某超高層內藏鋼混凝土剪力墻的應用研究

汪初令

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

1 工程概況

廣東某B 級高度的超高層建筑為公寓，地上41層，建筑高度為148.50 m，屋頂構架標高160.80 m，地下3 層，主要為商業、停車庫及設備用房。建筑面積約8 萬m2，平面為“L”型建筑，如圖1所示，外輪廓尺寸為51.3 m×50.4 m，高寬比為6.08，長寬比為1.83。為滿足業主對建筑使用的需求提高混凝土剪力墻抗側剛度，主體結構底部某高度范圍內的普通混凝土剪力墻設置內藏鋼，內藏鋼混凝土剪力墻總體上比普通混凝土剪力墻截面縮小200 mm。通過內藏鋼混凝土剪力墻的引入，改善了高強混凝土材料的延性，較大地減少主體結構混凝土用料、結構總重，增加了建筑實用面積；內藏鋼材料為Q345，鋼材厚度為20～30 mm，混凝土強度等級最高為C60，其余按計算需要均勻遞減變化，型鋼采用標準模塊設計，工廠加工制作，現場焊接拼裝。通過用結構專業軟件YJK、PKPM、ETABS 計算，結構主要計算指標均比較理想，主體結構各構件能滿足設定的抗震性能目標[1]。

圖1 超高層立面

2 內藏鋼混凝土剪力墻計算

根據廣東省《高層建筑鋼-混凝土混合結構技術規程》（DBJ/T 15-128—2017），本工程采用分離式內藏鋼板混凝土剪力墻截面形式設計[2]。

2.1 結構軟件電算內藏鋼混凝土剪力墻

2.1.1 多遇地震作用下電算

本工程結構抗側力體系為內藏鋼混凝土剪力墻體系，通過結構軟件YJK、PKPM、ETABS 等自帶鋼板剪力墻功能進行結構模擬電算，并對該結構的整體抗震性能、關鍵構件設計、節點可靠性連接、構件變形差異、構件延性、彈塑性時程分析、施工過程模擬、施工拼裝模板等關鍵技術進行專項討論，結構計算考慮偶然偏心地震作用、雙向地震作用、最不利地震作用、扭轉耦聯、施工模擬及彈性時程分析程序補充驗算[3]。在多遇地震作用下，主體結構樓層位移、層間位移角和樓層側向剛度呈現均勻變化，說明剪力墻計算剛度均勻。層間位移角和樓層側向剛度變化分別如圖2、圖3所示。主體結構其余各項主要計算指標均能滿足規范要求。

圖2 層間位移角

圖3 樓層側向剛度變化

2.1.2 中震和大震作用下電算

本工程依據《高層建筑鋼-混凝土混合結構技術規程》第3.11 節的要求進行結構抗震性能化設計。在中震作用下，剪力墻構件均滿足抗剪和抗彎承載力驗算。借用結構軟件PKPM-SAUSAGE，在罕遇地震作用下，驗算主體結構剪力墻混凝土和鋼材的損傷程度。經過計算復核，混凝土和鋼材組合協同受力較為理想，剪力墻混凝土未出現明顯受壓損傷，墻內鋼材彈性狀態也較為合理，大部分結構構件均在輕度損傷以下。對于承受彎矩和剪力較大的建筑端部剪力墻，剪力墻混凝土出現小范圍中度損傷，同時墻內鋼材部分進入塑性狀態，但構件整體仍處于輕微到輕度損壞程度。結構連梁損傷程度較大，部分達到中度到重度損壞，起到一定的耗能作用。

2.2 依據國家和地區相關規范手算復核內藏鋼混凝土剪力墻

本工程為“L”型超高層建筑，剪力墻墻體豎向承受比較大的重力，墻體角部承受到比較大的彎矩、剪力，局部引入內藏鋼板混凝土剪力墻，有效解決以上問題。目前的結構專業軟件PKPM、YJK 和ETABS 對內藏鋼混凝土剪力墻的電算比較單一，未能滿足實際施工需要。因此，在模擬電算的基礎上，手工手算復核驗算構件承載力問題尤為重要。

