全預(yù)制裝配整體式剪力墻住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

文／劉顯旺 中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司 天津 300120

引言：

裝配式建筑技術(shù)作為房屋建造方式的一項(xiàng)重大創(chuàng)新，具備國(guó)家推動(dòng)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的關(guān)鍵作用，同時(shí)也是實(shí)施新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略的重要戰(zhàn)略措施之一，是適應(yīng)新形勢(shì)下勞動(dòng)力成本水漲船高的現(xiàn)實(shí)需要，其優(yōu)勢(shì)有效實(shí)現(xiàn)資源節(jié)能、降低施工污染、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率和建筑質(zhì)量安全水平等高效利用。住宅作為我國(guó)建筑領(lǐng)域的重要組成部分，是我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的優(yōu)先選擇對(duì)象，其建造技術(shù)的改革可以提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)，提高勞動(dòng)效率，通過(guò)工業(yè)化生產(chǎn)來(lái)提高產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性，促進(jìn)住宅產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。近年來(lái)，隨著建筑技術(shù)不斷發(fā)展，全預(yù)制裝配整體式剪力墻住宅結(jié)構(gòu)逐漸受到建筑行業(yè)的廣泛關(guān)注和推廣。

1.全預(yù)制裝配整體式剪力墻住宅結(jié)構(gòu)的概述及設(shè)計(jì)原理

1.1 全預(yù)制裝配整體式剪力墻住宅結(jié)構(gòu)的概述

全預(yù)制裝配整體式剪力墻住宅結(jié)構(gòu)是一種新興建筑技術(shù)，通過(guò)工廠預(yù)制和裝配，將建筑中剪力墻轉(zhuǎn)變?yōu)檎w墻板，再通過(guò)裝配工作將墻板組裝成墻體，并與樓板、柱子等構(gòu)件連接起來(lái)，形成穩(wěn)定、堅(jiān)固的整體結(jié)構(gòu)。此種住宅結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)包括全部構(gòu)件在工廠進(jìn)行預(yù)制，包括墻板、樓板和柱子等，以及墻板通過(guò)專用裝配設(shè)備進(jìn)行組裝，形成整體剪力墻，最后采用現(xiàn)場(chǎng)拼裝方式連接墻體與樓板、柱子等構(gòu)件。全預(yù)制裝配整體式剪力墻住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于其高度工程化，使得生產(chǎn)與施工可以同時(shí)進(jìn)行，從而大大縮短工期，預(yù)制構(gòu)件能夠在受控的工廠環(huán)境下進(jìn)行制造和檢測(cè)，從而確保構(gòu)件質(zhì)量和穩(wěn)定性，由于墻板是整體，可以減少施工過(guò)程中接縫和間隙，提高整體結(jié)構(gòu)緊密度和抗震性能，同時(shí)，該結(jié)構(gòu)還具有較好整體剛度和強(qiáng)度，能夠有效地分擔(dān)水平荷載，提高建筑整體穩(wěn)定性。此外，由于墻板預(yù)制和裝配工作可以在工廠內(nèi)進(jìn)行，減少現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中噪音和粉塵，提供更好施工環(huán)境[1]。

1.2 全預(yù)制裝配整體式剪力墻住宅結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理

1.2.1 剪力墻

剪力墻是整體式剪力墻住宅結(jié)構(gòu)核心部分，其設(shè)計(jì)對(duì)于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載力有著重要影響。對(duì)于剪力墻設(shè)計(jì)，需滿足單位面積內(nèi)的剪切剛度和抗震承載力要求，其布置應(yīng)考慮到結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，以及對(duì)于地震力響應(yīng)能力。墻板之間連接方式應(yīng)采用剛性連接，（通過(guò)特殊的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)澆筑連接），以提高整體抗震性能，此外，墻板厚度和配筋量應(yīng)根據(jù)荷載計(jì)算和抗震設(shè)計(jì)要求進(jìn)行確定，以確保墻體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

