某預制空心板剪力墻結構設計

文/中國建筑設計研究院有限公司國住人居工程顧問有限公司 武曉敏 蔡玉龍 楊春林

1 工程概況

某項目位于北京市昌平區南邵鎮，分為57號地塊和70號地塊，兩地塊南北相鄰。本工程包括11棟公租房、30棟商品房、地下車庫及公共服務設施配套，總建筑面積562742m2。其中2棟公租房采用預制空心板剪力墻結構體系，地上15層，地下3層，標準層層高2.8m，建筑高度44.25m；8棟商品房采用預制空心板剪力墻結構體系，地上5～6層，地下2層，標準層層高3.15m，建筑高度16.50（19.65）m。建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果

本工程結構設計使用年限為50年，建筑抗震設防分類為丙類，抗震設防烈度8度（0.20g），設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，地基基礎設計等級為甲級。

2 結構布置

公租房底部加強部位為地上1～2層，主要剪力墻厚200mm，抗震等級為二級；地上4～15層采用預制空心板剪力墻，地上3～15層樓板采用疊合樓板及預制空調板，地上樓梯全部采用預制樓梯。商品房底部加強部位為地上1層，主要剪力墻厚度為200mm，抗震等級為三級；地上全部采用預制空心板剪力墻，地上2層至頂層采用疊合樓板及預制空調板，地上2層及以上樓梯采用預制樓梯。以商品房9號樓為例（以下結構計算分析等均以此樓棟為例），9號樓共2個單元，2個單元為鏡像關系，每個單元為2戶，每戶為鏡像關系。標準層單套型結構平面布置如圖2所示。

圖2 標準層單套型結構平面布置

3 住宅產業化實施

根據項目規劃意見書要求，依據“關于印發《北京市混凝土結構產業化住宅項目技術管理要點》的通知（京建發[2010]740號）”文件的有關規定：建筑高度小于60m時，①應用預制剪力墻外墻板，預制化率不低于50%；②應用預制樓梯；③應用預制（疊合）陽臺板和空調板，預制化率不低于70%；④宜采用預制（疊合）樓板和輕質內隔墻板。本工程豎向構件采用預制剪力墻外墻板及預制剪力墻內墻板，水平構件采用疊合樓板、預制空調板及預制樓梯。

圖3 標準層單套型墻板拆分平面

3.1 預制空心板剪力墻

預制空心板剪力墻是在工廠生產完成的帶有貫通豎向孔及非貫通水平孔的預制剪力墻板，預制剪力墻墻板及預制邊緣構件內的鋼筋網片均為受力鋼筋。剪力墻的豎向及水平向連接均通過在施工現場向豎向及水平向孔內放置豎向搭接鋼筋及水平搭接鋼筋進行間接搭接，孔內豎向及水平向搭接鋼筋均由工廠生產；搭接鋼筋就位后，向孔內及現澆段澆筑比預制剪力墻板強度等級高一級的混凝土，形成裝配整體式剪力墻結構。孔內后插間接搭接鋼筋可避免預制剪力墻板四周預留胡子筋，使預制剪力墻板更易于實現標準化生產，降低構件的生產、運輸、吊裝及現場安裝難度，提高生產及施工效率。標準層單套型墻板拆分平面如圖3所示。

3.2 疊合樓板、預制空調板及預制樓梯

本工程樓板除公共區域及降板處采用現澆，其余位置均采用疊合樓板，預制底板厚60mm，后澆疊合層厚70mm，疊合樓板拼縫采用后澆帶形式，形成現澆整體拼縫，標準層單套型樓板拆分平面如圖4所示。本工程預制空調板均為懸挑構件，采用整體預制，板頂預留負彎矩筋伸入主體結構后澆層的水平段長度不應小于1.2la，且不應小于預制空調板的懸挑長度。預制樓梯為雙跑樓梯，梯段上端及下端均采用固定鉸支座。

3.3 預制化率計算

本工程豎向構件采用標準層豎向預制混凝土體積比計算預制化率，水平構件采用標準層預制混凝土面積比計算預制化率。經計算，9號樓剪力墻板預制化率為56%，樓板預制化率為79%，空調板及樓梯預制化率為100%，滿足“京建發[2010]740號”文件的相關規定。

4 結構整體計算分析

4.1 整體計算

采用與現澆混凝土結構相同的方法進行結構整體計算分析，現澆墻肢水平地震作用彎矩、剪力均乘以1.1的放大系數。本工程采用盈建科建筑結構計算軟件對結構進行多遇地震下的彈性分析，計算結果均滿足國家現行相關規范要求。

