套筒灌漿連接預制剪力墻結構設計研究

高 勇

（國舜綠建科技有限公司，山東 濟南 250000）

采用套筒灌漿連接的預制剪力墻結構設計原則和方法與常規剪力墻結構基本相同，但由于連接節點構造的差異，預制剪力墻結構的方案設計和計算分析過程中有一些不同于現澆結構設計的問題。本文結合實際工程案例，介紹預制剪力墻結構應用灌漿套筒時的設計要點，對整體結構進行多角度的計算分析，并對提高預制剪力墻結構的安全性提出設計方面的建議。

1 工程概況

本工程為北京市某棚戶區改造項目中的1 棟單體建筑，其采用預制剪力墻結構，墻體豎向鋼筋采用套筒灌漿連接。建筑地下3 層、地上11 層，層高均為2.8m，地上總高度31.1m，總建筑面積約3 650m2。該工程設計使用年限為50 年，結構安全等級為二級，結構重要性系數為1.0，建筑抗震設防分類為丙類，抗震設防烈度為8 度，設計基本地震加速度為0.20g，建筑場地類別為Ⅲ類，設計地震分組為第二組，場地特征周期為0.55s，抗震等級為二級，不考慮豎向地震作用。風壓按50 年一遇考慮，基本風壓為0.45kN/m2，地面粗糙度類別為B 類。

2 結構整體布置與計算分析

2.1 結構平面布置及優化

本工程在建筑方案設計初期沒有考慮后期預制剪力墻布置的需要，北側轉角處窗戶邊緣距墻邊僅300mm，如圖1 所示。

圖1 窗邊剪力墻尺寸偏小

根據結構計算結果，此處的邊緣構件配筋面積較大，如圖2 所示。在設計預制墻板的連接節點時，此處的節點做法如圖3 所示。

圖2 邊緣構件配筋

圖3 轉角處預制墻板連接節點

分析圖3 中連接節點可見，此做法存在以下弊端：一是為了滿足外墻板整體預制及放置外墻板保溫連接件的需要，局部邊緣構件需要設置到預制墻板內，由于連接鋼筋直徑為20mm，采用的灌漿套筒尺寸較大，對此處墻板的延性有不利影響。二是此處的現澆邊緣構件部分成為長500mm、寬200mm 的“一字形”，其中需要布置的縱筋為10 根直徑22mm 的鋼筋，鋼筋排布密集，并受上方連梁伸出縱筋的不利影響，綁扎鋼筋的操作空間小、混凝土振搗不方便、連接質量難以保證。通過與建設單位溝通，將此處窗戶邊緣距墻邊的尺寸從300mm 加大到900mm，調整后的結構布置如圖4 所示。

圖4 標準層結構平面布置圖

2.2 整體結構計算分析

在《裝配式混凝土結構技術規程》中規定，裝配整體式結構可采用與現澆混凝土結構相同的方法進行結構設計，再對計算結果進行調整以提高結構安全性。對于裝配整體式剪力墻結構抗震設計時，同一層內既有現澆墻肢也有預制墻肢時，現澆墻肢水平地震作用彎矩、剪力宜乘以不小于1.1 的增大系數，主要是考慮預制墻肢的接縫處在地震作用下可能開裂較早、剛度降低，導致結構整體地震內力重新分布，現澆墻肢會吸收更多的地震力。圖5 為采用PKPM 軟件建立的本工程整體結構計算模型，只考慮地上結構部分的計算分析。

圖5 采用PKPM 軟件建立的整體結構計算模型

小震計算分析時，采用考慮扭轉耦聯影響的振型分解反應譜法（CQC 法），并考慮雙向地震作用和偶然偏心，主要計算結果見表1，各項指標均滿足相應規范要求。由于本工程位于8 度區、地震烈度較高，且剪力墻墻肢長度不規則，對本工程的PKPM 計算模型采用彈性時程分析進行補充驗算，校核通過振型分解反應譜法計算得到的各項指標是否合理及安全。

表1 小震作用下CQC 法計算結果

按照《建筑抗震設計規范》要求進行時程分析時，應根據建筑場地類別和設計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，且實際強震記錄的數量不少于總數的2/3。本工程選擇了2 條天然波和1 條人工波進行彈性時程分析，天然波為BIGBEAR-01 和CHICHI,TAIWAN-03，人工波為RH3TG055，各地震波主分量、次分量加速度峰值比例取為1∶0.85，分別為70cm/s2和59.5cm/s2。3 條地震波主方向的加速度-時間曲線如圖6～圖8 所示，地震波加速度譜與規范譜對比如圖9 所示。

