某裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)高層住宅的設(shè)計(jì)

某裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)高層住宅的設(shè)計(jì)

0試點(diǎn)工程的成效近年來，一些省、自治區(qū)、直轄市開始實(shí)施住房產(chǎn)業(yè)化試點(diǎn)和普及工作，一些地方標(biāo)準(zhǔn)和激勵政策相繼出臺。許多房地產(chǎn)開發(fā)企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)單位和施工企業(yè)也加入到了此項(xiàng)工作中,全國各地相繼建成了一批試點(diǎn)工程。北京市建筑設(shè)計(jì)研究院自2007年起,與萬科北京公司合作,在其開發(fā)的商品住宅項(xiàng)目中,選擇了4棟高層和4棟多層住宅建筑作為住宅產(chǎn)業(yè)化工程的試點(diǎn),采用了裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)。其中兩棟住宅已竣工并投入使用,市場表現(xiàn)良好。通過試點(diǎn)工程,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、應(yīng)用技術(shù)集成等方面取得了一些經(jīng)驗(yàn);同時,也發(fā)現(xiàn)了一些問題,特別是在裝配式建筑的建筑體系、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法等方面,應(yīng)特別予以重視和加大研究力度。1外縱墻預(yù)制墻板、現(xiàn)澆剪力墻設(shè)置工程是一棟建筑面積約1萬m2、地上15層、地下1層的板式住宅樓,層高均為2.9m。經(jīng)過與建設(shè)單位研討,確定設(shè)計(jì)原則如下:1)建筑設(shè)計(jì)與精裝修設(shè)計(jì)一體化;2)采用裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系,外縱墻預(yù)制,其他墻現(xiàn)澆;3)建筑平面采用建設(shè)單位提供的市場成熟戶型,由設(shè)計(jì)單位根據(jù)產(chǎn)業(yè)化建造要求進(jìn)行必要的調(diào)整和修改;4)預(yù)制構(gòu)件類型多樣化,在符合經(jīng)濟(jì)性原則的條件下,盡量提高裝配化率。工程抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類,抗震設(shè)防烈度為8度,Ⅱ類場地。層1,2及地下室采用現(xiàn)澆剪力墻,層3~15的外縱墻采用厚200mm的預(yù)制墻板,其他墻體采用厚度為200mm和180mm的現(xiàn)澆剪力墻;樓板采用厚120mm的疊合樓板,其預(yù)制板厚度和現(xiàn)澆疊合層厚度均為60mm,局部在廚房、衛(wèi)生間和管線布置密集的區(qū)域采用厚120mm的現(xiàn)澆樓板。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面見圖1,疊合樓板、預(yù)制陽臺與預(yù)制墻板連接見圖2。2與現(xiàn)澆剪力墻的連接裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)有多種形式,工程采用的裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu),是由預(yù)制鋼筋混凝土墻板(簡稱預(yù)制墻板)和現(xiàn)澆剪力墻通過現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)組合而成。預(yù)制墻板作為結(jié)構(gòu)豎向承重和水平抗側(cè)力體系的組成部分之一,通過在樓層處貫通布置的水平現(xiàn)澆帶,將上下層相鄰預(yù)制墻板連接成為整體;通過在預(yù)制墻板兩側(cè)的豎向現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn),將同層的預(yù)制墻板連接在一起,并與現(xiàn)澆剪力墻連為整體。根據(jù)文的研究顯示,一方面,預(yù)制墻板具有與現(xiàn)澆剪力墻相似的承載能力、屈服機(jī)制和破壞形態(tài);另一方面,預(yù)制墻板與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)之間通過一定的連接構(gòu)造做法,可以使裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)具有與現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)不同的屈服機(jī)制和破壞形態(tài),只要構(gòu)造得當(dāng),裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)同樣可以滿足延性設(shè)計(jì)要求。裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)和以前的“大板結(jié)構(gòu)”相比,可以具備更好的抗震性能和更廣泛的工程適應(yīng)性。而要達(dá)到上述目的,對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施等方面進(jìn)行研究和改進(jìn)是必要的。文中工程最顯著的特征是部分采用了基于性能目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法及與之相應(yīng)的計(jì)算和構(gòu)造措施。2.1抗?jié)B能力及抗沖力根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震防災(zāi)設(shè)防目標(biāo)的要求,結(jié)合剪力墻結(jié)構(gòu)的特征,確定如下結(jié)構(gòu)性能目標(biāo):(1)在正常使用狀態(tài)下(包括風(fēng)、雪、自重等作用),結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài);在預(yù)制墻板及其與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的連接處,不得產(chǎn)生超過規(guī)范規(guī)定寬度的裂縫,預(yù)制墻板及其連接縫應(yīng)具有不低于設(shè)計(jì)使用年限時限要求的抗?jié)B能力。(2)在遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震作用時,主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài);在預(yù)制墻板與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的連接處不出現(xiàn)開裂,預(yù)制墻板沒有損傷。(3)在遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震作用時,允許現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的預(yù)定區(qū)域和構(gòu)件(如連梁)出現(xiàn)局部損傷,允許預(yù)制墻板與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的連接處(豎向和水平縫)出現(xiàn)開裂等損傷,所有構(gòu)件的損傷均應(yīng)可修;預(yù)制墻板一般不屈服。(4)在遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度預(yù)估的罕遇地震(包括主震及其后的余震)作用時,結(jié)構(gòu)不倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞;預(yù)制墻板雖局部出現(xiàn)屈服,但與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的連接(特別是豎向連接)整體不得失效,確保必要的豎向承載能力。(5)預(yù)制墻板及其連接在災(zāi)害(如火災(zāi)、局部爆炸等)發(fā)生時,具有防止結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的能力。2.2在有結(jié)構(gòu)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在方案設(shè)計(jì)階段,結(jié)合建筑設(shè)計(jì)條件,確定適宜的整體結(jié)構(gòu)方案是非常重要的。工程設(shè)計(jì)采取了以下原則:(1)嚴(yán)格控制地基變形,適當(dāng)提高基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的剛度。裝配整體式建筑屬于對地基變形比較敏感的建筑類型,因此應(yīng)避免出現(xiàn)不均勻沉降,盡可能消除地基對上部結(jié)構(gòu)的不利影響。(2)加強(qiáng)地下室結(jié)構(gòu)的剛度和整體性。結(jié)構(gòu)嵌固端設(shè)在地下室頂板,通過調(diào)整墻厚、開洞等辦法,在不影響使用的前提下,保證地下室與首層的剪切剛度比大于2;為了使結(jié)構(gòu)具有較好的變形協(xié)調(diào)能力,特別注意加強(qiáng)地下室結(jié)構(gòu)的整體性。(3)層2及其以下的結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)部位采用現(xiàn)澆剪力墻。目的是滿足剪力墻結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)區(qū)的抗震構(gòu)造,減少預(yù)制墻板的類型,降低連接構(gòu)造的復(fù)雜程度。(4)適當(dāng)提高整體結(jié)構(gòu)的彈性剛度。在小震和中震下,較小的層間位移角有利于發(fā)揮預(yù)制墻板的性能。工程在小震下的最大層間位移角為1/1700,中震下的最大層間位移角為1/650。(5)保證剪力墻具有適度的延性,注意剪力墻墻肢截面形狀的選取,并控制墻肢的軸壓比和剪壓比。