探究預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻的設(shè)計(jì)方法

翟亞光高 林,2李炎錫王煒翰

(1華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院， 河北 唐山 063210； 2河北省地震工程研究中心， 河北 唐山 063210)

（3 華北理工大學(xué)以升創(chuàng)新教育基地， 河北 唐山 063210)

探究預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻的設(shè)計(jì)方法

翟亞光1高 林1,2李炎錫1王煒翰3

(1華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院， 河北 唐山 063210； 2河北省地震工程研究中心， 河北 唐山 063210)

（3 華北理工大學(xué)以升創(chuàng)新教育基地， 河北 唐山 063210)

剪力墻是建筑工程中的重要組成部分，主要承擔(dān)建筑的風(fēng)荷載、地震荷載，從而達(dá)到提升建筑穩(wěn)定性和安全性的作用，被稱之為建筑工程的抗震墻。傳統(tǒng)剪力墻主要選擇鋼筋混凝土剪力墻，預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻是現(xiàn)代建筑工程提出的新型剪力墻類(lèi)型，具有改善平面內(nèi)受壓區(qū)性能、提升延展性和墻肢受力性能的特點(diǎn)，還可以有效提升施工效率。故此，展開(kāi)對(duì)預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻展開(kāi)分析，并詳細(xì)的對(duì)剪力墻的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行闡述。

預(yù)制；裝配式型鋼混凝土；剪力墻；設(shè)計(jì)方法

建筑工程是服務(wù)于人類(lèi)的重要工程項(xiàng)目，為實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑工程的安全性和穩(wěn)定性提升，則需展開(kāi)對(duì)剪力墻的建設(shè)，從而達(dá)到改善建筑工程受力情況，且提升建筑工程的抗震性能，進(jìn)而達(dá)到提升建筑工程整體安全性和功能性的目的。預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻是一種抗震性能良好的剪力墻類(lèi)型。但是，在實(shí)際的應(yīng)用中，存在設(shè)計(jì)不夠理想的情況，導(dǎo)致預(yù)制裝配式剪力墻的功能受到干擾，亟需改進(jìn)，基于此，本文對(duì)預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻展開(kāi)分析，對(duì)具體節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造和抗震性能等進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容如下。

1 預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻分析

預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻是將型鋼加入到鋼筋混凝土中，從而形成一種具有抗震性能更高和穩(wěn)定性更強(qiáng)的剪力墻類(lèi)型，并通過(guò)預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝，可以有效減少傳統(tǒng)剪力墻施工的繁瑣工序，達(dá)到提升施工效率和施工質(zhì)量的目的，推動(dòng)建筑工程的整體抗震性能的提升。預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻主要選擇吊裝的方式展開(kāi)施工，吊裝選擇分段吊裝的方式，上下層柱的接頭位置需選擇在各層樓面結(jié)構(gòu)層的位置，達(dá)到便于安裝測(cè)量和拼裝工作。吊裝完成后，則展開(kāi)對(duì)型鋼柱基礎(chǔ)節(jié)的安裝，具體安裝中，需要保障型鋼柱處于地下室底板1.6m深度的承臺(tái)中，具體插入深度為1.35m。由于選擇預(yù)制裝配式型鋼混剪力墻，則不需要展開(kāi)澆筑工作，安裝完成后，選擇膨脹螺栓展開(kāi)固定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻的施工，降低安全隱患和質(zhì)量隱患。

選擇預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻，可以有效轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)剪力墻的施工方式，可以達(dá)到提升剪力墻的功能性和抗震性能的目的，進(jìn)而規(guī)避剪力墻的安全性問(wèn)題。而且，選擇預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻，可以有效減少施工強(qiáng)度，達(dá)到提升施工整體效率，降低建筑工程剪力墻施工的成本，推動(dòng)項(xiàng)目的順利完成。

本文為完成對(duì)預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻的設(shè)計(jì)，則選擇某一具體的建筑工程為例，詳細(xì)的對(duì)預(yù)制裝配式型鋼混凝土建立的設(shè)計(jì)展開(kāi)分析。該建筑工程選擇預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻，其中，具體的樓板厚度參數(shù)詳見(jiàn)下表1：