2.2.1 鋼板混凝土受剪截面承載力驗算

（1）持久、短暫設計狀況計算如式（1）、式（2）所示。

（2）地震設計狀況。

當剪跨比λ 大于2.5 時，計算如式（3）所示。

當剪跨比λ 小于2.5 時，計算如式（4）、式（5）所示。

式中：V——鋼板混凝土剪力墻截面承載力的剪力設計值；Vcw——僅考慮鋼筋混凝土截面承擔的剪力設計值；λ——計算截面的剪跨比，當λ＜1.5 時，取λ=1.5，當λ＞2.2 時，取λ=2.2；當計算截面與墻底之間的距離小于0.5 hwo時，λ 應當按距離墻底0.5 hwo處的彎矩值與剪力值計算；fa——剪力墻端部暗柱中所配型鋼的抗壓強度設計值；Aa1——剪力墻一端所配型鋼的截面面積，當兩端所配型鋼截面面積不同時，取較小一端的面積；fsp——剪力墻墻身所配鋼板的抗壓強度設計值；Asp——剪力墻墻身所配鋼板的橫截面面積。

2.2.2 鋼板混凝土剪力墻斜截面承載力驗算

鋼板混凝土剪力墻偏心受壓時的斜截面受剪承載力應按式（6）、式（7）驗算。

（1）持久、短暫設計狀況計算如式（6）所示。

（2）地震設計狀況計算如式（7）所示。

式中：N——剪力墻承受的軸向壓力設計值，當大于0.2 fcbwhw時，取為0.2 fcbwhw。

2.3 混凝土剪力墻內藏鋼的構造要求

①內藏鋼混凝土剪力墻軸壓比需滿足規范要求。②內藏鋼混凝土剪力墻在樓層標高處宜設計鋼骨暗梁，縱向鋼筋拉通。③內藏鋼混凝土剪力墻保護層厚度和剪力墻分布筋抗震錨固長度需滿足規范要求。④內藏鋼混凝土剪力墻分布鋼筋配筋率需滿足最小配筋率構造和施工縫計算配筋要求。⑤內藏鋼混凝土剪力墻鋼材的厚度和規格等要求需滿足規范要求。⑥內藏鋼混凝土剪力墻鋼材的其他構造要求尚需滿足超限審查意見的要求。⑦內藏鋼混凝土剪力墻需滿足規范設置栓釘要求外，尚需根據剛度分配原則計算單個栓釘剪力[4]。

3 主要材料用量

3.1 抗震構造措施的影響

根據我國《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）和廣東省《高層建筑鋼-混凝土混合結構技術規程》（DBJ/T 15-128—2017），結構抗震受力構件應符合相應的計算和構造措施要求。

在不同抗震等級條件下，剪力墻結構的抗震構造措施，如表1所示。

3.2 結構主要用料統計

本工程借用結構專業軟件YJK 計算，為直觀表示內藏鋼混凝土剪力墻的材料用量，通過用普通混凝土剪力墻參與計算對比，在主體結構主要計算指標接近且滿足規范的條件下，統計剪力墻結構和結構梁的材料用量，計算結果如表2所示。

表2 不同抗震設防烈度的結構變化量

4 結語

對于超高層建筑高強混凝土材料，內藏鋼混凝土剪力墻不僅能改善材料延性，還能提高構件的抗側剛度和承載力。

“L”型超高層剪力墻結構角部和端部易出現拉應力，且彎矩和剪力較大，配筋需復核。

目前各結構軟件YJK、PKPM 等模擬鋼板剪力墻布置條件與規范的內藏鋼混凝土剪力墻布置條件還有些差距，內藏鋼混凝土剪力墻還需人工手算驗算，必要時組織專家論證。

內藏鋼混凝土剪力墻在超高層剪力墻結構中雖較大地節省混凝土用料，減低環境污染，但針對不同結構形式鋼板剪力墻的制作采取不同的施工工藝，建議用高強螺栓連接提高鋼板剪力墻的加工精度[5]。

內藏鋼混凝土剪力墻結構與普通混凝土剪力墻結構的梁鋼筋用料增加約3.9%，剪力墻鋼筋用料減少20%，混凝土用料減少6%，但是增加了1450 t 的型鋼，主要因為結構材料替換，鋼材與混凝土剪力墻組合受力，解決剪力墻結構承載力問題。

內藏鋼混凝土剪力墻結構比普通混凝土剪力墻混凝土結構理論上用料節省約8000 t，鋼筋節省300 t，但是型鋼增加了1457 t，在未考慮對基礎造價的影響下，土建結構材料增加了費用。

內藏鋼混凝土剪力墻結構體系的主體結構各項指標滿足規范要求，亦能滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設防目標。