裝配式建筑結構設計中剪力墻結構設計的運用研究

周 炯

（江西同濟建筑設計咨詢有限公司，江西南昌 330000）

引言

在我國建筑產業發展的過程中，我國政府出臺了一系列的綠色建筑產業化發展政策，并為其提供相應的技術支持，促進我國建筑行業始終向著綠色化以及產業化的方向發展。而裝配式建筑剪力墻結構設計作為綠色建筑中的重要組成部分，已經成為建筑行業發展設計中的重要內容。裝配式建筑剪力墻結構具有精細化以及模板化、智能化的特點，其中蘊含的技術種類也較多，因此要想提高裝配式建筑剪力墻結構設計質量，就需要對其中各項技術的應用進行分析討論。

1 裝配式建筑剪力墻結構運用分析

1.1 CL 結構體系復合剪力墻

我國從2016 年開始加強了對裝配式建筑剪力墻結構的指導，并發布了一系列的指導建議，提出在10 年之內將裝配式建筑剪力墻結構在建筑結構中的占比達到30%。相繼出臺了一系列的文件以及技術標準。裝配式建筑剪力墻結構在設計運用中需要嚴格根據設計標準實施，其中主要包括JGJ/T273-2012《鋼絲網架混凝土復合板結構技術規程》、CECS445-2016《非金屬面結構保溫夾芯板設計規程》等。CL 結構體系復合剪力墻結構最早出現在二十世紀末，該結構中主要由鋼絲網架保溫夾芯板以及混凝土層組成，利用鋼絲網架穿過保溫板，將其作為夾芯層。其中網架需要超出一定的距離，對兩側的混凝土進行噴涂，完成混凝土復合剪力墻的制作。CL 結構體系復合剪力墻在實際運用中具有較強的抗震性以及節能性，并且在2018 年在多個省內發布了CL 結構體系復合剪力墻運用標準。CL 結構體系復合剪力墻在應用中鋼絲網架能夠與兩側的承重混凝土實現緊密連接，進而實現共同協同發展，兩側混凝土層的抗震性能與疊加厚度的抗震性相同，因此在實際應用中需要計算CL 結構體系復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，雙面鋼絲網架起到連接作用，將保溫板兩側的混凝土進行連接。混凝土建設分為兩次施工進行，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混凝土澆筑，具體見圖1。

圖1 SW 復合夾心墻

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

1.3 WZ 復合墻

WZ 復合墻由鋼筋網架以及混凝土共同組合，WZ復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架結構，再通過澆筑將網架中的弦桿方格相互連接，構成“三明治”復合墻板結構。WZ 復合墻在實際運用中主要具有以下特點，第一，WZ 復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構，因此WZ 復合墻在運用中的穩定性較強。第二，WZ 復合墻的抗壓強度較高，在對其承載力進行計算的過程中，可以利用混凝土厚度疊加的方式進行計算，并在WZ 復合墻受壓側150 mm 的范圍之內，對WZ 復合墻的水平鋼筋進行加密處理[1]。另外，還可以在原有WZ 復合墻結構的基礎上，采用碳纖維增強錐形蜂窩網格夾芯墻的結構，這一結構與WZ 復合墻相比，承載力更高，運用效果也更好。

2 裝配式建筑剪力墻結構設計要點

2.1 荷載取值

在裝配式建筑剪力墻結構荷載計算過程中，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生間位置的恒荷載量進行計算，其中地面部分的荷載量為1.3 kN/m2。衛生間的恒載部分：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7.0 kN/m2，建筑樓梯間部位的荷載量取值根據以往經驗為8.0 kN/m2。

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

表1 建筑主要部分標準荷載數值

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《建筑接軌荷載規范》中材料以及構件自身重量取值，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。根據以上數值能夠計算出各個部位線荷載的實際數量，例如，200 mm 厚預制剪力墻結構：（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構的重量往往大于現澆結構，住宅建筑設計中采用的非承重墻，多數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構中，多數構件需要預制，主要為圍護墻、集成窗等材料，并且還要滿足吊裝作業以及運輸作業的實際要求，所以多數情況下采用配筋混凝土結構進行設計，容量為25k N/m3。住宅建筑中開間的設計在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構中采用的樓板設計為疊合板，因此根據當前對裝配式建筑剪力墻結構設計的相關規定能夠看出，一般疊合板預制的厚度在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件長度設計