一般情況下,要求墻肢截面的長度與墻厚的比值大于10,預(yù)制墻板的墻肢軸壓比在0.35以下,墻體的剪壓比在小震下為0.054、中震下為0.154。(6)選擇適宜的抗震防線。現(xiàn)澆剪力墻中跨高比為1.5~2.0的連梁(主要為內(nèi)墻門洞口上的連梁),當(dāng)具備以下條件時可視為理想的耗能構(gòu)件:1)承擔(dān)較少的樓面荷載;2)兩端有延性較好的墻體;3)位置便于維修。對于這類構(gòu)件采取適當(dāng)?shù)目拐饦?gòu)造措施就可以構(gòu)成抗震設(shè)防的第一道防線;另外,通過預(yù)制墻板與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)之間的水平連接縫開裂,對跨高比小于1.5的連梁采用組合配筋構(gòu)造等措施,使連梁具有一定的延性,起到耗能的作用。2.3結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算模型的驗(yàn)證工程結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算采用了“包絡(luò)設(shè)計(jì)法”,目的是根據(jù)結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的要求,確定抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算模型見表1。通過對計(jì)算結(jié)果的比較和分析,可以得到如下結(jié)果:1)剪力墻能夠滿足模型2的要求;2)現(xiàn)澆墻體邊緣構(gòu)件的設(shè)計(jì)按照模型1和模型3的內(nèi)力取用;3)連梁設(shè)計(jì)按照模型1的內(nèi)力取用;4)預(yù)制墻板與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)按照模型1和模型3的內(nèi)力取用。2.4預(yù)制墻板連接結(jié)構(gòu)的構(gòu)造本工程采用的預(yù)制墻板均為一字形的開洞墻板,典型預(yù)制墻板的模板見圖3。為了減少預(yù)制墻板的配筋類型,在滿足經(jīng)濟(jì)性的同時又符合工業(yè)化生產(chǎn)的要求,工程設(shè)計(jì)參考了20世紀(jì)80年代全裝配大板住宅的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn):在彈性分析的基礎(chǔ)上考慮塑性內(nèi)力重分布,將層3~15預(yù)制墻板的配筋統(tǒng)一為兩種規(guī)格。預(yù)制墻板的設(shè)計(jì)包括如下主要內(nèi)容:(1)洞口兩側(cè)墻肢按照邊緣構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)和構(gòu)造,對預(yù)制墻板底角高度400~800mm范圍內(nèi)的混凝土,采取加強(qiáng)約束的構(gòu)造措施。這個區(qū)域是縱向鋼筋的連接部位,也是預(yù)制墻板塑性屈服的重要部位。構(gòu)造詳圖見圖4。(2)樓層處設(shè)置高度為230mm的水平現(xiàn)澆帶,洞口上部的預(yù)制墻板按照連梁進(jìn)行設(shè)計(jì)和構(gòu)造;墻板內(nèi)連梁與水平現(xiàn)澆帶一起按照組合連梁進(jìn)行設(shè)計(jì)和構(gòu)造;洞口下部的預(yù)制墻板按照圍護(hù)墻進(jìn)行設(shè)計(jì),僅考慮其彈性剛度的作用,見圖5。(3)預(yù)制墻板四周應(yīng)設(shè)置人工粗糙面。試驗(yàn)證明,人工粗糙面是一種簡單易行且連接效果良好的構(gòu)造措施。對于人工粗糙面的要求是:在構(gòu)件加工中,應(yīng)除去表面的水泥漿和砂,外露粗骨料的平均深度在2~6mm為宜,人工粗糙面的粗糙程度可根據(jù)連接性能的要求確定;一般情況,預(yù)制墻板水平連接面的粗糙程度宜大一些。(4)預(yù)制墻板與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的水平連接縫和豎向連接縫的承載力驗(yàn)算可以按照《裝配式大板居住建筑設(shè)計(jì)和施工規(guī)程》(JGJ1—91)和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2001)(2008年版)的相關(guān)要求進(jìn)行計(jì)算,承載力抗震調(diào)整系數(shù)的取值為0.85,上述計(jì)算均未考慮人工粗糙面等有利作用的影響;一般情況下,預(yù)制墻板的水平配筋可以滿足豎向連接縫的承載力要求,不需要增加水平鋼筋;對于水平連接縫,可以通過調(diào)整預(yù)制墻板的縱向連接鋼筋數(shù)量和構(gòu)造以滿足承載力要求;在本工程的設(shè)計(jì)中,預(yù)制墻板豎向連接鋼筋數(shù)量是按照不小于1.1倍的承載力要求確定的。(5)預(yù)制墻板以及水平連接的配筋構(gòu)造均應(yīng)滿足規(guī)范對剪力墻結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)定。