預制減重塊混凝土墻板對裝配整體式剪力墻結構剛度的影響分析

葉 森 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230032）

0 前言

裝配式混凝土建筑是指以工廠化生產的混凝土預制構件為主，通過現場裝配的方式設計建造的混凝土結構類房屋建筑［1］。目前，我國建筑產業化發展迅速，住宅產業化進程越來越快，穩步發展。裝配整體式剪力墻結構體系應用越來越多，而預制內、外墻混凝土板是裝配整體式剪力墻結構體系中的最重要的組成部分之一。為了減少現場澆筑混凝土等濕作業施工，進一步提高混凝土墻的預制率，因此，部分預制內、外墻板采取工廠預制成型的方式。部分代替非受力構件的預制墻板，雖然預制墻板中間規則的添加布置了減重塊等措施，但是由于預制構件代替了原先砌筑隔墻，此部分變成了鋼筋混凝土構件，結構本身的剛度會不同程度的增加，從而導致結構計算時地震力作用變大。在采用常規計算軟件整體模型計算時，因無法考慮裝配式剪力墻結構中代替原先砌筑隔墻的預制構件剛度，從而造成了軟件模型計算的失真，以常規軟件方式計算可能會導致結構在地震作用下不安全，因此需要對裝配整體式剪力墻結構體系中預制墻板對結構本身的剛度影響進行進一步分析和研究。

1 預制減重塊混凝土墻板

填充墻作為剪力墻結構中最主要的非結構構件，對結構的受力性能有著重要的影響。在常規現澆混凝土剪力墻結構中，填充墻一般在主體結構澆筑完成后二次施工，采用的砌體強度較低，因此在地震作用下往往首先發生破壞，并耗散部分地震能量，填充墻退出工作后，對結構的受力性能影響降低。而在預制剪力墻結構中，為方便施工，目前的一種常見做法是將預制剪力墻和填充墻作為一塊整板在工廠預制。此時，為了減輕自重，降低填充墻的剛度和強度以減小其對結構受力性能的影響，往往在填充墻內設置厚度約為填充墻厚度一半左右的減重材料（聚乙烯泡沫塑料板等），即預制減重塊混凝土墻板。

但是在結構設計過程中，填充墻通常時被作為非結構構件進行設計而忽略了填充墻的剛度、強度等對結構整體性能的影響。美國FEMA-356規范明確規定：對填充墻的計算模型，需要考慮填充墻對結構的強度和剛度貢獻，可以采用斜撐桿模型來模擬計算。我國是采用經驗公式法來計算基本周期，然后考慮填充墻對整體剛度的影響，對周期進行折減。《裝配式混凝土建筑技術標準》中對結構地震作用計算周期折減系數取值有規定：內力和變形計算時，應計入填充墻對結構剛度的影響。當采用輕質墻板填充墻時，為了考慮其對結構剛度的影響，可采用周期折減的方法；對于剪力墻結構，周期折減系數可取0.8～1.0；對于框架結構，周期折減系數可取0.7～0.9。

2 工程實例模型計算結果分析對比

2.1 工程概況

某安置房小區住宅產業化項目，住宅單體樓采用裝配整體式剪力墻結構，單體建筑最高層數為30層，住宅部分自構造邊緣構件層開始采用裝配式結構，預制裝配率不低于50%。預制構件種類包含預制疊合板、預制PCF板、預制樓梯、預制空調板、預制板式陽臺、預制樓梯隔墻、預制外墻、預制內墻等，預制外墻窗下墻部分及預制內墻采用內部設置減重塊的預制混凝土墻。其中某一戶型深化平面圖如圖1所示。

