裝配式框架-支撐-少量剪力墻結構抗震性能及經濟性分析

唐麗娜，周 練，李英磊

(1. 四川省建筑設計研究院有限公司，四川成都 610000； 2. 四川省建筑工業化工程技術研究中心，四川成都 610000； 3. 新南威爾士大學土木與環境工程系，悉尼 201101)

裝配式建筑是解決傳統建筑業建造模式粗獷、加速建筑產業轉型升級、推動建筑工業化進程的重要抓手。目前，我國裝配式混凝土建筑主要采用裝配式框架結構體系和裝配式剪力墻結構體系。其中，裝配式框架結構體系的構件設計、生產、運輸相對簡便，空間布置靈活，但抗側剛度較弱，建筑高度受限；而裝配式剪力墻結構體系抗側剛度較大，抗震性能好，是目前我國裝配式高層住宅建筑的主要結構體系。但是，裝配式剪力墻結構體系中的預制剪力墻有自重大、三面出筋、連接鋼筋眾多且復雜等缺陷導致生產施工困難、施工質量不易保證、建造成本高等問題，不利于其在裝配式建筑中的推廣應用。

為了解決裝配式剪力墻結構體系中預制剪力墻的存在的問題，本文提出采用支撐代替部分剪力墻方法，在裝配式高層住宅建筑中引入裝配式框架-支撐-少量剪力墻結構體系(簡稱“FFBS體系”)，在保證裝配式高層住宅建筑抗震性能的基礎上，簡化裝配式建筑的設計、生產、施工，降低建造成本。進一步地，本文對FFBS體系的適用高度進行分析，對某高層住宅工程分別采用FFBS體系和裝配式剪力墻結構體系，對比研究FFBS體系的抗震性能和經濟性，驗證其適用于裝配式高層住宅建筑的可行性。

1 FFBS體系特點分析

FFBS體系是以裝配式混凝土框架結構為主體，在部分框架之間合理地設置鋼支撐(或耗能構件)、在建筑垂直交通空間(如電梯井)周圍布置少量現澆剪力墻，并輔以疊合梁、疊合板等預制構件所構成的裝配整體式集成結構體系。其中，框架結構作為主要豎向受力構件，鋼支撐和少量剪力墻作為主要的抗側力構件，少量剪力墻的設置在滿足垂直交通空間整體性的同時增加結構抗側剛度。

FFBS體系結合了框架結構的空間靈活性和施工速度快、剪力墻結構整體性好的優點，具有如下優點：

(1)該體系屬于雙重抗側力結構體系，抗震性能好。支撐和少量剪力墻是第一道防線，框架是第二道防線，由于支撐一般不承擔豎向荷載，支撐產生屈曲或破壞后不影響結構承擔豎向荷載的能力，不致危及結構的基本安全。

(2)采用鋼支撐(或耗能構件)代替剪力墻，保證結構抗側剛度的同時，降低預制構件的設計、生產、施工難度，提高設計、生產、施工效率，降低建造成本，工程質量易得到保證。

(3)現行國家標準GB/T 51129-2017《裝配式建筑評價標準》[1]中將支撐作為裝配式建筑中主體結構的裝配率評價項，因此，FFBS體系采用鋼支撐，在簡化設計、生產、施工的同時，也能有效地提高建筑裝配率。

(4)該體系有效地規避了設置剪力墻對建筑套內空間靈活使用的影響，可滿足個性化的建筑生活空間需求，也為后期家庭成長性需要提供改造的機會，契合可持續發展理念。

2 FFBS體系的適用高度分析

由GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》中第G.1.1條可得[2]，鋼支撐-現澆鋼筋混凝土框架體系的適用高度不宜超過現澆混凝土框架結構和現澆鋼筋混凝土框架-抗震墻結構二者最大適用高度的平均值。同理，FFBS體系的適用高度不宜超過裝配整體式框架結構和裝配整體式框架-現澆剪力墻結構二者最大適用高度的平均值。則根據JGJ 1-2014《裝配式混凝土結構技術標準》[3]對裝配整體式框架結構和裝配整體式框架-現澆剪力墻結構適用高度的規定，在合理支撐布置、可靠的節點連接方式以及合理的構造措施下，FFBS體系的適用高度可參見表 1。