圖6 地震波BIGBEAR-01 加速度-時間曲線

圖7 地震波CHI-CHI,TAIWAN-03 加速度-時間曲線

圖8 地震波RH3TG055 加速度-時間曲線

圖9 地震波加速度譜與規范譜對比

從圖9 可見，3 組地震波的平均地震影響系數與規范譜相比，在第一振型的周期點上相差1.42%、在第二振型的周期點上相差3.00%、在第三振型的周期點上相差6.87%，均小于《建筑抗震設計規范》中的限值20%，滿足要求。

彈性時程分析的最大位移、最大層間位移角和層間剪力的計算結果如圖10、圖11 和圖12 所示，從圖中可看出，時程分析法計算得出的位移、位移角、樓層剪力的曲線形狀與反應譜法的曲線形狀基本接近，符合剪力墻結構的受力特征，數值沒有異常變化，滿足規范要求。

圖10 主方向最大位移曲線

圖11 主方向最大層間位移角曲線

圖12 主方向剪力曲線

3 預制剪力墻構件拆分設計

3.1 起始樓層選擇

本工程剪力墻抗震等級為二級。根據北京市標準《裝配式剪力墻結構設計規程》中的規定，底部加強部位及相鄰上一層宜采用現澆剪力墻，當底層墻肢軸壓比不大于0.3 時，底部加強部位也可以采用部分預制剪力墻，但需要對預制剪力墻的連接節點采取特殊加強措施。根據行業標準《高層建筑混凝土結構技術規程》中的規定，本工程底部加強部位為底部兩層。經計算，本工程底層墻肢軸壓比最大值為0.26，大部分墻肢軸壓比在0.20 左右，從北京市標準的規定考慮，本工程預制剪力墻可以從地上一層開始應用。

從結構安全角度考慮，本工程位于抗震設防烈度為8 度的地區，計算結果顯示，在底部加強區的部分墻身水平分布筋和邊緣構件配筋面積較大。此外，在荷載作用下，預制構件與現澆段之間的新舊混凝土結合面也更容易開裂，綜合考慮鋼筋的錨固性能和混凝土的整體性能，底部加強部位更適宜采用現澆施工方式。從施工成本角度考慮，由于預制剪力墻的綜合單價要高于現澆剪力墻，在滿足預制率要求的前提下，可減少預制剪力墻的應用比例。根據本項目設計期間北京市對預制率的要求和計算規則，本工程高度不足60m，預制率應不低于40%，本工程在底部加強區不采用預制剪力墻構件也可以滿足要求。綜合考慮結構安全和施工成本，本工程預制剪力墻構件從底部加強部位的上一層即第三層開始應用。

3.2 平面布置設計

預制剪力墻的位置宜以邊緣構件的范圍為界，邊緣構件完全采用現澆，加強對預制剪力墻變形的約束作用。當由于門窗洞口的限制導致邊緣構件必須采取部分預制時，可對邊緣構件的現澆部分適當加強。本工程中南側有大量窗戶，窗洞兩側的邊緣構件局部或全部采用了預制，采取了兩種措施以加強結構的整體性，一是增加邊緣構件現澆部分的配筋面積，二是將常規設計中作為普通墻體的部分按邊緣構件配筋和施工。圖13-a 為按現澆結構設計時，1 軸交A 軸位置邊緣構件的配筋；圖13-b 為布置預制剪力墻后對相應位置邊緣構件形式和配筋的調整，既加大了預制邊緣構件中的縱筋直徑，也增加了邊緣構件中的配筋總面積。圖14-a 為9 軸交A 軸位置按現澆結構設計時邊緣構件布置的位置；圖14-b 為將原邊緣構件及其中間的普通墻體合并成一個尺寸較大的邊緣構件，同時，也增加了其縱筋總面積。

