框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及施工中具體問題的探討

李鵬(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京市 102600)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，既要考慮到結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，也要充分考慮到建造的難度等因素。現(xiàn)在設(shè)計(jì)和施工的關(guān)系也越來越密切，只有在設(shè)計(jì)當(dāng)中充分考慮到施工建造的技術(shù)，以及可能遇到的問題才能最終實(shí)現(xiàn)合理設(shè)計(jì)目標(biāo)。 同時(shí)，隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，也應(yīng)該不斷探索和嘗試新的建筑材料及施工方案，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的不斷進(jìn)步。

結(jié)合單位新建項(xiàng)目來看，本項(xiàng)目為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)是框架，由梁柱構(gòu)成，小部分是剪力墻，可形成內(nèi)部大空問，能進(jìn)行靈活的建筑平面布置，因此，框架結(jié)構(gòu)體系在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用也比較廣泛。框剪結(jié)構(gòu)是框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)兩種體系的結(jié)合，吸取了各自的長處，既能為建筑平面布置提供較大的使用空間，又具有良好的抗側(cè)力性能。因此，這種結(jié)構(gòu)已被廣泛地應(yīng)用于各類房屋建筑。

框架結(jié)構(gòu)的變形是剪切型，上部層間相對(duì)變形小，下部層間相對(duì)變形大。剪力墻結(jié)構(gòu)的變形為彎曲型，上部層間相對(duì)變形大，下部層間相對(duì)變形小。對(duì)于框剪結(jié)構(gòu)，由于兩種結(jié)構(gòu)協(xié)同工作變形協(xié)調(diào)，形成了彎剪變形，從而減小了層間相對(duì)位移比和頂點(diǎn)位移比，使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度得到了提高。

一、設(shè)計(jì)階段的合理性建議：

1.高強(qiáng)混凝土的使用

從結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展趨勢(shì)來看，高強(qiáng)材料的使用將越來越多，根據(jù)我國已經(jīng)修訂，最新修訂的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)普通鋼筋的規(guī)格進(jìn)行了較大的調(diào)整，這對(duì)設(shè)計(jì)和施工人員都有比較大的影響。從舊版規(guī)范規(guī)定鋼筋主要有三個(gè)等級(jí)，分別是一級(jí)鋼，二級(jí)鋼和三級(jí)鋼，新修訂的混凝土規(guī)范鋼筋品種取消了強(qiáng)度較低的235兆帕鋼筋，把500兆帕的鋼筋作為新型鋼筋引入。現(xiàn)在400兆帕的鋼筋在設(shè)計(jì)當(dāng)中已經(jīng)采用，500兆帕的鋼筋需要有一個(gè)逐漸熟悉，使用的過程，從歐美的情況來看，更高強(qiáng)度的鋼筋已經(jīng)大量的采用，400-600兆帕的鋼筋，叫做中強(qiáng)鋼筋。采用高強(qiáng)度鋼筋可以節(jié)約大量的能源、電力、運(yùn)輸和加工費(fèi)用，減少粉塵和污染物的排放。通過一些設(shè)計(jì)實(shí)例的對(duì)比，采用500兆帕高強(qiáng)鋼筋以后可以減少鋼筋的用量12%左右(1)，可以說在經(jīng)濟(jì)性上有著很大的優(yōu)勢(shì)。

2.鋼材的合理使用

鋼材作為建筑結(jié)構(gòu)的主要的材料，對(duì)造價(jià)成本有很大影響。鋼材有很多性能，其中一個(gè)性能是沖擊韌性，屬于低溫工作性質(zhì)。常用的是BCD級(jí)，我們有的時(shí)候在設(shè)計(jì)里面選用的是C級(jí)鋼材或者是D級(jí)鋼材，這時(shí)候?qū)_擊韌性比較高，但是往往訂貨時(shí)間比較長，其實(shí)每個(gè)等級(jí)的差別價(jià)格并不大，但是性能有明顯的差距。應(yīng)該提前多溝通，對(duì)設(shè)計(jì)元件多了解，應(yīng)該把鋼材等級(jí)確定準(zhǔn)確，因?yàn)槌杀静桓叩那闆r下把成分進(jìn)行控制，這方面多下一點(diǎn)功夫，可以獲得很好的效果。因?yàn)闆_擊韌性不但是在低溫下工作性能，而且對(duì)焊接性、抗震性能都有一定的影響。