目前裝配式建筑剪力墻結構在連接過程中，機械連接的應用時間較長，到目前為止已經具有50 多年的應用時間，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，在兩根鋼筋之間對力進行有效傳遞。由于應用時間較長，因此我國針對其的機械接頭類型、構造以及注意事項等都作出了明確規定，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

要想進一步降低裝配式建筑剪力墻結構施工難度，預制剪力墻的模數通常情況下需要控制在300 mm 左右，并且重點對其長度進行有效控制，單片墻的承受量需要在5 t 以下。如果建筑設計為現澆結果，假設剪力墻的厚度為200 mm，則構造邊緣的長度可以控制在400 mm 左右，如果構件中存在轉角墻，則可以將長度控制在300 mm 左右。裝配式建筑剪力墻結構在邊緣構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行分析，根據預制墻中水平鋼筋材料的實際使用情況，在現澆過程中，直錨長度需要在1.2LaE 以上，如果是U型錨，則長度需要達到0.6LaE。假設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。在對翼墻或者轉角墻進行設計的過程中，邊緣構件直段長度參數為300 mm，單邊現澆長度為500 mm。但是為了降低對實際施工產生的負面影響，需要根據配筋情況確定最終邊沿構件的長度情況，保證裝配式建筑剪力墻結構設計施工能順利進行[2]。

2.3 裝配式建筑剪力墻結構拆分要點

在對裝配式建筑剪力墻結構性能進行深化設計的過程中，需要對預制構件進行拆分處理，由于裝配式建筑剪力墻結構的標準化程度較高，所以在拆分過程中，也要實現標準化拆分，根據協調性和構件連接等效的原則進行拆分。其中剪力墻截面的尺寸需要根據節點區鋼筋布置要求決定，要保證鋼筋錨固強度的同時，將預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制層厚度為60 mm，現澆層厚度為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構抗震性能設計

在對裝配式建筑剪力墻結構抗震性能進行設計的過程中，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構的振型以及周期，周期是裝配式建筑剪力墻結構性能衡量的關鍵指標，能夠對結構的扭轉效應進行有效控制，提高抗側力剛度布局的合理性，避免裝配式建筑剪力墻結構出現扭轉過度損壞等情況[3]。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》中的內容進行周期計算，如果最終計算結果沒有達到相應標準，則表示裝配式建筑剪力墻結構的扭轉效應明顯，抗震性能有待提升，因此需要對裝配式建筑剪力墻結構進行優化調整[4，5]。在計算剪力墻結構以及裝配結構的過程中，可以使用YJK 軟件進行計算，確定各階的陣型等。具體情況見表3、4。

表3 YJK 軟件中現澆式剪力墻結構前8 階周期以及平動系數

表4 YJK 軟件中裝配式剪力墻結構前8 階周期以及平動系數

通過上表的數據信息能看出，現澆筑剪力墻結構與裝配式建筑剪力墻結構周期差異為1.5%，二者的結構周期比分別為0.823 和0.843，規范限值為0.9，二者都達到了相應的要求，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構在地震以及風荷載的影響下，基底總剪力以及總傾覆彎矩的實際情況見表5。

表5 結構在地震和風荷載作用下的剪力及傾覆彎矩

通過上表內容能夠看出，裝配式建筑剪力墻結構在地震的情況下，由于方向不同，對結構進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構起到主要控制，而在Y 方向的情況下，風荷載主要對結構進行控制。

第三，裝配式建筑剪力墻結構的位移比，位移比指的是在偏心因素的影響下，建筑豎向構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構是否符合標準，如果位移比沒有達到相應標準，則表示建筑物可能會在地震中發生結構破損等情況。我國在《高規》中針對結構位移比制定了明確規定，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，結構較為復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，假設工程為A 級，在這一標準下，裝配式建筑剪力墻結構位移比實際數值見表6。

表6 裝配式建筑剪力墻結構位移比

通過上表內容能夠看出，裝配式建筑剪力墻結構在X、Y 方向中位移比的最大值為1.12，與規定數值1.2 相比較小，因此能滿足相應規定。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節點進行強化處理，不斷提高裝配式建筑剪力墻結構的抗震性能。

3 結論

裝配式建筑剪力墻結構在實際應用中的保溫、抗震以及節能性能都較強，是我國建筑結構今后發展的主要方向，目前我國各個省份已經針對裝配式建筑剪力墻結構制定了相應的建設標準。該種情況下，要想進一步提高裝配式建筑剪力墻結構的設計運用質量，就需要從結構的各項環節和性能入手，實現有效設計，為今后裝配式建筑剪力墻結構的良好應用和發展提供條件。