1.2.2 樓板和柱子

對(duì)于樓板和柱子設(shè)計(jì)，樓板應(yīng)滿足固定端轉(zhuǎn)矩和剪力要求。樓板設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到荷載承載能力以及樓層之間平穩(wěn)傳力，確保樓層穩(wěn)定性和剛度；柱子設(shè)計(jì)應(yīng)滿足承載力和穩(wěn)定性要求，以保證整個(gè)結(jié)構(gòu)安全性；樓板與墻體、柱子連接應(yīng)采用可靠的連接方式，以確保結(jié)構(gòu)整體性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需考慮柱子之間布置方式和尺寸合理性，以確保整體結(jié)構(gòu)均衡性和對(duì)地震力響應(yīng)能力。

2.全預(yù)制裝配整體式剪力墻住宅結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

2.1 高層住宅建筑

全預(yù)制裝配整體式剪力墻住宅結(jié)構(gòu)在高層住宅建筑中得到廣泛應(yīng)用。近些年在國(guó)家政策的推動(dòng)下，經(jīng)過(guò)各大科研機(jī)構(gòu)、高校、企業(yè)的研究表明該結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗震性能，能夠有效地分擔(dān)地震荷載，為高層住宅提供足夠的安全性。此外，預(yù)制墻體裝配速度快，能夠大大縮短施工周期，滿足城市對(duì)高層住宅快速建設(shè)需求。全預(yù)制裝配整體式剪力墻住宅結(jié)構(gòu)由于大部分構(gòu)件在工廠進(jìn)行預(yù)制，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)裝配方式進(jìn)行組裝，大大減少施工過(guò)程中的工期，在項(xiàng)目中，預(yù)制墻板通過(guò)專用裝配設(shè)備進(jìn)行組裝，使得墻體搭建效率極高，大大縮短施工工期，使項(xiàng)目能夠按時(shí)交付使用。墻板設(shè)計(jì)和制造在工廠環(huán)境下進(jìn)行，可以根據(jù)項(xiàng)目具體要求進(jìn)行個(gè)性化定制，以滿足設(shè)計(jì)和美觀要求。同時(shí)，預(yù)制墻體材料和構(gòu)造也經(jīng)過(guò)嚴(yán)格質(zhì)量控制，確保整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和質(zhì)量可靠性。該項(xiàng)目采用一體化施工方式，墻體與樓板、柱子等構(gòu)件連接采用可靠專用連接方式，確保整體結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性[2]。

2.2 綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展

全預(yù)制裝配整體式剪力墻住宅結(jié)構(gòu)在綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域具有較大應(yīng)用潛力。該結(jié)構(gòu)采用預(yù)制墻體，減少現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)環(huán)境影響，降低噪音和粉塵污染。此外，預(yù)制構(gòu)件可以在工廠進(jìn)行精密制造，減少浪費(fèi)和能源消耗。全預(yù)制裝配整體式剪力墻住宅結(jié)構(gòu)還具備良好保溫、隔熱和節(jié)能性能，符合綠色建筑要求。

2.3 大規(guī)模住宅建設(shè)

隨著城市化進(jìn)程加快，需要大規(guī)模快速建設(shè)住宅數(shù)量不斷增加。全預(yù)制裝配整體式剪力墻住宅結(jié)構(gòu)快速施工和高度一致性，使其成為大規(guī)模住宅建設(shè)的理想選擇。預(yù)制構(gòu)件制造過(guò)程可進(jìn)行工程化管理，大大提高施工效率和質(zhì)量控制，并能夠通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，節(jié)約大量人力和物力資源。

3.試點(diǎn)工程概況

某市33 號(hào)樓是一座高度為32.50 米的建筑物，包括地下2 層和地上10 層。總建筑面積為4,556 平方米。該建筑采用剪力墻結(jié)構(gòu)，并在建筑基礎(chǔ)和地下室部分采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建剪力墻，能夠提供穩(wěn)定、堅(jiān)固支撐，確保建筑安全性和穩(wěn)定性。而在地上部分，選擇預(yù)制鋼筋混凝土裝配整體式結(jié)構(gòu)，其中包括上部剪力墻、梁、板和樓梯。該結(jié)構(gòu)采用（業(yè)界也稱為）NPC 結(jié)構(gòu)體系，它能夠提高施工效率，節(jié)省時(shí)間和成本，并且具有較高質(zhì)量控制能力[3]。

4.節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)

4.1 外剪力墻與板及剪力墻層間連接節(jié)點(diǎn)