(6)工程采用的預(yù)制墻板為結(jié)構(gòu)-保溫-建筑裝飾一體化的復(fù)合墻板,安裝施工中不得采用焊接操作,以避免對建筑保溫層造成損傷。(7)工程預(yù)制墻板豎向鋼筋連接方式采用了直螺紋套筒漿錨連接技術(shù)。在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意直螺紋連接套筒的混凝土保護(hù)層厚度宜適當(dāng)加大,本工程采用的厚度為30mm,且在套筒外側(cè)配有縱向和水平鋼筋,其中水平鋼筋的數(shù)量不宜少于三道。(8)預(yù)制墻板水平鋼筋的連接采用搭接方式。為便于施工安裝,預(yù)制墻板伸出鋼筋采用開口形式,該鋼筋與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的水平鋼筋相互搭接,見圖6。(9)對預(yù)制墻板在脫模、吊裝和固定等階段進(jìn)行驗(yàn)算,并根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果,對構(gòu)件加工、運(yùn)輸、安裝和固定方式等提出要求。圖3中的預(yù)埋件M1,即是根據(jù)在吊裝階段加設(shè)臨時支撐的需要設(shè)置的。這也說明,裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工況應(yīng)當(dāng)包括生產(chǎn)、使用的全過程。(10)對施工復(fù)雜的部位,補(bǔ)充必要的安裝設(shè)計(jì)圖紙,如現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)與預(yù)制墻板連接部位的鋼筋定位、擺放等。(11)裝配式結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中,必須考慮對構(gòu)件在加工→安裝等階段的各種誤差及誤差積累等進(jìn)行全面分析,并采取措施進(jìn)行合理的控制和調(diào)整,避免累積誤差對安裝質(zhì)量的影響。(12)預(yù)制墻板的設(shè)計(jì)尚需滿足建筑裝飾構(gòu)件的連接、裝修部品的安裝和固定、機(jī)電管線的預(yù)留預(yù)埋、以及管線的連接和維修等方面要求,并在預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)中統(tǒng)一考慮。(13)根據(jù)目前常用的施工起重設(shè)備的吊裝能力,預(yù)制構(gòu)件的安裝重量控制在8t以下是可行的,該重量控制值可以滿足開間尺寸在6.6m以下的剪力墻結(jié)構(gòu)住宅的需求。3住宅產(chǎn)業(yè)化技術(shù)本工程采用的預(yù)制構(gòu)件種類較多,包括外墻板、疊合樓板、陽臺板、樓梯、飄窗及建筑分隔和裝飾構(gòu)件等,工程整體的預(yù)制裝配化率達(dá)到25%左右。由于住宅產(chǎn)業(yè)化尚處于起步階段,預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的工業(yè)化屬性還不明顯,工程建造的直接成本也有所增加。即便如此,裝配化的建造方式依然具有工程質(zhì)量高、工期短、環(huán)境效益好和工程綜合成本低等優(yōu)點(diǎn),是住宅建設(shè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。通過試點(diǎn)工程的設(shè)計(jì)實(shí)踐,對于目前遇到的一些問題,也應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視和充分的思考。3.1裝配式建筑設(shè)計(jì)方法需根據(jù)性能目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)由于預(yù)制墻板具有多種連接方式和不同的連接性能,不同類型和體系的裝配式建筑對預(yù)制墻板的連接要求亦不完全相同,這就需要根據(jù)各自的特點(diǎn)和需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。按照完全等同現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)和不考慮預(yù)制墻板的結(jié)構(gòu)功能的做法都是將問題簡單化,對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說都是不經(jīng)濟(jì)和不合理的。建議在有關(guān)裝配式建筑的規(guī)范修編時,在設(shè)計(jì)方法的相關(guān)規(guī)定中適當(dāng)考慮基于性能目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法。如此,將會使裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)具有更加廣泛的適用性和實(shí)用性。3.2住宅產(chǎn)業(yè)化技術(shù)理論指導(dǎo)在住宅建筑領(lǐng)域,產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程自市場化改革以來的十幾年,已經(jīng)發(fā)生了停滯甚至倒退。