鋼管束混凝土剪力墻在裝配式建筑中的應(yīng)用

劉 永 珍

(大同市二院建筑設(shè)計研究有限責(zé)任公司，山西 大同 037004)

0 引言

國務(wù)院總理李克強(qiáng)在2016年9月14日主持召開的國務(wù)院常務(wù)會議中，談到關(guān)于推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的要求，要大力推廣鋼結(jié)構(gòu)以及混凝土裝配式建筑，提高建筑的安全性能，大力發(fā)展具有節(jié)能環(huán)保的新型產(chǎn)業(yè)，推動去產(chǎn)能等一系列措施。在此大環(huán)境下，杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司和浙江大學(xué)高性能材料與結(jié)構(gòu)研究所在現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，根據(jù)國家《高層混凝土技術(shù)規(guī)程》的理論原理，研究發(fā)明了鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)，填補(bǔ)了鋼結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件只有梁、柱，沒有剪力墻的空白，拓寬了鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中的使用范圍，使得裝配式建筑在使用鋼結(jié)構(gòu)建造時結(jié)構(gòu)更合理，安全系數(shù)更高，舒適性更好，空間利用更合理。

1 鋼管束混凝土剪力墻的組成及形狀

鋼管束混凝土剪力墻是由一個方鋼管和若干個U形鋼組合在一起，形成鋼管束。并在鋼管束的空腔內(nèi)澆筑自密式混凝土后形成墻體。平面形狀一般有一字形，T字形，L形等形狀，一般一片墻的安裝高度為2層～3層層高，約為9 m～12 m。各片連接組裝成全高剪力墻，鋼管束鋼材厚度為4 mm～8 mm。空腔尺寸有130×24×4,150×240×6等多種類型。鋼管束混凝土剪力墻與H型鋼梁聯(lián)結(jié)形成建筑物的承重骨架，取消了普通鋼結(jié)構(gòu)梁柱系統(tǒng)中的柱間支撐桿件，使二次結(jié)構(gòu)砌筑安裝更方便，二次結(jié)構(gòu)墻體的整體性更好。鋼管束混凝土剪力墻平立面圖形狀見圖1，圖2。

2 鋼管束混凝土剪力墻與鋼筋混凝土剪力墻的力學(xué)性能比較

鋼管束混凝土剪力墻是鋼管束和管內(nèi)混凝土組合而成的。混凝土在鋼管內(nèi)是三向受壓狀態(tài)，受壓承載力明顯提高。在地震荷載作用下普通鋼筋混凝土剪力墻保護(hù)層最先開裂，脫落墻斷面急劇減小，承載力降低。而鋼管束混凝土剪力墻最終破壞前的斷面不會減小，承載力不會降低，抗震性能優(yōu)越。以下就幾個方面的性能通過和鋼筋混凝土的比較，簡單介紹一下鋼管束混凝土剪力墻的力學(xué)性能。

2.1 鋼管束混凝土剪力墻厚度與鋼筋混凝土剪力墻厚度的比較

1)鋼管束混凝土規(guī)格按照U240×130×20×4,Q235混凝土標(biāo)號C35計算見圖3。

2)計算參數(shù)。

混凝土Ac=28 633 mm2,鋼材截面面積As=2 487 mm2。

Ac+As=3 114≈240×130=31 500 mm2,AcFc=28 633×16.7=478.17 kN,Asfs=2 481×205=508.62 kN。

混凝土抗壓承載力承擔(dān)的分擔(dān)率為αc=Acfc/Acfc+Asfs=0.485﹤0.7。

3)抗壓強(qiáng)度等效混凝土墻厚。

bc′=Ac+Asfs/240×fc=246.21 mm。

所以130厚鋼管束混凝土剪力墻抗壓強(qiáng)度等效混凝土墻厚度為246 mm。

4)軸壓剛度等效混凝土墻厚度。

EsAc=Ec×31 500=901.94 kN,EsAs=511.098 kN,EcAc+EsAa=1 413.04 kN。

h′=EcAc+EsAs/EcAc=1 413.04/31 500Ec=186.9 mm。

所以130厚鋼管束混凝土剪力墻軸壓剛度等效混凝土墻厚度為186 mm。

通過以上計算可知在相同條件下鋼管束混凝土剪力墻厚度比鋼筋混凝土墻厚度減小20%。在實際工程當(dāng)中可增加裝配式建筑的使用面積。

2.2 鋼筋混凝土剪力墻和鋼管束混凝土剪力墻在不同軸壓比下的滯回曲線比較

1)鋼筋混凝土剪力墻在往復(fù)水平荷載擬地震作用下的滯回曲線見圖4，圖5。

2)鋼管束混凝土剪力墻在往復(fù)水平荷載擬地震作用下的滯回曲線見圖6，圖7。

經(jīng)過滯回曲線的比較，鋼管束混凝土剪力墻的滯回曲線更豐滿，變形能力更強(qiáng)，抗震性能更好。

3 鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在裝配式建筑中的應(yīng)用

3.1 鋼管束混凝土剪力墻在新建大同市體育運動學(xué)校項目的應(yīng)用

3.1.1工程概況

新建大同市體育運動學(xué)校位于大同市御東新區(qū)文瀛湖湖畔，總建筑面積1.3萬m2。建筑單體為3號,4號,5號宿舍樓。采用鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，其中3號樓為5層建筑面積為4 831 m2。建筑高度為22.6 m，采用獨立柱基，鋼筋混凝土外包柱腳。