4.2 補充計算

1）豎縫受剪承載力計算

參考JGJ 1—91《裝配式大板居住建筑設計和施工規程》第5.0.13條，墻肢豎縫剪力Vj，可按下式計算：

式中，Vj為墻肢在該層的水平剪力；bi為墻肢寬度；h為樓層高度。

取①軸交B～E軸最不利墻肢分析，其在底層的水平剪力設計值為1328kN，由式（1）得，其豎縫剪力為Vj=1.2×3.15/4.3×1328=1167.4kN。

參考JGJ 1—91第6.3.4條，墻板豎向接縫的受剪承載力按下式計算：

式中，nk、nj為接縫中的混凝土銷鍵及節點個數；Ak、Aj為單個銷鍵及節點的受剪截面面積；fjv為銷鍵混凝土的抗剪強度設計值，對于C30鋼筋混凝土墻板取fjv=fv=2.1MPa；ξ為群鍵共同工作系數，接縫中的混凝土銷鍵及節點個數為1～2個時，取ξ=1.00。As、fy為穿過豎向接縫的水平鋼筋水平面積及抗拉強度設計值；γRE為承載力抗震調整系數，對鋼筋混凝土墻板，取γRE=0.85。

豎縫按全截面厚200mm計算，由式（2）得：

豎縫按后澆混凝土厚100mm計算，由式（2）得：

計算結果表明，豎縫受剪承載力滿足要求。

2）水平縫受剪承載力計算

參考JGJ 1—91第6.3.1條，當軸向力為壓力時，水平接縫剪力設計值Vj，可按下式計算：

式中，Vc為混凝土銷鍵及節點的受剪承載力設計值；Vs為穿過水平接縫的豎向鋼筋的剪切摩擦力設計值，應符合要求；VN為軸壓力所產生的剪切摩擦力設計值，當VN≥(Vc+Vs)/2時，取VN=(Vc+Vs)/2；N為相應于剪力Vj的軸壓力設計值；nk、nj為接縫中的混凝土銷鍵及節點個數；Ak、Aj為單個銷鍵及節點的受剪截面面積；fjv為銷鍵混凝土的抗剪強度設計值，對于C30鋼筋混凝土墻板取fjv=fv=2.1MPa；ξ為群鍵共同工作系數，接縫中的混凝土銷鍵及節點個數為1～2個時，取ξ=1.00。

圖4 標準層單套型樓板拆分平面

As、fy為穿過豎向接縫的水平鋼筋水平面積及抗拉強度設計值；γRE為承載力抗震調整系數，對鋼筋混凝土墻板，取γRE=0.85。

取①軸交B～E軸最不利墻肢分析，其在底層的水平接縫剪力設計值Vj=1328kN，按后澆混凝土厚100mm計算，由式（4）得，Vc=0.24×1.00×100×4300×2.1=216.72 kN；由式（5）得，Vs=0.56×360×79×46=732.61kN；由式（6）得，VN=0.3×2440=732kN＞（216.72+732.61）/2=474.67kN，取VN=474.67kN；由式（1）得，Vj=1328kN≤（216.72+732.61+474.67）/0.85=1675kN。

依據JGJ 1—2014《裝配式混凝土結構技術規程》第8.3.7條，水平縫的受剪承載力設計值Vj=1328kN≤（0.6×360×79×46/1000+0.8×2440）/0.85=3220kN。

計算結果表明，水平縫受剪承載力滿足要求。

3）水平縫沿墻板出平面受壓承載力計算

參考JGJ 1—91第6.3.2條，當為實心樓板時，水平縫沿墻板出平面受壓承載力可按下式計算：

式中，N為軸壓力設計值；β1為接點強度降低系數，按芯體、樓板與墻體三者混凝土強度差值大小，取用0.8～0.9；Aas為樓板在墻上的支承面積；A’為后澆混凝土芯體水平面積；fjc為樓板或墻板混凝土抗壓強度設計值，取兩者中較小值。對于鋼筋混凝土大板結構，取fjc=fc；fjc’為芯體混凝土或墻板混凝土抗壓強度設計值，取兩者中較小值。對于鋼筋混凝土大板結構，取fjc’=fc；e0為組合偏心距；t為墻板厚度。

取①軸交B～E軸最不利墻肢分析，其在底層最大軸壓力設計值N=2758kN，偏安全取1-2e0/t=0.3（即僅考慮30%的受壓面積），由式（7）得，N=2758kN≤0.8×14.3×200×4300×0.3/0.85=3472.4kN。

