裝配整體式剪力墻結構中角部邊緣構件劃分對設計合理性及施工便捷性的影響

劉 威，徐春麗，吳 鋒，楊喜梅，武 濤（上海寶冶集團有限公司建筑設計研究院，上海 200941)

1 工程設計概況

1.1 項目概況

本工程由 3 棟 18 層高層住宅、1 棟 11 層住宅、1 棟 4層配套公建、地下車庫、PT/PK 型站及門衛等組成總建筑面積 43 548.55 m2，地上建筑面積 36 681.00 m2，地下建筑面積 6 867.55 m2，其中地下車庫面積為 5 202.37 m2。除地下車庫、PT/PK 型站及門衛外，其余單體均采用裝配整體式混凝土結構。

1.2 結構概況

本工程建筑設計耐久年限 50年，建筑抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度為 0.1 g，設計地震分組為第二組，場地類別為 Ⅳ 類。3 棟 18 層住宅和 1 棟 11 層住宅采用裝配整體式剪力墻結構，1 棟配套公建采用裝配整體式框架結構，抗震等級均為三級。本工程預制構件范圍包括所有剪力墻（標高范圍 5.730～52.130 m）、外圍梁（標高范圍8.630～52.130 m）、外圍非承重墻、部分樓板、陽臺、空調板、飄窗。預制率預計控制在 40% 以上。住宅基礎采用PHC 管樁基礎，配套公建因鄰近地鐵采用灌注樁基礎。

本文選擇 2 號樓右側標準層（標高范圍 5.730～8.630 m）左上角和左下角兩個凸窗兩側剪力墻的邊緣構件作為研究對象，即左上角的 GB Ze 4、YBZe 2 和左下角的 GBZe 6、GBZe 3。通過實際計算分析，詳細討論了 2 種布置方案對剪力墻邊緣構件劃分合理性和 PC 施工便捷性的影響?，F有的建筑平面布置圖和結構剪力墻布置見圖1、2（注：僅選取左上角和左下角作為研究對象）。

圖1 建筑標準層平面圖（mm）

圖2 結構 5.730～8.630 m 墻柱布置圖（mm）

2 設計假定和計算結果輸出

抗震墻的墻肢長度≤墻厚的 3 倍時，應按柱的有關要求進行設計；矩形墻肢的厚度≤300 mm 時，尚宜全高加密箍筋[1]。

當墻肢的截面高度和厚度之比≤4 時，宜按框架柱進行截面設計[2]。

裝配式結構的平面形狀宜簡單、規則、對稱，質量、剛度分布宜均勻；不應采用嚴重不規則的平面布置；不宜采用角部重疊或細腰形平面布置[3-4]。

在本單體中，根據建筑圖紙布置，角部房間凸窗不居中，造成洞口兩邊一側墻肢長度＜墻厚的 3 倍，按規范要求，需要按柱的要求進行設計，尤其是當計算結果數值較大時，按柱單邊配筋，一般都要采用鋼筋三排放置，甚至采用并筋的形式，才能滿足計算結果和配筋要求。

為了響應規范要求，在滿足建筑凸窗尺寸和使用功能的情況下，建議將凸窗居中布置。這樣洞口兩側的墻肢長度相當，受力均勻合理，且墻肢的截面高度和厚度之比均＞4，無需按柱計算設計，后期施工圖配筋更加靈活簡便。

本工程采用中國建筑科學研究院 PKPM 系列軟件(2010 v 3.1 版 PMCAD,SATWE 等)進行結構設計?，F將 2 種結構模型剪力墻在同一位置的計算結果輸出，對比見圖3、圖4。

圖3 左上角計算結果對比

圖4 左下角計算結果對比

根據 2 種結構模型計算結果，剪力墻邊緣構件實際劃分和配筋詳圖如圖5 所示。

圖5 墻柱實際配筋圖對比

從圖5 中明顯看出：原結構布置中，出現較多高厚比＜4，甚至＜3 的墻肢，按照規范規定，按柱單邊配筋的話，鋼筋直徑較大，配筋較多，甚至出現并筋的形式，顯然不滿足裝配式建筑中鋼筋與灌漿套筒配套使用的規定，且灌漿套筒間距也不滿足要求（詳見后續 3.3 節計算），構件生產制作和現場安裝難度較大。居中后，洞口兩側剪力墻高厚比均＞4，再加上配筋計算結果較小，按墻去配筋布置時，鋼筋數量較少，且直徑較小，大大提高了后續模具生產、構件制作和施工安裝效率。

3 邊緣構件劃分和施工可行性分析

3.1 邊緣構件的劃分原則

規范[3]對于邊緣構件預制段和后澆段的劃分如圖6 所示：

圖6 邊緣構件劃分相關規定（mm）

從圖6 中可以看出：

（1）約束邊緣構件的劃分與規范[2]第 7.2.15 條是一致的。

（2）構造邊緣構件的劃分若采用全部后澆時，與規范[1]第 6.4.5 條一致，但與規范[2]第 7.2.16 條是不一致的。本單體為高層建筑，實際劃分應與后者一致，從嚴要求。這樣，邊緣構件在實際施工中，就會存在預制和后澆 2 種形式。

