SGBL 裝配式剪力墻的力學性能與一體化建造研究

劉海靜

（張家口市住房和城鄉建設局，張家口 075000）

1 前言

隨著碳中和、碳達峰戰略在建筑產業的逐步落實，為大力發展綠色建筑，提升建造的綠色環保水平，裝配式剪力墻結構逐步開始發展起來。由于裝配式剪力墻結構具有模數統一、可在工廠內統一預制，其生產過程的碳排放水平明顯較低，是建筑節能的主要發展方向。目前，我國的裝配整體式剪力墻結構主要采用剪力墻身在工廠預制，運輸到現場之后，通過預埋的套筒與下層剪力墻之間建立灌漿套筒連接，并在現場澆筑剪力墻邊緣構件。大量的實踐已經證明裝配式剪力墻結構的可行性與優越性。然而，裝配式剪力墻上下層鋼筋之間的連接在實際施工中存在著兩大難點：

（1）下層鋼筋與預埋套管之間的對接難度較大，很難一次性對準，同時對工人的施工工藝要求也較高。

（2）灌漿連接的質量難以得到有效保障，從而導致剪力墻結構的整體性存在缺陷，嚴重時甚至會影響剪力墻結構的抗側剛度，從而造成安全事故。為了解決這些問題，學術界、工程界也展開了大量的研究，并先后提出了機械連接等新型連接方法，但是由于傳統裝配式剪力墻墻身鋼筋多而細、施工空間狹小等因素，一直難以從根本上解決這一問題。

近年來，隨著混凝土材料的發展以及有限元仿真計算精確性的提升，陸續有學者提出可以直接將傳統剪力墻墻身豎向分布鋼筋在樓面處直接截斷，并加大邊緣構件配筋，從而從根本上解決施工難題。隨著研究的逐步拓展，在同濟大學、中建八局等單位的協同配合下提出了一種剪力墻豎向分布筋不連續的裝配整體式剪力墻結構（SGBL 裝配式剪力墻），并已經被應用在實踐中，但應用規模尚不足10 萬平方米。為了進一步驗證此種結構形式的有效性，在本文的研究當中采用“理論+實踐”的方式對SGBL 裝配式剪力墻結構的力學性能進行了分析。此外，為了提升SGBL 裝配整體式剪力墻建造的綠色節能水平，還對其一體化建造技術進行了分析，以期通過管理技術的創新來降低生產能耗。

2 SGBL 裝配整體式剪力墻的力學性能分析

2.1 SGBL 裝配整體式剪力墻的力學設計原理

剪力墻結構由墻身與邊緣構件兩部分組成，在豎向荷載作用下，二者均受壓力，但由于鋼筋的抗壓強度并不明顯強于混凝土，因此，在墻身內部配置大量的鋼筋并不合理。在水平地震力作用下，剪力墻為壓彎構件，兩邊的邊緣構件形成抵抗彎矩，剪力墻墻身對于結構的抗側力也沒有明顯的作用。因此，從理論上來看，剪力墻墻身的分布鋼筋對于結構的承載力并不存在突出貢獻，因此，適當削弱墻身分布筋配置在理論上具有可行性。但考慮混凝土開裂、收縮徐變等因素，完全取消剪力墻墻身分布筋也是不合理的。為解決裝配式剪力墻豎向鋼筋灌漿套筒等連接方式的不便性，考慮將墻身豎向分布筋在樓層拼接處截斷，并采用坐漿連接剪力墻墻身，同時加大邊緣構件配筋的方式來建造一種新型剪力墻結構，此種結構即為SGBL 裝配整體式剪力墻結構。

2.2 SGBL 裝配式剪力墻構件承載力分析

關于剪力墻墻身豎向分布筋的連接問題，我國現行規范沒有對此給予明確的說明，只有《高層建筑混凝土技術規程（JGJ 3-2010）》第7.2.8 條中在計算剪力墻墻身承載力時對剪力墻分布筋的配置提出了一定的要求，但也沒有明確要求豎向必須搭接。為了對SGBL 裝配式剪力墻的承載力進行分析，基于anasys 軟件建立了有限元分析模型，對豎向分布筋連續與不連續兩種剪力墻的受壓承載力進行了計算，結果如下圖1 中所示，從中可以發現，SGBL 裝配式剪力墻與傳統裝配式剪力墻的豎向承載力沒有被明顯削弱。

圖1 SGBL 裝配整體式剪力墻承載力分析

2.3 SGBL 裝配式剪力墻結構的性能分析

實際上，在剪力墻結構中，剪力墻構件作為主要的抗側力構件，是影響結構性能的重要因素。為此，不僅需要從承載力的角度出發來分析構件性能，還需要對結構的整體進行多全面評價。在本文的研究當中以某一傳統裝配式剪力墻結構有限元模型為基礎，基于盈建科的裝配式設計模塊將剪力墻的連接改為豎向分布筋不連接，從而對兩個模型的計算結果進行對比分析。該工程項目為抗震設防烈度為7 度（0.1g），層高2.9m，共計11 層，建筑高度31.9m，體型規則性滿足《高規》中的相關規定，均未發生超限，相關計算結果如表1 中所示。

表1 抗震性能對比分析

從下表中的統計數據中可以發現，在三階段抗震設防設計中，將傳統灌漿套筒連接裝配式剪力墻方式改為SGBL 裝配式剪力墻，其層間位移比并未發生明顯增大，這說明結構的抗側力水平基本保持不變，即SGBL 裝配式剪力墻與傳統采用灌漿套筒連接的裝配式結構在抗側力性能方面并未發生明顯削弱。