圖13 調整邊緣構件配筋

圖14 調整邊緣構件形式

在電梯井筒和樓梯間四周的剪力墻由于樓面開洞削弱了對周邊結構構件的約束作用，應盡量采用現澆剪力墻以提高結構整體性。當采用預制剪力墻時，應確保邊緣構件完全采用現澆，并適當增強邊緣構件中的縱筋面積、減小箍筋間距。當電梯或樓梯周邊剪力墻為外墻時，應注意驗算墻體平面外穩定性，對預制墻體的豎向分布鋼筋連接也采取加強措施。根據北京市《裝配式建筑評價標準》的規定，預制剪力墻之間寬度不大于600mm 的豎向現澆段可計入主體結構豎向構件的預制混凝土體積中，當預制墻體長度超出現場吊裝機械起吊能力時，可將相應預制墻體通過豎向拼縫分為兩個獨立的預制構件，豎向拼縫的長度不小于200mm、不大于600mm，既便于豎縫內水平鋼筋的布置，也不影響預制率的計算結果。本工程標準層預制墻體平面布置如圖15 所示。

圖15 標準層預制墻體平面布置圖

4 剪力墻水平縫受剪承載力

在裝配整體式剪力墻結構中存在預制墻板瑟樓板間的水平連接縫和預制墻板與現澆邊緣構件之間的豎向連接縫，兩者對結構整體的力學性能影響不同，豎向連接縫較弱時有可能會改善結構整體的抗震性能，而水平連接縫較弱時結構整體抗震性能一定呈下降趨勢。

4.1 計算公式

《裝配式混凝土建筑技術標準》中規定，在地震設計狀況下，剪力墻底部加強部位以上水平接縫的受剪承載力設計值應按下式計算：

《高層建筑混凝土結構技術規程》中規定，抗震等級為一級的剪力墻，水平施工縫的抗滑移應符合下式要求：

比較可見，《裝配式混凝土建筑技術標準》和《高層建筑混凝土結構技術規程》對于接縫處受剪承載力設計值的計算公式組成和系數取值基本相同，都采用了剪切摩擦理論，考慮了鋼筋和軸力的共同作用。

4.2 實用方法

由于《裝配式混凝土建筑技術標準》中的水平接縫受剪承載力計算公式與《高層建筑混凝土結構技術規程》抗震等級為一級的剪力墻水平施工縫處剪力設計值計算公式的形式相同，均為0.6fyAsd+0.8N，因此，可借用計算軟件中對抗震等級為一級的剪力墻施工縫的驗算，并適當調整計算參數來復核預制剪力墻水平縫的受剪承載力。當抗震等級為一級時，可直接按計算程序對水平施工縫的驗算來復核接縫處的鋼筋面積；當抗震等級為二、三、四級時，可先將結構計算的抗震等級提高至一級，再修改程序中對地震作用的調整系數。《高層建筑混凝土結構技術規程》中規定，一級剪力墻的底部加強部位以上部位，墻肢的組合彎矩設計值和組合剪力設計值應乘以增大系數，彎矩增大系數可取為1.2，剪力增大系數可取為1.3，由此可對地震作用調整系數偏安全取1/1.2=0.833。北京市標準《裝配式剪力墻結構設計規程》規定，地震設計狀況時底部加強區以上預制墻板接縫的承載力應按下列要求進行驗算：

可見，北京市標準要求對接縫內力乘以增大系數1.1，因此，在計算程序中，當抗震等級為一級時，地震作用調整系數取1.1；當抗震等級為二、三、四級時，先將抗震等級提高至一級，再將地震作用調整系數取1/1.2×1.1=0.917，最后，根據計算程序對水平施工縫的驗算來復核接縫處的鋼筋面積。

5 結語

本文介紹了套筒灌漿連接預制剪力墻的結構整體布置和計算分析，對墻體布置方案進行了優化，介紹了預制剪力墻拆分設計的豎向樓層選擇和平面位置選擇以及計算軟件中復核水平縫受剪承載力的實用方法。預制剪力墻結構在建筑平面布置時，平面形狀應力求簡單、規則，減少凹凸變化，盡量保證門窗洞口邊到軸線的距離滿足結構專業布置邊緣構件和預制墻體的長度要求，各方向墻體盡量對齊，以便于形成聯肢剪力墻。布置剪力墻時應避免采用短肢剪力墻，注意各方向剛度均勻，盡量做到結構的剛度中心與質量中心的重合，減小結構扭轉，尤其避免在預制層的墻肢底部出現拉應力。