框架結構建筑剪力墻施工技術及其應用效果模擬分析

李繼東

（煙建集團第七建筑安裝有限公司，山東 煙臺 264000）

0 引言

框架結構是由許多梁和柱共同組成的框架來承受房屋全部荷載的結構。在目前的建筑領域中，框架結構的應用較為普遍[1]?？蚣芙Y構有利于實現(xiàn)高層建筑結構的合理設計，并且實現(xiàn)資源的最大化利用[2]。框架結構可分為現(xiàn)澆式、拼裝式以及整體裝配式3 種，應用最廣泛的是拼裝式和整體裝配式，這兩種框架結構最突出的優(yōu)點是施工便捷[3]。

在框架結構建筑中，主要是利用剪力墻結構進行承重，剪力墻是一種由鋼筋混凝土組成的板墻，主要包含豎向和橫向樓板兩種類型，能夠有效控制建筑物在外界荷載作用下發(fā)生的擺動[4]，提升建筑的承載性能，降低建筑物的擺動幅度，以此可保證建筑物的抗震性能以及應用的安全性能。特別是在超高層建筑中，外界風力對于建筑物的側向推力較大，需通過剪力墻提升建筑的穩(wěn)定性[5]。

剪力墻的施工技術尤為重要，如果施工技術不滿足相關的標準和應用需求，則直接影響框架結構建筑的穩(wěn)定性和安全性。因此，本文以某框架結構的超高層建筑為例，研究剪力墻的施工技術及施工效果。

1 工程概況

某地區(qū)的框架結構超高層建筑項目共包含4棟住宅建筑，都屬于裝配式框架結構，建筑都是30層，其中包含兩層地下停車場，總建筑面積為85092.35m2，框架結構的設計使用年限為50年，安全等級為2級，抗震設防烈度為8度。該建筑的建設場地土地類別為II類，粗糙度類別為B類，基本風壓為0.46kN/m2。本文僅以其中的2#住宅樓為例，進行相關研究，該住宅樓建筑框架柱為鋼筋混凝土柱，結構梁為H 型鋼梁，混凝土的強度等級在C40~C70之間，地上樓板厚度為1.3m，樓層高度為3m。

2 剪力墻施工技術

剪力墻應用在框架結構建筑中具有平面布置靈活、施工材料消耗較低，具有較大側向剛度等優(yōu)勢。由于該建筑工程有地下空間，并且為超高建筑，因此在進行剪力墻施工時，需充分考慮剪力墻彎曲延性、抗脆性、變形延性、抗震等性能需求[6]。

2.1 放線測量

測量放線是正式施工前的重要工作，該工作是依據(jù)建筑設計的結果，結合實際建筑的施工要求完成，主要是對測量定位點進行定位和二次校核。該校核以《工程測量通用規(guī)范》（GB 55018-2021）為標準完成；并且對工程平面控制網(wǎng)、高程控制網(wǎng)、建設基坑邊坡位移等重點參數(shù)進行測量校核[7]，以此保證施工后效果。放線測量偏差依據(jù)表1中的允許值進行控制。

表1 施工放線測量的允許偏差

2.2 鋼筋施工

剪力墻中鋼筋最重要的作用是抗拉和抗壓，鋼筋對剪力墻承載力的提升具有重要作用。進行鋼筋施工前，需結合建筑的實際施工需求對鋼筋的質(zhì)量進行檢測，保證所用鋼筋的屈標比和強屈比滿足工程設計需求。鋼筋施工作為整個剪力墻施工中的重要部分，在施工過程中，需嚴格把控鋼筋的焊接方式、搭接長度以及搭接位置等操作工藝[8]。在進行鋼筋施工時，結合工程的實際情況，采用節(jié)點加密箍的施工工藝，如圖1所示。

圖1 節(jié)點加密箍的施工工藝

采用該施工工藝進行剪力墻鋼筋施工的主要目的是提升剪力墻的承載性。采用該施工工藝施工時，需保證鋼筋和混凝土柱節(jié)點之間呈相互垂直狀態(tài)，并且在施工過程中，可結合樓層變化需求，調(diào)整使用的鋼筋型號，以此滿足高樓層對于承載性的需求。除此之外，采用焊接技術精準完成連接柱箍筋和主鋼筋結構之間的連接，將剪力墻放置在指定位置，并保證墻體和墻面之間始終處于相對垂直狀態(tài)。

2.3 模板工程施工

完成鋼筋施工后，則進行剪力墻模板工程施工。該施工環(huán)節(jié)是鋼筋綁扎與混凝土澆筑的中間環(huán)節(jié)，其主要作用是提升混凝土性能和降低墻柱位移。因此，該工程在進行模板工程施工時，需計算模板的抗剪強度，其計算公式為：

式中：V——最大剪力；

q——模板側面的線荷載；

l——模板支撐間距。

依據(jù)該計算結果確定最佳的施工位置、支撐距離等參數(shù)，以此保證剪力墻結構的整體性能。

在進行該環(huán)節(jié)施工時，為避免模板發(fā)生較大的變形，結合建筑的實際施工情況，對模板實行起拱操作，并在混凝土施工完成后，依照表2所示標準拆除模板。

表2 模板的拆除標準

2.4 混凝土施工

混凝土施工是剪力墻施工中除鋼筋施工以外的另一個重要施工環(huán)節(jié)。模板施工完成后，就進行混凝土施工。在施工時，應結合高層建筑的側向力需求，計算混凝土的側應力，其計算公式為：

