻結構設計

預制裝配剪力墻結構是建筑物的主要受力結構，包含了剪力墻和梁板部分。在當前的剪力墻結構中，全預制剪力墻和半預制剪力墻是主要的結構形式，設計人員需要在剪力墻結構設計中遵循《建筑抗震設計規(guī)范》以及《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》，結合建筑物的整體需求，對剪力墻的位置進行設計，合理安排橫縱結構，用預制輕質填充物或預制承重板設計內部墻體。另外，設計人員還需要對豎向的抗側力構件進行設計，將澆筑連接帶和受力鋼筋漿錨融為一體，增強結構設計的穩(wěn)定性、整體性。為提高剪力墻結構的抗震能力，設計人員需要高度重視構件的連接設計[6]。例如，當同一樓層的建筑施工中出現(xiàn)了預制剪力墻、現(xiàn)澆剪力墻，設計人員就必須優(yōu)化抗震設計，通過公式對剪力墻水平接縫的承載力進行計算，提高剪力墻結構的抗震性能。

4.3 開展裝配式建筑立面設計

在裝配式建筑結構的設計中，設計人員需要遵循整體性的設計原則，將框架設計、剪力墻設計、建筑立面設計結合起來，提高建筑結構的整體設計效果。在裝配式建筑立面的設計中，設計人員需要讓水平和垂直方向的結構互相組合起來，在水平結構中將外墻分割開，在垂直結構當中高度重視凸出的預制構件，設計好外部的細節(jié)，發(fā)揮預制構件的作用。在裝配式建筑立面設計方面，設計人員不但要提高施工的合理性，還要對設計環(huán)節(jié)進行全方位管理，不斷優(yōu)化立面設計方式，使建筑物符合新時代人們的審美需求。

5 結論

綜上所述，剪力墻結構在裝配式建筑中非常重要，設計人員需要科學使用剪力墻結構的設計方法，應用SW 建筑體系、WZ 建筑體系、CL 結構體系，對裝配式建筑的框架結構、剪力墻結構、建筑立面等進行優(yōu)化設計，提高建筑結構的穩(wěn)定性。在實際的設計工作中，設計人員需要科學計算預制墻水平縫受剪承載力，對預制構件進行設計，做好豎向設計和水平設計等，將設計工作落實到位。