雖然建筑產(chǎn)品、構(gòu)配件、部品的種類和數(shù)量在急劇增加,但是,這是一種不符合工業(yè)化特征的低效率、粗放型的發(fā)展模式。住宅產(chǎn)業(yè)化要求的是以模數(shù)制和模數(shù)協(xié)調(diào)為基礎(chǔ),將住宅建筑涉及的各項(xiàng)技術(shù)、各類構(gòu)配件、部品和裝飾等有機(jī)地集成在一起,形成符合標(biāo)準(zhǔn)化和系列化的建筑體系。這種建筑體系應(yīng)在符合工業(yè)化特征的基礎(chǔ)上滿足多樣性的需求,并且具有可持續(xù)發(fā)展和自我完善的能力。當(dāng)前的試點(diǎn)工程,建筑設(shè)計(jì)大部分是以市場銷售業(yè)績好的戶型單元為藍(lán)本,只能進(jìn)行小范圍調(diào)整和改動。這就造成了產(chǎn)業(yè)化的先天不足———無法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化,充其量也只是對建造方式的改變,其本質(zhì)是對住宅工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的誤解,工廠化生產(chǎn)+裝配化施工不等于工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化。以這種方式發(fā)展住宅產(chǎn)業(yè)化是不可持續(xù)的。3.3住宅產(chǎn)業(yè)化需要節(jié)約化、國際化、規(guī)范化的方向(1)住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展模式不能滿足社會需求。房地產(chǎn)開發(fā)企業(yè)、設(shè)計(jì)企業(yè)、生產(chǎn)和施工企業(yè)等作為住宅產(chǎn)業(yè)化的主導(dǎo)者和參與者,對實(shí)用技術(shù)和產(chǎn)(部)品的研究開發(fā)較多,而對諸如符合產(chǎn)業(yè)化原則的住宅建筑體系、技術(shù)和產(chǎn)品集成方法等基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性的內(nèi)容研究甚少。這將極大地影響住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向和速度。住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展需要產(chǎn)業(yè)鏈中各個環(huán)節(jié)的緊密聯(lián)系和協(xié)同一致,發(fā)展集研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、建造、營銷等環(huán)節(jié)于一體的住宅產(chǎn)業(yè)化集團(tuán)是一個方向,也是當(dāng)前住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的迫切需要。(2)裝配式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)性研究,特別是在高烈度地震區(qū)的抗震性能研究,滯后于工程建設(shè)的快速發(fā)展?；A(chǔ)性的研發(fā)工作是一項(xiàng)系統(tǒng)的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、循序漸進(jìn)的工作,需要人力、物力和時間的投入。目前,可以采用引進(jìn)和自主研發(fā)相結(jié)合的方式,盡快找到適合國情和地方特點(diǎn)的技術(shù)體系。(3)設(shè)計(jì)觀念、方法和組織形式需要更新和轉(zhuǎn)變。在住宅產(chǎn)業(yè)化中,設(shè)計(jì)企業(yè)需要全面了解產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)的技術(shù)特征,甚至是重要的產(chǎn)品參數(shù)和生產(chǎn)工藝流程等。設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)為:一是對建筑設(shè)計(jì)各領(lǐng)域的發(fā)展和完善,使得建筑產(chǎn)品體系化、系列化;二是對技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行集成和優(yōu)化組合,對成本進(jìn)行產(chǎn)業(yè)鏈的全過程控制;三是對研發(fā)和生產(chǎn)提出目標(biāo)和要求,對新技術(shù)、新產(chǎn)品和新方法進(jìn)行應(yīng)用和推廣。目前的工程設(shè)計(jì)組織方式是不適合產(chǎn)業(yè)化要求的。(4)工程建設(shè)管理規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的程度不能滿足裝配化建造方式的要求。由于缺乏產(chǎn)業(yè)工人和適合工業(yè)化要求的施工企業(yè),現(xiàn)在工程建設(shè)的質(zhì)量水平與已有的施工設(shè)備、技術(shù)等是