對(duì)于設(shè)計(jì)人員一般情況下比較注重用鋼量控制，有些工程業(yè)主規(guī)定一個(gè)最高用鋼量指標(biāo)，從技術(shù)角度看可以說不盡合理。我們希望能夠提出一種綜合考慮材料與能源消耗和勞動(dòng)力成本新的指標(biāo)體系，不是單一的指標(biāo)。如果只單方面的壓低用鋼量，造成型鋼型號(hào)很多，表面上看都充分發(fā)揮了各構(gòu)件的作用，但與此同時(shí)，加工量也大大的增加了。綜合來看無疑是適當(dāng)?shù)亩嗖捎密堉票容^合理，這也是一個(gè)產(chǎn)業(yè)的導(dǎo)向。現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員會(huì)面臨著一個(gè)問題，總是怕指責(zé)用鋼量大，千方百計(jì)來壓，實(shí)際上材料的消耗，勞動(dòng)力的消耗并不小。所以我們急需建立起一個(gè)明確的指標(biāo)體系，來更準(zhǔn)確地指導(dǎo)設(shè)計(jì)人進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.施工中荷載的影響：

施工荷載，往往會(huì)引起一些問題，施工期間會(huì)有很大的荷載，特別是正負(fù)零位置，這也是樓板開裂或者工程事故引起的主要原因。這一次正在修訂的建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范對(duì)這個(gè)有明確規(guī)定，當(dāng)有地方需要進(jìn)行加強(qiáng)，換句話說我們作為設(shè)計(jì)人員來講不但要考慮將來正常使用的功能，在施工階段要考慮余量，不然對(duì)有超載情況還需加固，將造成很大的浪費(fèi)。

施工過程模擬分析。今天講到的設(shè)計(jì)問題都是和施工相關(guān)的，施工過程與結(jié)構(gòu)內(nèi)力，以前這個(gè)課題，這個(gè)話題不是很重視。實(shí)際上任何的建筑結(jié)構(gòu)是在施工過程當(dāng)中逐漸形成鋼度和質(zhì)量。換句話說施工的過程對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的作用會(huì)有非常大的影響，如果施工順序與設(shè)計(jì)順序存在差異，可能形成安全隱患。特別是超高層還有一些特殊的大跨度結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)在自重下所占內(nèi)力比重比較大，這個(gè)順序也是很明顯的。

4.節(jié)點(diǎn)部位結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)候出于受力及美觀原因，局部位置會(huì)設(shè)有較為復(fù)雜的角柱及節(jié)點(diǎn)，而在施工時(shí)這些位置由于構(gòu)造復(fù)雜而造成鋼筋綁扎、模板安裝的不便，部分施工單位無法按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工。這時(shí)便需要設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，盡量簡化設(shè)計(jì)，少用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)，提前考慮施工中的難點(diǎn)，做好施工指導(dǎo)。

二、施工階段問題的分析

1.混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的處理方法

在實(shí)際施工中，混凝土施工過程既要滿足控制柱截面的要求，又要滿足柱子軸壓比的要求。因此，柱子通常采用較高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。而對(duì)于以受彎為主的樓層梁板，混凝土強(qiáng)度等級(jí)卻不宜太高，這樣會(huì)造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)矛盾(2)。

首先，如采用高強(qiáng)度等級(jí)混凝土對(duì)梁板抗彎承載力提高不明顯；其次，高強(qiáng)度等級(jí)混凝土對(duì)構(gòu)件承受非荷載應(yīng)力不利，如混凝土收縮應(yīng)力、溫度應(yīng)力等。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般現(xiàn)澆框架的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜高于C40。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，比較合適的樓蓋混凝土強(qiáng)度等級(jí)通常采用C25至C40之間。由此可見，高層建筑混凝土框架結(jié)構(gòu)的柱混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度高于梁板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度必然存在，而且隨著建筑物高度的增大，兩者的設(shè)計(jì)強(qiáng)度差距會(huì)越大，特別是在高層建筑的下部。

目前施工中，混凝土的澆筑多采用商品混凝土泵送工藝，施工單位通常將豎向構(gòu)件與水平構(gòu)件分批集中澆筑，在梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)多采用強(qiáng)度等級(jí)較低的梁板混凝土澆筑。如要求施工時(shí)對(duì)其中的梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)澆筑，因節(jié)點(diǎn)部位混凝土量、需要量較少且分批澆筑時(shí)間不易控制從而易導(dǎo)致質(zhì)量事故，另外，節(jié)點(diǎn)區(qū)與梁板之間施工范圍難以分割，因此，在施工中也難以推行。