表1：該建筑工程的樓板厚度情況表

且該建筑中，地上1～12層，均選擇鋼骨混凝土柱，且剪力墻主要選擇強(qiáng)度為C45～C60的混凝土，并選擇預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻。現(xiàn)針對(duì)該建筑工程的裝配式型鋼混凝土剪力墻的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，解讀具體的設(shè)計(jì)方法和質(zhì)量控制措施。

2 預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻設(shè)計(jì)方法

預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻，比傳統(tǒng)建筑剪力墻的抗震性能和穩(wěn)定性更高，并有助于提升建筑工程的施工效率，從而推動(dòng)建筑的效益與價(jià)值，現(xiàn)針對(duì)該類(lèi)剪力墻的具體設(shè)計(jì)方法進(jìn)行解讀，具體內(nèi)容如下。

2.1 預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)

預(yù)制裝配式型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)的性能對(duì)墻體的抗震性能和穩(wěn)定性具有直接的影響。受到地震作用的影響，剪力墻中主要由型鋼起到承載力的部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力和拉力的承擔(dān)，還能對(duì)剪力墻和樓板水平接縫處的剪力進(jìn)行承擔(dān)，并完成對(duì)剪力墻的整體約束，從而保障剪力墻的功能性。傳統(tǒng)的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中，對(duì)于型鋼的連接主要選擇焊接和螺栓固定的方式。但是，在預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻的設(shè)計(jì)時(shí)，如果采用傳統(tǒng)的焊接和螺栓連接方式，會(huì)受到結(jié)構(gòu)分布和空間等的干擾，導(dǎo)致型鋼連接的效果不夠理想。故此，對(duì)于預(yù)制裝配式型鋼混凝土的節(jié)點(diǎn)連接處設(shè)計(jì)，本工程選擇灌漿銷(xiāo)栓式套筒連接節(jié)點(diǎn)。選擇這類(lèi)連接節(jié)點(diǎn)，可以達(dá)到提升預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻整體連接效果的目的。

在具體的預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻節(jié)點(diǎn)連接時(shí)選擇灌漿銷(xiāo)栓式套筒連接節(jié)點(diǎn)，主要是由于結(jié)構(gòu)空間較小，單純采用銷(xiāo)栓連接無(wú)法滿足錨固強(qiáng)度，借助套筒內(nèi)部灌注高強(qiáng)纖維灌漿材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)連接強(qiáng)度的補(bǔ)強(qiáng)，達(dá)到提升預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻的目的。本工程中，在具體的預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻布置方式，如下圖1所示。

圖1：本工程中預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻的布置方式

根據(jù)本工程的具體施工條件，得到預(yù)留后澆筑樓板結(jié)構(gòu)的施工空間較小，選擇常規(guī)節(jié)點(diǎn)連接方式的效果不夠理想，故此，針對(duì)預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻則選擇灌漿銷(xiāo)栓式套筒連接節(jié)點(diǎn)的方式，并展開(kāi)上下兩部分剪力墻同時(shí)施工的方式，進(jìn)而完成對(duì)預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻的設(shè)計(jì)。

具體的設(shè)計(jì)方式為：上下兩片剪力墻，在縱向和橫向均選擇灌漿銷(xiāo)栓式套筒連接節(jié)點(diǎn)，選擇方形鋼套筒對(duì)上、下剪力墻的頂部預(yù)留的型鋼展開(kāi)套箍作業(yè)，再選擇銷(xiāo)栓將型鋼和套筒進(jìn)行穿過(guò)，從而達(dá)到類(lèi)似螺栓的緊固作用。完成后，則向套筒內(nèi)部進(jìn)行高強(qiáng)纖維灌漿料的灌注，待其達(dá)到一定時(shí)間后，則展開(kāi)二次灌漿的方式。針對(duì)工程的基本情況，需要結(jié)合具體的工程情況，完成對(duì)型鋼截面棉結(jié)的選取和套筒與型鋼截面比的選擇。

2.2 預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻節(jié)點(diǎn)連接試驗(yàn)研究