式中：F——混凝土結構的側應力；

rc——混凝土的重力密度；

t0——混凝土施工時的初凝時間；

β1和β2——分別為外加劑和坍落度的修正系數(shù)；

v——施工時混凝土的澆筑速度。

完成F的計算后，依據(jù)設計標準和建筑要求，嚴格控制混凝土的澆筑情況，以此保證澆筑后施工縫的精度，使施工縫和軸線保持垂直狀態(tài)。并且結合F的計算結果，核算混凝土墻柱的振搗力度和次數(shù)，如果發(fā)現(xiàn)不足部位，則需進行二次處理，以此保證施工質(zhì)量。完成混凝土施工后，結合工程所在環(huán)境的氣候和溫度情況，對混凝土進行養(yǎng)護，避免混凝土發(fā)生開裂。養(yǎng)護完成后依據(jù)表2標準拆除模板。

3 基于數(shù)值模擬的施工效果分析

3.1 剪力墻有限元模型構建

框架結構建筑剪力墻施工完成后，通過數(shù)值模擬分析該工程施工效果。采用ABAQUS軟件構建剪力墻的有限元模型，該軟件具有前處理、分析計算以及后儲能功能，能夠更好地分析剪力墻的應力、應變等情況。構建的剪力墻有限元模型如圖2所示。

圖2 剪力墻有限元模型

剪力墻有限元模型在構建過程中，各個部分的模擬通過軟件的Part模塊完成，并利用Assembly模塊完成各個部分的裝配，再通過Mesh模塊完成網(wǎng)格劃分，以此完成模型構建。依據(jù)構建的模型進行相關性能分析，分析過程中，載荷的設定通過Load模塊完成。模型的分析和計算通過軟件中的Standard模塊完成，分析結果提交給Visualization模塊和Sketch模塊進行后處理，實現(xiàn)分析結果可視化呈現(xiàn)。

3.2 剪力墻性能計算

完成模型構建后，需分析剪力墻相關性能，從而明確施工效果?？拐鹦阅茏鳛楦邔咏ㄖ闹匾阅?，文中采用靜力推覆分析法分析剪力墻在地震作用下的受力和變形情況。

在有限元模型中，設定恒定的側向力分布，并進行靜力推覆分析。文中采用Y向彎曲振型（2階振型）分布模式，對剪力墻結構進行Y向推覆力計算，計算公式為：

式中：?2i——2階振型下的相對位移結果；

ΔVb——剪力墻結構的基地剪力增量。

為全面分析剪力墻結構的施工效果，在有限元模型中進行剪力墻的損傷狀態(tài)評估。進行評估時，以剪力墻截面應變分布狀態(tài)為基礎，以樓層之間位移角在層高變化下的變化率為依據(jù)，對剪力墻的損傷狀態(tài)進行劃分，在此基礎上分析剪力墻在變形情況下發(fā)生的損傷和破壞情況。

定義3種剪力墻截面損傷狀態(tài)：

狀態(tài)1：剪力墻在拉力作用下，受拉側邊緣混凝土發(fā)生開裂；

狀態(tài)2：剪力墻在拉力作用下，受拉側鋼筋發(fā)生屈服；

狀態(tài)3：剪力墻在壓力作用下，受壓側混凝土發(fā)生崩潰。

剪力墻作為壓彎構件，其在軸壓作用下形成初始壓應變ξ0，其計算公式為：

式中：μ——軸壓比；

fc和fy——混凝土和鋼筋的抗壓強度和屈服強度；

Ac和As——混凝土和鋼筋的截面面積；

Ec和Es——混凝土和鋼筋的彈性模量。

截面受拉邊緣混凝土拉應力ξt、截面受拉其鋼筋拉應變ξte、截面受壓區(qū)邊緣混凝土壓應變ξc需分別滿足下述3個標準：

式中：κ——構件曲率；

l——截面高度。

依據(jù)上述公式即可完成剪力墻施工后的性能分析。為全面衡量該施工技術的施工效果，本文采用整個建筑的安全系數(shù)ψ作為標準，衡量建筑整體的應用性能，其計算公式為：

式中：αc和αd——分別表示峰值加速度，前者對應位移實際情況，后者對應設計標準。

3.3 模擬結果分析

3.3.1 變形分析

獲取剪力墻在該地區(qū)最大風力的側向力作用下發(fā)生的變形情況，如圖3所示。由圖3可知：在側向力的作用下，剪力墻的梁柱之間沒有發(fā)生明顯的滑移和分離情況，表示剪力墻的施工效果較好，能滿足建筑使用需求。

圖3 剪力墻變形結果

3.3.2 抗震性能分析

以《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011-2020）為依據(jù)，模擬得到剪力墻施工后，在2種地震條件下的抗震性能以及建筑的整體安全系數(shù)，如表3所示。

表3 抗震性能分析結果

由表3可知：剪力墻施工后，在兩種地震條件下，其發(fā)生的損壞等級均為輕度，損傷狀態(tài)均屬于狀態(tài)1；并且整個建筑的最大層間位移角分別為1/293和1/215，安全系數(shù)均在8.95以上，滿足《建筑抗震設計規(guī)范》標準。因此，該工程剪力墻施工質(zhì)量較好，能夠滿足框架結構建筑的施工要求，確保了建筑的承載力和穩(wěn)定性。

4 結束語

剪力墻的施工效果對于框架結構建筑的承載性和穩(wěn)定性均具有較大影響。本文以某框架結構超高建筑為例，從放線測量、鋼筋施工、模板工程施工和混凝土施工四個方面介紹了剪力墻的施工技術；利用有限元軟件構建了剪力墻模型，分析了剪力墻的變形情況以及抗震性能，結果顯示：該工程剪力墻施工質(zhì)量較好，能夠滿足建筑的施工要求，確保了建筑的承載力和穩(wěn)定性。