計算結果表明，水平縫沿墻板出平面受壓承載力滿足要求。

5 設計措施

5.1 預制空心板剪力墻豎向連接

通過在剪力墻板豎孔內后插非貫通鋼筋與上下層墻板豎向受力鋼筋間接搭接實現剪力墻板的豎向連接。設計時，考慮豎向鋼筋錯位搭接的影響，后插鋼筋面積取不小于1.1倍墻體豎向鋼筋實配面積，搭接長度較1.2laE提高到1.4laE，且在搭接范圍內，墻體水平鋼筋間距加密為100mm。預制空心板剪力墻豎向連接節點如圖5所示。

5.2 預制空心板剪力墻水平向連接

當剪力墻板接縫位于縱橫墻交接處的邊緣構件區域時，邊緣構件全部采用現澆混凝土，通過在預制墻板水平孔內后插封閉箍筋與現澆邊緣構件箍筋間接搭接實現剪力墻板水平向連接；當拼縫位于非邊緣構件時，相鄰預制墻板通過密拼板縫的形式實現剪力墻板水平向連接，密縫處水平孔內后插封閉箍筋與相鄰預制墻板內的水平鋼筋間接搭接。

圖5 預制空心板剪力墻豎向及水平向連接節點

5.3 樓層處連續水平后澆帶及屋蓋處封閉后澆圈梁設置

為增強結構整體性及穩定性，在樓層處的預制墻板頂面設置連續水平后澆帶，在屋蓋處的預制墻板頂面設置了封閉的后澆混凝土圈梁。節點如圖6所示。

5.4 混凝土澆筑

為減少混凝土的收縮，在預制墻板的孔內澆筑微膨脹混凝土，預制墻板拼縫的現澆段采用補償收縮混凝土。

6 施工措施

1）施工單位應編制詳細的施工組織設計和專項施工方案。施工前應對預制空心板剪力墻增加樣板墻施工，確定工序流程、施工注意事項、操作規范及質量標準，驗收合格后，對工人進行技術培訓后，方可進行樓棟施工。

2）應采取有效措施保證剪力墻板后插豎向及水平向連接鋼筋的準確定位，保證鋼筋錨固長度滿足規范要求，如設置定位鋼筋等。

3）為保證后澆混凝土質量，在選擇后澆混凝土時，宜選擇最大骨料粒徑小于25mm、摻加粉煤灰、坍落度為（200±10）mm的混凝土。

4）后澆混凝土前，應清除結合面上的雜物、浮漿及松散骨料，表面干燥時需灑水潤濕，灑水后不得留有積水；同時對預制空心板剪力墻底部板腿間預留間隙采取防漏漿措施，并對排氣孔進行防護處理。

5）后澆混凝土時，應采用混凝土澆筑導澆槽進行澆筑，澆筑順序為先澆筑預制空心板剪力墻孔洞內及相鄰預制墻板拼接處孔洞內混凝土，后澆筑現澆段模板處混凝土。孔洞內后澆混凝土分2次澆筑，每次澆筑高度為預制墻板高度的一半。首先，逐孔連續澆筑下部混凝土（必須隨澆隨振，逐孔振搗，振搗棒應插至混凝土底部），澆筑時可采用輕質材料作為標尺，插入圓孔內以控制下部混凝土澆筑高度；然后應在下部混凝土初凝前完成上部混凝土澆筑（必須隨澆隨振，逐孔振搗，振搗棒應插入下部混凝土內不小于150mm），兩次澆筑均應在振搗棒相應位置做好標記，嚴格控制振搗棒振搗深度。振搗時，振搗棒應快插慢拔，按序振搗，不得漏振，最終振搗至混凝土上表面無氣泡、無塌陷。振搗作業人員需預先進行專業培訓，培訓合格后方可上崗作業，振搗時，管理人員應旁站管理振搗作業全過程。

圖6 水平后澆帶及后澆圈梁

6）應對后澆混凝土澆筑過程采取監控錄像措施，以防止施工人員違反施工作業規定，為保障后澆混凝土質量提供有效監督與管理。

7 結語

本工程采用預制空心板剪力墻結構體系，預制豎向構件采用預制剪力墻外墻板及預制剪力墻內墻板，預制水平構件采用疊合樓板、預制空調板及預制樓梯。

1）結構整體計算結果表明，結構周期比、位移比、剪重比、層間位移角、樓層彎矩、有效質量系數等均滿足規范要求。

2）對預制墻板豎向拼縫及水平拼縫的補充計算表明，拼縫承載力能夠滿足規范要求，預制空心板剪力墻結構能夠形成裝配整體式剪力墻結構。

3）目前裝配式混凝土結構多采用等同現澆的計算模型，設計時應注重概念設計，根據實際采用的裝配式混凝土結構體系與相應現澆混凝土結構的不同，對關鍵構件及關鍵部位采取適當的加強措施，同時采取有效施工措施，保證計算假定的合理性。