4.1.1 外剪力墻與板連接節(jié)點(diǎn)

在預(yù)制剪力墻的內(nèi)部，需要先進(jìn)行埋設(shè)支座尺寸為└160×12，作為該疊合板支撐作用，其角鋼底標(biāo)的高度和樓板底標(biāo)的高度相同，且每一個(gè)支座至少需要使用兩塊角鋼進(jìn)行支撐。所使用角鋼長(zhǎng)度應(yīng)為20CM，其中2.5CM需要買入在墻體的內(nèi)部。通過(guò)該設(shè)計(jì)，預(yù)制疊合板與剪力墻形成穩(wěn)固結(jié)合，確保建筑整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

4.1.2 外剪力墻層間連接節(jié)點(diǎn)

下層預(yù)支剪力墻需要在上層的樓面一50cm 凸出部分為結(jié)束點(diǎn)，并且選擇使用企口進(jìn)行連接，其寬度為1.5cm，內(nèi)側(cè)與外側(cè)應(yīng)使用彈性密封膠將其全面封堵。下層預(yù)制剪力墻內(nèi)預(yù)留了與受力鋼筋相同數(shù)量和直徑的插筋，這些插筋的預(yù)留長(zhǎng)度分別為外側(cè)600mm 和內(nèi)側(cè)1000mm，用于插入上層注漿管內(nèi)，旨在確保連接處的結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性，并為后續(xù)工序提供必要的支持。在上層預(yù)制剪力墻內(nèi)也預(yù)留了位置與下層預(yù)制剪力墻內(nèi)插筋相對(duì)應(yīng)的采用金屬波紋50mm 注漿管，并在上層剪力墻內(nèi)部設(shè)置了注漿孔。當(dāng)預(yù)制剪力墻安裝完成后，將注入強(qiáng)度不低于50MPa 的灌漿料進(jìn)入注漿管和企口縫內(nèi)，以形成剛性連接節(jié)點(diǎn)，該灌漿工藝能夠確保上下層預(yù)制剪力墻之間的牢固連接，在加強(qiáng)結(jié)構(gòu)同時(shí)提高整體抗震性能[4]。

4.2 內(nèi)剪力墻與板及剪力墻層間連接節(jié)點(diǎn)

4.2.1 內(nèi)剪力墻與板連接節(jié)點(diǎn)

在確保預(yù)制疊合板與預(yù)制剪力墻的穩(wěn)定支撐，并形成結(jié)構(gòu)上的可靠連接，而在施工完成后，預(yù)留鋼筋與疊合板現(xiàn)澆層形成剛性連接，進(jìn)一步增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和受力性能。通過(guò)結(jié)合預(yù)制剪力墻和預(yù)制疊合板使用，能夠提高施工效率，減少施工時(shí)間，并確保建筑質(zhì)量和安全性。

4.2.2 內(nèi)剪力墻層間連接節(jié)點(diǎn)

在下層預(yù)制剪力墻內(nèi)，預(yù)留與受力鋼筋數(shù)量和直徑相同的插筋。這些插筋將在一側(cè)錨入上層注漿管內(nèi)，插入長(zhǎng)度為600mm，以確保下層預(yù)制剪力墻和上層注漿管的穩(wěn)定連接，另一側(cè)有一根采用金屬波紋管長(zhǎng)度為1000mm的注漿管，同時(shí)在上層的預(yù)制剪力墻內(nèi)也有一根預(yù)留采用金屬波紋管50mm 的注漿管，且位置與下層預(yù)制剪力墻內(nèi)的插筋相對(duì)應(yīng)，并在上層預(yù)制剪力墻的兩側(cè)還設(shè)置了注漿孔，在預(yù)制剪力墻安裝完成后，將注入強(qiáng)度不低于50MPa 的灌漿料，使其成為一個(gè)堅(jiān)固的連接節(jié)點(diǎn)。該注漿工藝能夠確保上下層預(yù)制剪力墻之間牢固連接，增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗震能力。通過(guò)使用注漿來(lái)連接預(yù)制剪力墻和注漿管，可以提供更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)連接，使建筑具有更好的整體性和抗震性能[5]。