此外，從結構的破壞形態來看，SGBL 裝配整體式剪力墻的延性與灌漿套筒連接的裝配式剪力墻并無明顯差異，從理論上來看，剪力墻身混凝土的塑性破壞可能更有利于提升的耗能，從而保障結構在地震力作用下的變形。

3 SGBL 裝配整體式剪力墻的一體化建造

裝配式剪力墻由于采用工廠預制、現場拼接施工等方式，不僅提升了結構的成型質量，同時工廠內的規模化生產有效降低了生產成本與能耗，從而實現了綠色建造的重要目標。SGBL 裝配式剪力墻由于通過調整約束邊緣構件配筋的方式解決了傳統裝配式剪力墻灌漿套筒連接方式的缺陷，提升了項目的裝配率，其一體化建造技術也更為復雜，同時綠色建造水平也能得以大幅度提升。為進一步探索SGBL 裝配式剪力墻一體化建造技術，在本文的研究當中以某一具體項目為例展開了研究與分析。

3.1 標準化設計

裝配式結構生產能耗較低的根本原因在于工廠內的流水線化構件制造能夠更好地控制成本，提升質量。采用工業化的生產方式來替代現場施工，其環保效能與工業化規模密切相關，只有裝配式剪力墻構件的預制規模越大，則其成本與能耗就越低。

在建筑產業中，設計是生產的起點，SGBL 裝配式剪力墻結構設計應遵循“少規格、多組合”的基本設計原則，減少構件的規格數量，盡量通過組合的方式來構建完整的剪力墻墻肢，從而達到提升模板利用率、降低人工成本的目標。具體而言，結構工程師在進行SGBL 裝配式剪力墻結構設計中應全面貫徹構件的模數化、通用化、標準化設計方法，提升構件的通用性，降低構件的種類數量。

下圖2 為該SGBL 裝配式剪力墻預制構件布置圖，該項目的結構體系在方案設計階段就強調了標準化設計思路，充分考慮了設計、施工等多方面的要素，遵循了模數化設計的根本思路。從中可以發現，該項目的預制墻板規格只有3 種，門窗規格則有6 種，整體規格相對較少，從而在一定程度上降低了工廠預制的難度與成本。從圖3 中也可以發現，通過拼接的方式也能有效組合出與初始結構設計相匹配的剪力墻墻身布置。在該項目當中預制墻體共計需要132 塊，預制門窗為265 塊，構件的連接應按照標準化的節點連接方法。

圖2 剪力墻預制構件布置圖

3.2 自動化生產

SGBL 裝配整體式剪力墻由于豎向分布筋只分別在兩側保留兩根，這就導致剪力墻預制構件的工廠預制效率也能得以大幅度提升。在該項目當中，為了進一步提升生產以及后期現場預制拼裝施工的難度，還強化了信息編碼、物聯網等現代化信息技術應用，以自動化理論為基礎對預制墻體工藝進行分解，并通過RFID 技術等進行自動識別，從而提升自動化生產水平。由于SGBL 裝配式剪力墻相較于傳統的預埋套管的剪力墻構件更為簡單，可以直接對傳統的預制剪力墻生產線進行改造升級即可直接使用。

3.3 裝配化施工

便捷的裝配化施工是裝配式剪力墻結構最大的特征，由于取消了豎向分布筋的連接，SGBL 裝配式剪力墻只需要在兩側將下層預留插筋插入到上層剪力墻墻身底部的預留盲孔之中即可，底部連接則采用坐漿連接，從而大幅度降低了施工難度。由于預制構件吊裝會造成應力集中以及荷載偏置，從而導致構件的受力方式發生突變，因此，應按照設計要求完成吊裝運輸。在進行裝配施工之前，應制定完善的施工方案與流程，并對具體的施工參數進行完善與修訂，并要求施工技術人員必須在現場監督并給予工人必要的指導，確保套筒與鋼筋對接的精準性與坐漿連接的可靠性。為了確保預制剪力墻墻身的精準定位，在該項目當中還設計了一套智能化調直設備，通過該設備能夠精準定位墻體、調直鋼筋，從而加速裝配施工效率。

4 結論

隨著建筑產業升級的不斷發展，裝配式剪力墻結構在高層建筑，尤其是居住類住宅建筑中的應用將得以進一步提升，SGBL 裝配式剪力墻解決了傳統剪力墻豎向鋼筋連接施工的難題，也符合剪力墻結構的基本力學性能要求，可以在實踐中進行大力推廣，從而推動綠色建筑產業的轉型升級。從綠色建筑深化發展的需求來看，SGBL 裝配式剪力墻結構還存在進一步發展的空間，從目前來看主要包含如下幾個方面：

4.1 BIM 技術的深度融合

SGBL 裝配整體式剪力墻與結構由于預制化程度較高，且具備信息化施工需求，加強BIM 技術的應用能進一步提升生產建造效率。

4.2 預制范圍的深度拓展

目前，SGBL 裝配式剪力墻的預制構件使用范圍依然集中在主體結構方面，未來應進一步加大外部節點、線條構造以及給排水、暖通預留管道等預制預埋一體化施工技術應用。

4.3 加快裝配式構件拼接設備研發與應用

鑒于裝配式剪力墻施工拼接的難題，應以機械、自動化等專業為引領，加快施工輔助裝置設計研發。