對(duì)高層建筑框剪結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件和水平構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度，要進(jìn)行合理取值(3)。豎向構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)種類不應(yīng)過多，且與豎向構(gòu)件截面的變化要錯(cuò)層同步；水平構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)取值要符合規(guī)范要求，盡可能與豎向構(gòu)件相匹配，使實(shí)際施工簡單化，盡量減少梁柱節(jié)點(diǎn)單獨(dú)澆筑混凝土。

當(dāng)梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)比柱低的不多時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)可用與梁板混凝土同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土澆筑，其節(jié)點(diǎn)核心區(qū)截面承載力仍能滿足要求。 隨著梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)與柱的差距加大，梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)澆筑前需采取措施，并增設(shè)豎向短筋。如梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)比柱低20兆帕以上時(shí)，必須采用與柱同等級(jí)混凝土澆筑，為防止出現(xiàn)冷縫，建議同時(shí)進(jìn)行澆筑。

2.梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)的箍筋施工

在框剪結(jié)構(gòu)中，主要結(jié)構(gòu)是框架，由梁柱構(gòu)成，由于受力要求，梁柱節(jié)點(diǎn)施工比較復(fù)雜，主要表現(xiàn)為鋼筋過于密集，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，施工難度非常大，特別是中間跨的梁柱節(jié)點(diǎn)，由于中間柱子鋼筋縱橫交錯(cuò)，箍筋綁扎不便，采用整體沉梁施工時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)下部箍筋難以綁扎，致使很多工程在梁柱節(jié)點(diǎn)部位箍筋數(shù)量嚴(yán)重不足，甚至無法布置，給結(jié)構(gòu)安全留下嚴(yán)重隱患。

施工時(shí)，可調(diào)整施工工藝，梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)可提前在加工廠焊接完畢，焊接時(shí)注意留好接茬，在縱向短筋上形成整體骨架，再將整體骨架套入柱縱筋并擱置在樓板模板面上，穿梁鋼筋并綁扎。為防止附加短筋位置與柱縱筋沖突而造成套箍困難，附加縱向短筋應(yīng)偏離箍筋角部約5厘米左右。

3.混凝土保護(hù)層厚度過厚問題處理

梁柱受力鋼筋保護(hù)層厚度允許偏差為5毫米。但是框剪結(jié)構(gòu)施工中，當(dāng)梁邊與柱邊平齊時(shí)，柱的縱筋必須包住梁的縱筋，即梁的縱筋要在柱縱筋的內(nèi)側(cè)。因此，平齊的梁側(cè)往往容易因?yàn)楸Ｗo(hù)層厚度不符合要求而開裂。在施工中，高層框剪結(jié)構(gòu)的頂層角節(jié)點(diǎn)處，由于鋼筋實(shí)際加工的原因，一般會(huì)出現(xiàn)角節(jié)點(diǎn)外側(cè)鋼筋保護(hù)層過厚，容易導(dǎo)致裂縫。

所以，當(dāng)梁、柱中縱向受力鋼筋的保護(hù)層厚度大于4厘米時(shí)，應(yīng)對(duì)保護(hù)層采取有效的防裂構(gòu)造措施。在粱縱筋彎折處加設(shè)附加鋼筋，防止梁邊與柱邊平齊時(shí)梁側(cè)的開裂。 在框剪結(jié)構(gòu)的框架角節(jié)點(diǎn)處加設(shè)鋼筋網(wǎng)片，以提高角節(jié)點(diǎn)處的抗裂性。

三、結(jié)論

隨著現(xiàn)代建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和施工環(huán)節(jié)的聯(lián)系越來越緊密，很多新材料、新方法的運(yùn)用越來越多，這些新材料、新方法應(yīng)該都是充分考慮了設(shè)計(jì)和施工的合理性為前提的。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段要充分考慮技術(shù)的合理性、安全性及經(jīng)濟(jì)性，并且充分考慮施工實(shí)際的可操作性；施工階段也要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，完善施工技術(shù)細(xì)節(jié)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)設(shè)計(jì)文件提出可行的優(yōu)化方案。兩方面項(xiàng)目促進(jìn)，最終最大限度的保證了建設(shè)工程的整體質(zhì)量。

[1]王來其劉文鋒500MPa級(jí)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展{J}《青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)》2012年02期.

[2]薛志峰市政工程論文發(fā)表框剪結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中與施工常見問題{D}.

[3]梁繼民淺議高層框剪結(jié)構(gòu)柱墻與梁板砼強(qiáng)度不同時(shí)的施工方法和技術(shù)措施{J}《科技視界》2012年29期.