表1 FFBS體系最大適用高度 m

3 抗震性能分析

對某高層住宅工程分別采用FFBS體系和裝配式剪力墻結構體系，進行彈性反應譜計算，對比研究FFBS體系的抗震性能。

本工程位于成都市的丙類建筑。其平面長度(X向)為25.9 m，寬度(Y向)為13.6 m；層高3.0 m，共28層，總高度為84.0 m。其抗震設防烈度為7度(0.10g)，設計地震分組為第三組，建筑場地類別為Ⅱ類場地，特征周期Tg=0.45 s；基本風壓0.3 kN/m2，地面粗糙度類別為C類；恒載取為4.0 kN/m2(不含樓板自重)，活載取為2.0 kN/m2。兩種結構體系的布置如圖 1和圖2所示，結構構件參數見表2～表4；其中，KL1為沿X方向的框架梁或連梁，KL2為沿Y方向的框架梁或連梁、CL為次梁，為了保證具有可對比性，兩種體系同類型構件截面參數均保持一致；樓板的厚度均為120 mm。FFBS體系采用人字形鋼支撐、截面大小為φ135 mm×30 mm(Q235B)；由于建筑Y向相對于X向平面尺寸較小，剛度較弱，故支撐分別設置在各層的①和軸上。

圖1 剪力墻結構平面布置

表2 框架柱的截面參數 mm

表3 梁的截面參數 mm

(a)結構平面布置

(b) ①和軸支撐立面布置圖2 FFBS體系布置

兩種結構體系的多遇地震下彈性反應譜計算結果見表 5所示，層間位移角如圖 3所示，由圖表可得：FFBS體系和剪

表4 剪力墻的截面參數 mm

表5 多遇地震下彈性反應譜計算結果

(a)X方向

(b)Y方向圖3 層間位移角對比

力墻結構體系的周期比、扭轉比、剪重比、剛重比、樓層抗剪承載力、層間位移角等參數均滿足規范要求，能滿足高層建筑抗震要求；而FFBS體系的總質量較小，節約建造成本的同時更利于減輕地震響應。

4 經濟性分析

上述工程總建筑面積均為9 962 m2，對兩種體系的混凝土用量和鋼筋用量進行統計，見表 6和表 7。可得：在FFBS體系與剪力墻結構體系均能滿足高層建筑抗震要求且相應混凝土構件截面、配筋相同的情況下，FFBS體系的混凝土用量與鋼筋用量分別比剪力墻結構體系節約10 %和23 %。

表6 混凝土用量比較 m3

表7 鋼筋用量比較 kg

裝配式建筑的設計方案和構件的標準化、預制構件的機械化生產和施工安裝的水平等影響裝配式建筑成本。同時，隨著裝配率的提高，設計、生產和施工的難度均增大。對裝配式剪力墻結構體系和FFBS體系的實施難度進行對比(表8)。

由表8可知，FFBS體系除了節約建材，在設計、生產、施工方面，相對于裝配式剪力墻結構還具有如下經濟優勢：

表8 建造難度和經濟性比較

(1)在高裝配率情況下，預制剪力墻深化設計工作量較大，而FFBS體系的預制構件更易標準化。

(2)鋼支撐相對于預制剪力墻構件自重小，降低對生產、運輸、吊裝設備的要求。

(3)預制剪力墻三面出筋，生產模具開洞復雜，即使同一尺寸的剪力墻，配筋不同，生產模具也不同，生產效率低，模板耗材大，同時三面出筋需要特殊的吊裝、運輸保護措施，故生產運輸成本高。而鋼支撐構件簡單、標準化程度高，可有效地節約生產成本低。

(4)預制剪力墻采用鋼筋套筒灌漿連接，連接費時費力，對工人技術要求高，同時鋼筋套筒和專用灌漿料昂貴；而鋼支撐可采用螺栓快速裝配連接，節約施工成本。

(5)FFBS體系能有效地提高設計、生產、施工效率，能縮短建設資金的周轉周期，創造更多的經濟價值。

綜上，FFBS體系相對于裝配式剪力墻結構體系，具有較好的經濟性。

5 結論

裝配式剪力墻結構體系是我國目前高層裝配式住宅中常用的結構體系，而預制剪力墻自重大、三面出筋、連接鋼筋眾多且復雜等缺陷導致生產施工困難、施工質量不易保證、建造成本高等問題，針對這些情況，本文采用鋼支撐代替部分剪力墻的方法，在裝配式高層住宅建筑中引入FFBS體系，對FFBS體系的適用高度進行了分析，并對某高層住宅工程分別采用FFBS體系和裝配式剪力墻結構體系，對比研究了FFBS體系的抗震性能和經濟性，主要結論如下：

(1)在合理的支撐布置、可靠的節點連接方式以及合理的構造措施下，FFBS體系的適用高度可達到裝配整體式框架結構和裝配整體式框架-現澆剪力墻結構二者最大適用高度的平均值。

(2)在合理的支撐布置下，FFBS體系能滿足高層建筑的抗震要求，又能滿足高層住宅的套內空間靈活使用需求；同時，設置支撐既可有效調節結構剛度。

(3)FFBS體系較裝配式剪力墻結構體系，可節約建材，同時預制構件自重輕、標準化程度高、設計-生產-施工簡易，能有效地提高設計、生產、施工效率，縮短建筑建造周期，經濟性較好。