（3）構造邊緣構件的劃分若采用部分后澆時，與規范[1]第 6.4.5 條和規范[2]第 7.2.16 條都是不一致的?？紤]到實際設計中需要滿足預制率 40% 的情況下，多數設計師會在滿足規范[3]的情況下，將邊緣構件劃分為預制和后澆 2 種形式，就必然存在剪力墻邊緣構件中鋼筋豎向有灌漿套筒或漿錨搭接連接形式。

3.2 預制剪力墻中豎向鋼筋連接規定

預制剪力墻中鋼筋接頭處套筒外側鋼筋的混凝土保護層厚度應≥15 mm，預制柱中鋼筋接頭處套筒外側箍筋的混凝土保護層厚度應≥20 mm；套筒之間的凈距應≥25 mm[3]。

縱向鋼筋采用漿錨搭接連接時，對預留孔成孔工藝、孔道形狀和長度、構造要求、灌漿料和被連接鋼筋，應進行力學性能及適用性的試驗驗證。Φ＞20 mm 的鋼筋不宜采用漿錨搭接連接[3]。

上下層預制剪力墻的豎向鋼筋，當采用套筒灌漿連接和漿錨搭接連接時，應符合下列規定[3]：

（1）邊緣構件豎向鋼筋應逐根連接。

（2）預制剪力墻的豎向分布鋼筋，當僅部分連接時（見圖7），被連接的同側鋼筋間距應≥600 mm，且在剪力墻構件承載力設計和分布鋼筋配筋率計算中不得計入不連接的分布鋼筋；不連接的豎向分布鋼筋應Φ≥6 mm。

圖7 豎向鋼筋部分連接示意（mm）

（3）一級抗震等級剪力墻以及二、三級抗震等級底部加強部位，剪力墻的邊緣構件豎向鋼筋宜采用套筒灌漿連接。

3.3 套筒灌漿設計與施工便捷性分析

套筒灌漿連接方式在日本、歐美等國家已經有長期、大量的實踐經驗，國內也已有充分的試驗研究和相關的規程，可以用于剪力墻豎向鋼筋的連接[3]。本工程采用規范建議的套筒灌漿連接方式，根據剪力墻邊緣構件計算結果和套筒實際規格，詳細計算分析了在設計過程中，如何劃分邊緣構件和配筋排布。

上海地區常見的全灌漿套筒規格與鋼筋直徑的關系（上海利物寶建筑科技有限公司產品）如表1 所示。

表1 常見的全灌漿套筒規格

以邊緣構件豎向最小鋼筋Φ12 mm 為例，水平分布筋Φ8 mm，墻厚 200 mm，最小保護層厚度取 15 mm[5]，根據表1 可知，套筒直徑D=44 mm，墻厚方向單排 2 根12 mm 鋼筋，2x44 mm+25 mm + 2x8 mm+ 2x15 mm =159mm＜ 200 mm，滿足。墻厚方向單排 3 根 12 mm 鋼筋，3x44 mm+2x25 mm+2x8 mm+2x15 mm=228 mm＜200 mm，不滿足同等條件和計算方式，所以只能采用鋼筋單排 2 根放置。鋼筋Φ取 28 mm，此時套筒直徑D= 62 mm， 2x62 mm+25 mm +2x8 mm +2x15 mm = 195 mm＜200 mm，滿足。鋼筋Φ取 32 mm，此時套筒直徑D=66 mm， 2x66 mm + 25 mm + 2x8 mm +2x15 mm = 203 mm＞200 mm，不滿足。故得出結論，200 mm 墻厚，當豎向鋼筋采用灌漿套筒連接時，單排只能放 2 根鋼筋，鋼筋Φ≤28 mm。此處注意，抗震墻豎向和橫向分布鋼筋的直徑要求：墻厚的 1/10 ≥Φ≥8 mm[1]，按照此條規定，對于 200 mm 厚剪力墻，鋼筋宜Φ≤20 mm，而最新裝配式規范[3-4]中未提到剪力墻鋼筋直徑最大值的相應規定，故本文中暫且按最大鋼筋Φ28 mm 考慮。