本文選擇Strainbook數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為預(yù)制裝配式型鋼混凝土連接節(jié)點(diǎn)單向拉伸試驗(yàn)的基礎(chǔ)，并選擇加載5000kN的壓力機(jī)，展開(kāi)荷載實(shí)驗(yàn)，并保持荷載加持過(guò)程中的軸向力勻速增加，直到型鋼或是連接點(diǎn)出現(xiàn)損壞的情況。從而完成對(duì)具體型鋼截面積、型鋼與套筒截面比的選擇。具體試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x擇1:1的正常模型。

（1）對(duì)于型鋼截面面積的選取，預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻的承載能力和抗震性能的影響，也就使得型鋼的截面尺寸存在差異。通過(guò)試驗(yàn)研究，可以得到滿足本工程的型鋼尺寸圖如下圖2所示。

圖2：型鋼尺寸圖

（2）在獲取型鋼尺寸后，則需要對(duì)具體的型鋼截面與套筒的截面比進(jìn)行選擇。相關(guān)實(shí)踐表明，套筒的壁厚是影響套筒力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，而截面比則是影響連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的重要數(shù)值。如果截面比過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致套筒發(fā)生破壞過(guò)早的情況，從而造成連接節(jié)點(diǎn)性能不佳，進(jìn)而威脅預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻的功能。但是，如果截面比過(guò)大，能夠?qū)B接節(jié)點(diǎn)的性能進(jìn)行保障，卻會(huì)造成鋼材浪費(fèi)的情況。故此，本文在具體的截面比設(shè)計(jì)中，結(jié)合已選擇型鋼尺寸情況，分別對(duì)套筒的厚度選擇0.4cm和0.5cm兩種，并得到具體的截面比。具體套筒和型鋼尺寸如下 圖3所示。

圖3：套筒和型鋼尺寸情況圖

（3）錨固長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。為了保預(yù)制裝備是型鋼混凝土剪力墻的功能性和安全性，必須展開(kāi)對(duì)型鋼錨固長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)。主要是因?yàn)樾弯摰腻^固長(zhǎng)度對(duì)型鋼和灌漿料之間的結(jié)合水平具有直接影響。且由于剪力墻的橫向連接高度150mm≤l≤200mm，故此，可以得到l錨固≤100mm。結(jié)合展開(kāi)的試驗(yàn)，并展開(kāi)相關(guān)計(jì)算，可以將錨固長(zhǎng)度的取值固定在修70mm≤l錨固≤100mm。

（4）銷(xiāo)栓直徑的設(shè)計(jì)。銷(xiāo)栓直徑d對(duì)于銷(xiāo)栓的抗剪性能具有直接影響，還會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)的整體性能造成影響。結(jié)合具體試驗(yàn)和空間情況，則d=6mm或d=8mm。并選擇單側(cè)4只銷(xiāo)栓，完成對(duì)型鋼和套筒的固定。

（5）灌漿料強(qiáng)度設(shè)計(jì)。灌漿料是影響預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻的關(guān)鍵，針對(duì)這一部分，必須重視對(duì)灌漿料強(qiáng)度的設(shè)計(jì)。本文在強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，在綜合分析后，選擇80Mpa和100Mpa的兩種強(qiáng)度的灌漿材料。并借助最終試驗(yàn)結(jié)果完成對(duì)材料強(qiáng)度的選擇。

（6）預(yù)制裝配式型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)連接抗震性能設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)的抗震性能設(shè)計(jì)是影響裝配式型鋼混凝土剪力墻設(shè)計(jì)質(zhì)量的關(guān)鍵。為完成對(duì)節(jié)點(diǎn)連接抗震性能設(shè)計(jì)，需要展開(kāi)抗震性能連接實(shí)驗(yàn)。選擇模型比例為1:3，具體的混凝土強(qiáng)度為C40，鋼筋為HRB400級(jí)，箍筋為HRB335級(jí)。并對(duì)其展開(kāi)拉、壓，運(yùn)用Strainbook數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的分析，具體的裝置圖如下圖4所示。

圖4：節(jié)點(diǎn)連接的抗震性能試驗(yàn)