3.1.2使用鋼管束混凝土剪力墻的優(yōu)點

1)豎向承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置基本和框架結(jié)構(gòu)相同。但是截面尺寸更小，與二次結(jié)構(gòu)的隔墻厚度一致。避免了框架結(jié)構(gòu)柱子截面尺寸較大進(jìn)入室內(nèi)較多，不利于室內(nèi)空間利用的缺點。

2)施工進(jìn)度快，主體承重構(gòu)件為鋼管束混凝土剪力墻，鋼梁，桁架式樓層板等。鋼構(gòu)件部分可在工廠預(yù)制。現(xiàn)場組裝，在土建施工基礎(chǔ)的時候，工廠即可按照上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件預(yù)制，待基礎(chǔ)施工結(jié)束后，即可進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)組裝。避免了現(xiàn)場大量支模工作，及混凝土澆筑，振搗，有效縮短了工期。

3.2 鋼管束混凝土剪力墻在包頭市萬郡大都城三期18號住宅樓項目中的應(yīng)用

3.2.1工程概況

18號住宅樓位于包頭市青山區(qū)，建筑面積3 374 m2，每層建筑面積382 m2，樓長22.68 m，樓寬14.88 m。地下1層，地上34層(2層夾層，33層為住宅)，地下室層高3.1 m，夾層以上每層層高2.9 m。建筑總高度為95.58 m。地下室采用鋼框架結(jié)構(gòu)，主體采用鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

3.2.2鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點

1)本工程采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)低層部分混凝土墻厚度預(yù)計為250 mm～300 mm。而采用鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，墻厚僅為150。墻體部分面積減小30%。使得室內(nèi)空間使用面積增大，提高出房率，性價比較傳統(tǒng)的鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系要好很多，讓居住戶用的實惠。

2)鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)中的水平承重梁均為鋼梁。截面面積較小，自重輕。層數(shù)越高主體結(jié)構(gòu)自重較鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)減小的越多。層數(shù)30層左右主體結(jié)構(gòu)自重即可減小30%，地基基礎(chǔ)的造價降低10%～20%。自重減輕的同時使得地震作用減小。同等條件下鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系本身的抗震性能就優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。所以綜合兩方面的因素，采用鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑物抗震性能優(yōu)越，在高烈度地區(qū)使用效果更為明顯。

3)鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)施工速度快，工期短，鋼管束混凝土剪力墻構(gòu)件在工廠預(yù)制，現(xiàn)場組裝。傳統(tǒng)鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)施工時只有一個工作面。而鋼管束混凝土剪力墻構(gòu)件，每件高度為9 m～12 m。一次安裝即可完成3層～4層。能同時提供3個～4個工作面。而樓板采用自承重式桁架樓層板，樓板不需要支模。能同時在3個～4個工作面上進(jìn)行鋼筋綁扎，電線管敷設(shè)，各種預(yù)留孔洞的施工及混凝土的澆筑施工。所以工期縮短了2倍～3倍。

4 鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)在裝配式建筑中推廣使用的可行性

1)鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)符合國家裝配式建筑對主體結(jié)構(gòu)裝配率的要求，是裝配式建筑中的一種優(yōu)勢結(jié)構(gòu)形式，主體裝配率得分高。更容易達(dá)到裝配式建筑的指標(biāo)要求。

2)鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能好。一方面鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)自重較傳統(tǒng)鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)輕20%～30%，自重輕，地震作用力減小；另一方面，鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的變形能力強(qiáng)，在承受往復(fù)橫向荷載的作用下，鋼管束混凝土剪力墻橫截面面積不會像鋼筋混凝土剪力墻那樣減小。所以鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在承受往復(fù)地震荷載的作用下，滯回曲線飽滿，抗震性能較好。

3)造價方面。

a.鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)鋼材用量大。以包頭萬郡大都城項目為例，含鋼量約為80 kg/m2～90 kg/m2，而一般鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)含鋼量為55 kg/m2～60 kg/m2，則鋼材用量提高造價約10%。

b.鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)自重輕，基礎(chǔ)筏板厚度減小，配筋量減小，基礎(chǔ)部分造價可降低10%左右。

c.鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)梁為H型鋼，樓板采用桁架式自承重樓層板，不需要支架模板，同樣可以降低造價。

d.施工工期短。主體結(jié)構(gòu)工期可節(jié)省1/2時間，減小了管理及其他人工成本。

e.鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)安裝完成后工人在內(nèi)部施工，不需要外維護(hù)鋼管架或爬架，這也可降低成本。

綜合以上各項，鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)造價略高于現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，低于裝配式鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。

總之，根據(jù)以上論述，推廣使用鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)利大于弊。這種結(jié)構(gòu)形式有推廣使用的可行性和必要性。