裝配整體式剪力墻結構采用鋼結構接頭的探索

陳國春

(中元(廈門)工程設計研究院有限公司 福建廈門 361004)

0 引言

裝配式建筑采取構件工廠預制，現場拼裝，節省模板提高勞動生產率，減少勞動強度，提高構件精度及工程質量，減少建筑垃圾及粉塵排放，綠色環保。國務院《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》(國辦發〔2016〕71號)，決定大力發展裝配式建筑，推進建筑技術創新，促進建筑業轉型升級和可持續發展，各地積極響應，紛紛出臺政策，裝配式建筑呈井噴現象。如何保證裝配式連接的質量，關系到整棟建筑的安全。本文以龍海市某棚戶區改造工程為例，探索剪力墻預制構件連接采用鋼結構接頭，通過詳細分析驗算，結果可行，值得推廣。

1 案例工程概況

圖1 總體鳥瞰圖

龍海市月港新區棚戶區改造工程(內樓點)位于龍海市海澄鎮內樓村，總建筑面積69 235m2，其中地下室一層，地上面積52 835m2，由4棟9層和4棟13層住宅局部帶一層商業裙房組成，為嘉庚風格建筑，總體鳥瞰圖如圖1所示。建筑場地土類別為Ⅲ類，抗震設防烈度7度，設計地震基本加速度0.15g，設計地震分組第二組，基本風壓值0.70kN/m2，采用剪力墻結構，建設主管部門要求該工程均采用工業化方式建造，各棟單體建筑預制率均要求大于30%，即地上各棟預制混凝土體積與總混凝土體積比大于30%。

2 裝配預制方案

該工程層數少、預制率高，加上建筑采用嘉庚風格，構造大樣的混凝土多，豎向構件即剪力墻需要預制才能滿足預制率的要求，依據閩建〔2015〕6號文《福建省工業化建筑認定管理(試行)辦法》，該工程采用預制剪力墻、預制疊合板、預制梁、預制樓梯、預制大樣等方案，確保預制率大于30%，如表1所示。

表1 案例工程裝配預制方案預制率詳況 %

3 問題的提出

裝配式豎向構件連接的質量，關系到整棟建筑的安全，《裝配式混凝土建筑技術標準》[1]和《裝配式混凝土結構技術規程》[2]的預制構件間接縫處采用不小于20mm厚灌漿料填實，連接鋼筋采用套筒灌漿連接，《裝配式混凝土結構技術規程》第6.5.1條的條文說明指出：后澆混凝土、灌漿料或坐漿材料與預制構件結合面的粘結抗剪強度往往低于預制構件本身混凝土的抗剪強度。

剪力墻主要作用是承擔水平力，連接處的抗剪強度比構件低，與“強剪弱彎，強節點、弱構件”的抗震理念矛盾，剪力墻預制構件間如何有效傳遞水平力讓業界的許多專家、學者感到擔憂。如何保證預制剪力墻構件連接處的抗剪、剛度、抗震性能，值得探索。利用成熟的鋼結構焊接工藝，裝配整體式剪力墻結構連接處采用鋼結構接頭，可有效解決連接處的抗剪強度大于構件的強度。

4 鋼結構連接方案

鋼結構采用工廠生產，現場拼裝、焊接，其技術成熟，施工方便，質量可靠，在預制剪力墻連接處預埋鋼板，現場采用焊接(圖2)。重點抓好鋼板與連接鋼筋的可靠連接，預埋的鋼板與混凝土間的抗剪強度，以及預埋的鋼板與鋼板之間焊接強度，均大于剪力墻墻體允許的抗剪強度；并于預制剪力墻構件連接處，采用灌漿料填實，則可確保豎向構件連接處的抗剪、剛度、抗震性能，有效解決“強剪弱彎，強節點、弱構件”的抗震理念，實現“等同現澆”結構。

圖2 預制剪力墻及連接

5 連接處設計

預制剪力墻連接處，間隔一定距離設一個鋼板焊接連接，墻底部兩側各預埋一塊鋼板，并設穿墻鋼筋錨固于剪力墻；墻頂部預埋一個鋼板(鋼板位于后澆混凝土樓板上面)，鋼板與預制剪力墻內的連接鋼筋采用穿孔塞焊，墻頂部預埋的鋼板下加設抗剪鍵用于傳遞水平力，如圖2所示。現場拼裝時，把墻底部兩側預埋的鋼板與下一層剪力墻頂部預埋的鋼板焊接成一體，如圖2～圖3所示。