具體實(shí)驗(yàn)動(dòng)作器選擇250kN液壓動(dòng)作器，并在每個(gè)級(jí)荷載狀態(tài)下，展開(kāi)試驗(yàn)，分析試件的開(kāi)裂情況。其中試件的最終承載力，≤最大承載力85%時(shí)，則可以斷定試件發(fā)生破壞。試驗(yàn)結(jié)果表明，選擇灌漿銷(xiāo)栓式套筒連接節(jié)點(diǎn)滿足剪力墻抗震性能的基本需求，達(dá)到提升裝配式型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)整體性能的目的。

2.3 預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻的承載力設(shè)計(jì)

為了完成對(duì)裝配式型鋼混凝土剪力墻的設(shè)計(jì)，需要對(duì)具體的剪力墻承載能力展開(kāi)計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)各部分內(nèi)容的設(shè)計(jì)。在具體的承載力計(jì)算主要按照如下公式（1）（2）展開(kāi)對(duì)剪力墻的整體設(shè)計(jì)，從而保障裝配式型鋼混凝土剪力墻的功能性。

其中VU主要是表抗剪能力，VN主要表示抗剪能力的負(fù)增量，VSV表示抗剪能力。

公式（2）主要是表示剪力墻在偏心受壓時(shí)的截面抗剪承載力情況，其中l(wèi)代表截面的剪跨比，且λ在不同情況下λ取值也有差異，如果λ＜1.5，則取值為1.5，如果λ＞2.2，則λ可以取值為2.2。其中N表示地震作用，A表示剪力墻的截面面積，Ash表示型所有水平鋼筋的截面面積，Aa暗柱型鋼的截面面積，S表示水平鋼筋的間距。

在獲取各項(xiàng)參數(shù)后，則可以將參數(shù)代入到具體的公式中，從而完成對(duì)不同預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻型號(hào)進(jìn)行選擇，并將計(jì)算的結(jié)果與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，從而完成對(duì)各個(gè)類(lèi)型的預(yù)制剪力墻的分析，確認(rèn)試件抗剪切承載力與工程相符合后，則完成對(duì)具體的預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻的選型。

3 預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻質(zhì)量控制方法

在完成對(duì)預(yù)制裝配式型鋼設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，需要合理的展開(kāi)質(zhì)量控制措施，降低設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量問(wèn)題。

（1）誤差控制。對(duì)于設(shè)計(jì)試驗(yàn)的相關(guān)誤差，必須展開(kāi)有效的控制措施，對(duì)于Strainbook數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，需要在詳細(xì)的理解系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，展開(kāi)操作，并嚴(yán)格的按照規(guī)范的試驗(yàn)流程展開(kāi)操作，并保障各類(lèi)試驗(yàn)器械處于較好的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于250kN液壓動(dòng)作器，必須保障且工作質(zhì)量。

（2）設(shè)計(jì)完成后，需要由專業(yè)的審核人員完成對(duì)預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻的設(shè)計(jì)進(jìn)行審核，詳細(xì)的對(duì)設(shè)計(jì)中的具體參數(shù)情況進(jìn)行分析。如果條件允許，則可以選擇BIM技術(shù)展開(kāi)對(duì)剪力墻的建模，從而完成對(duì)設(shè)計(jì)的審核，保證設(shè)計(jì)的可靠性和可行性。

（3）具體施工的質(zhì)量控制。在設(shè)計(jì)完成后，需要展開(kāi)預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻的技術(shù)交底，并根據(jù)各項(xiàng)設(shè)計(jì)的需求，完成對(duì)材料的準(zhǔn)備，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范展開(kāi)施工，從而保障剪力墻的功能性和可靠性。

結(jié)束語(yǔ)：

分析預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻的基本情況，并結(jié)合工程具體參數(shù)，完成對(duì)預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻的設(shè)計(jì)，詳細(xì)的對(duì)剪力墻的節(jié)點(diǎn)連接方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)具體抗剪荷載計(jì)算情況，完成對(duì)剪力墻的選型。從而保障預(yù)制裝配式型鋼混凝土剪力墻的功能性和可靠性，推動(dòng)建筑工程的服務(wù)質(zhì)量。

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