2.2 結構模型計算結果對比

本項目結構模型計算采用盈建科YJK建筑結構設計軟件，以其中某一30層單體住宅樓結構計算模型為例，對兩種模型計算結果進行對比。對于含有門窗洞口的預制剪力墻板，將窗下墻與兩側的剪力墻作為一個整體共同預制。此時，窗下墻不再是傳統意義上的非結構構件，而是作為結構構件參與結構受力。當窗下墻與下層連梁間未通過連接鋼筋進行有效連接時，可視為并列布置的“雙連梁”。與僅有單根連梁的情況相比，雙連梁的剛度和承載力均大幅增加。即使在窗下墻中設置部分減重材料，其對結構受力性能的影響仍不可忽略。因此，模型1采用普通剪力墻結構，荷載按預制墻板等實際重量計算，考慮在同一層內既有現澆混凝土墻板，又有預制混凝土墻板，現澆剪力墻水平地震作用下計算采用的彎矩、剪力宜乘以不小于1.1的增大系數，抗震設計時，全樓統一地震作用放大1.1倍；模型2為模擬預制減重塊混凝土墻板剛度，預制外墻非剪力墻部分采用120mm厚剪力墻開洞模型，洞口按門窗實際尺寸，預制內墻非剪力墻部分采用100mm厚剪力墻模型。模型部分計算結果對比如下表所示。

剛度及剛重比計算結果對比 表1

周期比、剪重比及位移角計算結果對比 表2

表1中，RJX1，RJY1表示結構總體坐標系中塔的側移剛度和扭轉剛度(剪切剛度)，RJX3，RJY3表示結構總體坐標系中塔的側移剛度和扭轉剛度(地震剪力與地震層間位移的比)，剛度參數選取其中15層計算結果作為參考。從表中可以看出模型2地震作用下剪切剛度有所增加，側移剛度、扭轉剛度及剛重比相比模型1增加較多。周期比、剪重比及位移角計算結果對比如下表2所示。

從表2中可以看出模型2地震作用下周期比、位移角均相比較小，剪重比相比較大，從而可以進一步得出模型2剛度相比較大的結論。雖120mm厚或100mm厚剪力墻模擬無法反映預制減重塊混凝土墻板真實剛度，分析模型與結構的實際受力情況也不盡相同，但可發現預制減重塊混凝土墻板對主體結構剛度影響確實很大。

2.3 剛度分析

從上述對比模型計算的結果中可以發現，原先現場砌筑的填充墻改為預制構件后改變了結構本身的受力性能，如果仍然按照填充墻作為非結構構件計算模型計算分析，就不能真實的反映結構本身的受力狀態，包括構件其本身的受力特點，即使采用布置了預制減重塊的混凝土墻板，其仍然具有較高的強度和剛度。雖然預制外墻窗下墻部分及預制內墻非剪力墻部分規則的布置了減重塊，但是此部分代替的鋼筋混凝土構件極大的提高了結構本身的剛度，在模型計算分析時，結構整體剛度的增加導致了結構地震作用加大。在裝配式剪力墻結構地震作用計算分析時，因無法考慮這部分新增加的剛度，從而造成了軟件模型模擬計算的失真，這樣就可能會導致結構在地震作用下產生不安全的因素。因此，裝配整體式剪力墻結構體系在結構設計時，應考慮局部預制減重塊混凝土墻對結構剛度計算的影響，需要對其剛度影響的量化進行進一步分析研究。

4 結論

隨著國家對住宅產業化的不斷推廣和發展，在裝配整體式剪力墻結構中，往往將門窗洞口與剪力墻作為一個整體預制，即將窗下墻與兩側的剪力墻作為一個整體共同預制，從而進一步提高構件預制率和施工效率；另外，為了提高建筑整體預制率等，建筑內部普通隔墻也會做一部分預制內墻板。這些預制混凝土墻板極大的提高了結構整體的剛度，從而導致結構地震作用加大，若設計時不考慮局部預制減重塊混凝土墻對結構整體剛度的影響，那么計算模型與實際結構的受力情況并不相符，這樣結構在地震作用下可能會產生不一樣的破壞模式。因此，裝配整體式混凝土剪力墻結構局部預制減重塊混凝土墻對結構整體剛度的影響較大，不能忽略，裝配整體式剪力墻結構體系在實際應用中需要合理的理論分析，以及反復的試驗研究，預制減重塊混凝土墻對主體結構剛度等抗震性能的影響需要進一步分析研究。