本工程實際預制邊緣構件和普通墻體的豎向鋼筋套筒灌漿連接做法如圖8 所示。

圖8 預制墻豎向套筒連接做法示意

在本單體中，由于凸窗不居中，造成洞口兩邊的 GBZe 6 和 YBZe 2 墻肢長度＜墻厚的 3 倍，需要按柱的要求進行設計，實際配筋采用三排且并筋的形式，才能滿足計算結果和配筋要求。實際套筒灌漿連接，對于 200 mm 厚墻體，單排只能放置 2 根鋼筋，且不能采用并筋，否則跟套筒不配套，所以就造成了設計與實際施工很難協調處理的問題。當凸窗居中布置后，洞口兩側的墻肢長度相當，且墻肢的截面高度和厚度之比均＞4，無需按柱計算設計，計算結果數值較小，設計配筋能很好地滿足套筒灌漿連接的實際要求，達到設計與施工的高度統一，更加合理便捷。

3.4 兩種方案經濟性對比分析

3.4.1 豎向鋼筋

左上角凸窗洞口兩側建立墻計算配筋 1 527 mm2+1 602 mm2=3 129 mm2；

居中后 1 038 mm2+704 mm2= 1 742 mm2；

左上角居中后計算配筋量為原來的 1 742 mm2/3 129 mm2=55.7%；

左下角凸窗洞口兩側建立墻計算配筋 1 319 mm2+494 mm2=1 813 mm2；

居中后 1 109 mm2+680 mm2= 1 789 mm2；

左下角居中后計算配筋量為原來的 1 789 mm2/1 813 mm2=98.7%；

兩片墻肢合計居中后計算配筋量為原來的（1 742 mm2+1789 mm2）/（3 129 mm2+1 813 mm2）=71.4%，節約了 28.6 % 的鋼筋，推廣到全樓，經濟性非常可觀。

3.4.2 水平分布鋼筋

原結構 YBZe 2 計算值為 H 1.7，即墻內設計箍筋間距200 mm 范圍內的箍筋面積（cm2），折算為單側每米范圍內配筋面積為 170 mm2/ 2 / 0.2 = 425 mm2；

GBZe 6 計算值為 H 1.4，即墻內設計箍筋間距 200 mm范圍內的箍筋面積（cm2），折算為單側每米范圍內配筋面積為 140 mm2/2/0.2=350 mm2；

居中后，兩側墻肢計算結果均為 H 1.0，構造配筋，折算為單側每米范圍內配筋面積為 100 mm2/2/0.2=250 mm2；

兩片墻肢合計居中后計算配筋量為原來的（250 mm 2x 2）/（425 mm2+350 mm2）= 64.5%，節約了 35.5% 的鋼筋，推廣到全樓，經濟性亦非常可觀。

4 方案對比分析及經驗總結

經過以上 2 種方案的詳細對比分析，可以得出以下的結論和經驗總結。

（1）結構方案布置的不合理性，對設計計算結果和實際施工均有很大的影響，建議在以后的項目設計中，在前期方案比選時，盡量優化結構布置，尤其是外墻洞口宜居中布置。

（2）對于預制 200 mm 剪力墻，當豎向鋼筋采用套筒灌漿連接時，由于套筒自身與鋼筋相應直徑的配套性、套筒間距及套筒外圍分布筋保護層厚度等的要求，不能采用并筋，且單排只能放 2 根鋼筋，直徑范圍 12～28 mm。

（3）盡量避免出現短肢剪力墻，尤其是高厚比＜4 的墻肢，以防止墻肢過短，計算結果配筋較大，出現并筋或配筋較大而 PC 構件無法制作的情況。

（4）若是實際工程中，不可避免地出現高厚比＜4 的墻肢或某些邊緣構件計算配筋較大時，建議將此部分墻肢或邊緣構件劃分為現澆。這樣豎向鋼筋就無需按灌漿套筒逐根連接，設計也可以采用并筋形式，PC 構件無法制作的情況迎刃而解。

（5）若在實際設計項目中，由于建筑開洞等布局限制，出現高厚比＜4 的墻肢，對于 200 mm 厚剪力墻，結合按柱配筋要求，單排只能放置 2 根鋼筋和連梁鋼筋穿過等情況，墻肢計算值宜≤9 cm2。

（6）外墻洞口居中布置后，由于墻肢高厚比＞4，豎向鋼筋計算值較小，且不用再按照柱子設計配筋，故配筋設計更加靈活，鋼筋直徑普遍較小，相應灌漿套筒也較少較小，能夠更好地滿足 PC 構件制作和施工便捷性要求。

（7）在滿足建筑功能的前提下，合理優化外墻洞口布置，可以大大節約成本。本例中，豎向鋼筋用量節約了28.6%，水平分布筋用量節約了 35.5%，經濟性十分可觀。

5 結 語

住宅產業化是我國住宅建設的發展方向。如何快速實現鋼筋混凝土剪力墻結構住宅產業化，是擺在所有業內人員面前的共同課題，其中，設計是龍頭，更是制約裝配式住宅技術發展的核心問題。

本文結合在做 PC 項目設計過程中遇到的實際問題，提出了設計優化布置方案。經過實際計算，對比分析了 2 種方案的設計合理性、施工便捷性和經濟性，并總結了一些設計經驗，供廣大設計及施工人員參考。