圖3 預制剪力墻連接大樣

6 連接處驗算

6.1 墻體允許最大抗剪承載力

按200mm厚剪力墻間隔中心距離L=150+600=750mm設一個鋼結構連接,剪力墻混凝土強度C40，鋼筋為三級鋼，驗算該長度L混凝土墻體允許的最大抗剪承載力。

(1)根據《高層建筑混凝土結構技術規程》[3]第7.2.10條規定，取最不利λ=1.5、N=0.2fcbwhw,則間隔距離L=750剪力墻永久、短暫設計狀況下斜截面受剪承載力V：

V≤0.5ftbwhw0+0.13NAw/A+fyhAsh/shw0=311.82kN

(2)根據《混凝土設計規范》[4]第6.3.21和第6.3.22條規定，偏心受壓取最不利λ=1.5、N=0.2fcbh,偏心受拉取最不利λ=1.5、N=0,則間隔距離L=750墻肢混凝土斜截面受剪承載力V：

偏心受壓時：

fyvAsh/Svh0=339.1kN

偏心受拉時：

fyvAsh/svh0=164.6kN

綜上可見，允許最大抗剪強度取上述最大剪力值339.1kN驗算。

6.2 墻底部預埋驗算

底部墻兩側各預埋一塊鋼板200mm×250mm，并設穿墻鋼筋錨固于剪力墻。

(1)根據《混凝土設計規范》第9.7.2條規定，錨筋即穿墻筋的截面面積：

穿墻筋采用4Φ16，As=804mm，滿足要求。

(2)根據《鋼結構設計標準》[5]第6.1.3條規定，預埋鋼板厚度：

取8mm厚即兩側鋼板截面為200×8，滿足要求。

6.3 墻頂部預埋驗算

墻頂部預埋一個鋼板，鋼板截面同墻底部兩側預埋鋼板，其下加設兩個抗剪鍵用于傳遞水平力。根據《鋼結構設計標準》第6.1.3條規定，抗剪鍵鋼板厚度[5]：

取12mm厚即設兩個抗剪鍵125×12，滿足要求。

6.4 墻上下鋼板焊接驗算

根據《鋼結構設計標準》第11.2.2條規定，兩個側面角焊縫的最小厚度[5]：

取8mm厚兩側兩條角焊縫，滿足要求。

6.5 小結

上述連接處驗算可見，采用預埋鋼板現場焊接(無焊接處暫按斷開考慮)的鋼結構接頭方案，其水平承載力可滿足現澆鋼筋混凝土剪力墻墻體允許的最大抗剪承載力要求，即裝配整體式剪力墻結構連接處采用鋼結構接頭能達到“等同現澆”結構的要求，可確保剪力墻預制構件連接處的抗剪、剛度、抗震的性能，有效解決“強剪弱彎，強節點、弱構件”的抗震理念。

該連接做法用于龍海市月港新區棚戶區改造工程(內樓點)，該工程設計圖紙于2018年4月通過福建省建科院施工圖審查有限公司審查合格，該連接做法于2018年10月在漳州市建設局組織的裝配式認定專家論證會上，3位結構專家給予認定通過。本文每個鋼結構接頭的用鋼量統計為8.62kg。

7 結構加強措施

為了實現預制剪力墻構件連接處“等同現澆”結構的抗震性能設計目標，確保結構的可靠連接，結構設計還采取以下相應的加強措施。

(1)剪力墻的邊緣構件采用現澆。

(2)剪力墻連接處混凝土表面設置粗糙面，接縫處采用專用的灌漿料填實，以便上下剪力墻完全連成一體，其作為連接處承載力的儲備，實現“強剪弱彎，強節點、弱構件”的抗震理念。

(3)剪力墻頂部預埋鋼板的中間開孔形成凹口，加強上下剪力墻灌漿連接質量。

8 結論

裝配整體式剪力墻結構連接處采用鋼結構接頭的方案可行，實現連接處的抗剪強度大于構件本身，有效地解決了“強剪弱彎，強節點、弱構件”的抗震理念，實現“等同現澆”結構，可推廣使用。