圖1 內(nèi)剪力墻與板及剪力墻層間連接節(jié)點(diǎn)

4.3 剪力墻與梁連接節(jié)點(diǎn)

梁槽以15mm 的長(zhǎng)度支承在剪力墻上，其高度是梁的高度減去200mm（即樓板厚度）。在梁槽底部和梁頂部的位置，剪力墻預(yù)先安裝了與梁底部和梁頂部的受力鋼筋相同的附加鋼筋，其數(shù)量和直徑也相同。附加鋼筋在剪力墻內(nèi)的長(zhǎng)度和延伸到梁內(nèi)的長(zhǎng)度也都符合錨固的要求，梁頂部的預(yù)埋鋼筋與梁槽上部的鋼筋連接在一起，再與疊合板和疊合梁一起進(jìn)行現(xiàn)澆混凝土，形成一個(gè)堅(jiān)固的連接節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)圖2）。通過(guò)采用預(yù)制梁槽和疊合現(xiàn)澆方式，實(shí)現(xiàn)剪力墻與梁的良好連接，并確保連接處的剛性。該連接方式能夠提高結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使剪力墻和梁能夠有效地協(xié)同工作，共同承擔(dān)荷載，增強(qiáng)建筑抗震性能。

圖2 剪力墻與梁連接節(jié)點(diǎn)

4.4 梁與板連接節(jié)點(diǎn)

在圖3 中看到，該連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和施工方法具有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，預(yù)制梁槽和疊合板可以在工廠中提前制作，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的組裝。這樣可以大大減少施工時(shí)間并提高工程效率。其次，預(yù)制梁槽和疊合板的設(shè)計(jì)使得連接節(jié)點(diǎn)更加牢固和穩(wěn)定。預(yù)制梁槽具有較厚的壁厚和底部厚度，可以提供足夠強(qiáng)度和承載能力。疊合板的支承長(zhǎng)度和鋼筋預(yù)留也增加整個(gè)節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性。最后，采用預(yù)制梁槽和疊合現(xiàn)澆形式的連接節(jié)點(diǎn)可以提高建筑結(jié)構(gòu)整體性能。該剛性連接節(jié)點(diǎn)能夠承受更大荷載，并能夠有效地傳遞梁與板之間的力和應(yīng)力。這對(duì)于建筑安全性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性非常重要。

圖3 梁與板連接節(jié)點(diǎn)

4.5 剪力墻水平連接節(jié)點(diǎn)

通常情況下，進(jìn)行使用預(yù)支剪力墻當(dāng)中水平鏈接的節(jié)點(diǎn)可以選擇氛圍T 型、L 型以及“一”型這三種連接。在橫向與縱向之間的連接處，預(yù)制剪力墻應(yīng)保留進(jìn)行預(yù)留后交接點(diǎn)所使用的空間位置，再改節(jié)點(diǎn)處，預(yù)支剪力墻的內(nèi)部需要預(yù)留出額外數(shù)量的趕緊，并在其后交接點(diǎn)出進(jìn)行錨入處理，這些附加預(yù)留鋼筋的直徑、間距以及數(shù)量應(yīng)保持與原始界面的鋼筋達(dá)到一致，災(zāi)后交接點(diǎn)完成相應(yīng)現(xiàn)澆工作以后，可形成堅(jiān)固的鏈接節(jié)點(diǎn)。使用預(yù)制剪力墻連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和施工方法具有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，預(yù)留后澆節(jié)點(diǎn)可以提供更牢固和穩(wěn)定的連接。預(yù)制剪力墻內(nèi)的附加鋼筋以及后澆節(jié)點(diǎn)處的錨固可以增強(qiáng)整個(gè)連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。其次，通過(guò)預(yù)制配筋的方式，可以確保連接節(jié)點(diǎn)與原截面預(yù)制剪力墻的配筋一致，從而保證連接節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和可靠性。附加鋼筋數(shù)量、間距和直徑的合理設(shè)計(jì)可以滿足連接節(jié)點(diǎn)的承載能力和抗震需求。最后，采用預(yù)制剪力墻連接節(jié)點(diǎn)可以提高施工效率和工程質(zhì)量。預(yù)制剪力墻可以在工廠中提前制作，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單組裝。后澆節(jié)點(diǎn)的施工相對(duì)簡(jiǎn)單，可以更好地控制質(zhì)量和施工進(jìn)度。

4.6 梁連接節(jié)點(diǎn)

預(yù)制梁的連接節(jié)點(diǎn)通常采用T 形連接和L 形連接兩種形式，與剪力墻水平連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原理相似。連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理是在預(yù)制梁的連接處預(yù)留后澆節(jié)點(diǎn)。在T 形連接中，連接節(jié)點(diǎn)呈T 字型，通過(guò)后澆節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。在預(yù)制梁連接節(jié)點(diǎn)處，預(yù)留附加鋼筋，并在后澆節(jié)點(diǎn)處相互錨固，以形成剛性連接。在L 形連接中，連接節(jié)點(diǎn)形狀呈L字型，同樣通過(guò)后澆節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。在預(yù)制梁的連接節(jié)點(diǎn)處，預(yù)留了附加的鋼筋，并與后澆節(jié)點(diǎn)進(jìn)行錨固。該連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理是為提供穩(wěn)固連接，增強(qiáng)梁的承載能力和剛性。通過(guò)預(yù)留后澆節(jié)點(diǎn)和錨固附加鋼筋，可以增強(qiáng)連接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，提高梁與梁之間連接性能。詳細(xì)預(yù)制梁連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)示意圖可參考圖4。

圖4 梁連接節(jié)點(diǎn)

該連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法具有許多優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)預(yù)制梁連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，可以提高梁承載能力和抗震能力。連接節(jié)點(diǎn)剛性連接能夠有效地傳遞荷載和應(yīng)力，保證整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。預(yù)制梁連接節(jié)點(diǎn)施工相對(duì)簡(jiǎn)便，可以減少施工時(shí)間和工程成本。預(yù)留附加鋼筋并進(jìn)行后澆節(jié)點(diǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，可以在工廠或現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行制作和組裝，提高施工效率。預(yù)制梁連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理與剪力墻水平連接節(jié)點(diǎn)相似，都是通過(guò)預(yù)留后澆節(jié)點(diǎn)和錨固附加鋼筋來(lái)實(shí)現(xiàn)剛性連接。該設(shè)計(jì)方法可以提高連接節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性和可靠性，提高梁承載能力和抗震能力。同時(shí)，該連接節(jié)點(diǎn)施工相對(duì)簡(jiǎn)便，可以提高施工效率和工程質(zhì)量。

全預(yù)制鋼筋混凝土裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系（NPC）是一種先進(jìn)的建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，它采用現(xiàn)澆處理來(lái)處理關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和樓板疊合層。該處理方式既增加結(jié)構(gòu)的整體性，又能夠滿足建筑和設(shè)備專業(yè)要求，如建筑部件、暖通空調(diào)、給排水系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等。全預(yù)制鋼筋混凝土裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系通過(guò)現(xiàn)澆處理關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性。關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)現(xiàn)澆處理可以提供更牢固和可靠的連接，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)承載能力和抗震性能。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)體系優(yōu)點(diǎn)還在于能夠滿足建筑和設(shè)備專業(yè)要求。通過(guò)現(xiàn)澆處理，可以通過(guò)滿足建筑部件、暖通空調(diào)、給排水系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等專業(yè)的布置和連接需求，可以實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一、最佳配置，從而提高建筑的功能性和性能。在優(yōu)化配置和滿足專業(yè)要求同時(shí)，全預(yù)制鋼筋混凝土裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系并不會(huì)降低結(jié)構(gòu)安全性。通過(guò)合理設(shè)計(jì)和施工，結(jié)構(gòu)安全性得到保證。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，全預(yù)制鋼筋混凝土裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系是一種國(guó)家推薦的符合最新產(chǎn)業(yè)政策、滿足專業(yè)安全要求、優(yōu)化資源配置、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和提高建筑性能的先進(jìn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。通過(guò)現(xiàn)澆處理關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和樓板疊合層，可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性，同時(shí)解決建筑和設(shè)備專業(yè)需求。該結(jié)構(gòu)體系在不降低安全性前提下，優(yōu)化建筑性能和功能，實(shí)現(xiàn)全專業(yè)裝配化生產(chǎn)。