裝配式框架-支撐-少量剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能及經(jīng)濟(jì)性分析

唐麗娜，周 練，李英磊

(1. 四川省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610000； 2. 四川省建筑工業(yè)化工程技術(shù)研究中心，四川成都 610000； 3. 新南威爾士大學(xué)土木與環(huán)境工程系，悉尼 201101)

裝配式建筑是解決傳統(tǒng)建筑業(yè)建造模式粗獷、加速建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、推動(dòng)建筑工業(yè)化進(jìn)程的重要抓手。目前，我國(guó)裝配式混凝土建筑主要采用裝配式框架結(jié)構(gòu)體系和裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系。其中，裝配式框架結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸相對(duì)簡(jiǎn)便，空間布置靈活，但抗側(cè)剛度較弱，建筑高度受限；而裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)剛度較大，抗震性能好，是目前我國(guó)裝配式高層住宅建筑的主要結(jié)構(gòu)體系。但是，裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系中的預(yù)制剪力墻有自重大、三面出筋、連接鋼筋眾多且復(fù)雜等缺陷導(dǎo)致生產(chǎn)施工困難、施工質(zhì)量不易保證、建造成本高等問(wèn)題，不利于其在裝配式建筑中的推廣應(yīng)用。

為了解決裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系中預(yù)制剪力墻的存在的問(wèn)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(jié)構(gòu)體系(簡(jiǎn)稱“FFBS體系”)，在保證裝配式高層住宅建筑抗震性能的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化裝配式建筑的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工，降低建造成本。進(jìn)一步地，本文對(duì)FFBS體系的適用高度進(jìn)行分析，對(duì)某高層住宅工程分別采用FFBS體系和裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系，對(duì)比研究FFBS體系的抗震性能和經(jīng)濟(jì)性，驗(yàn)證其適用于裝配式高層住宅建筑的可行性。

1 FFBS體系特點(diǎn)分析

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

FFBS體系結(jié)合了框架結(jié)構(gòu)的空間靈活性和施工速度快、剪力墻結(jié)構(gòu)整體性好的優(yōu)點(diǎn)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)該體系屬于雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)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(dān)豎向荷載，支撐產(chǎn)生屈曲或破壞后不影響結(jié)構(gòu)承擔(dān)豎向荷載的能力，不致危及結(jié)構(gòu)的基本安全。

(2)采用鋼支撐(或耗能構(gòu)件)代替剪力墻，保證結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的同時(shí)，降低預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工難度，提高設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工效率，降低建造成本，工程質(zhì)量易得到保證。

(3)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 51129-2017《裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[1]中將支撐作為裝配式建筑中主體結(jié)構(gòu)的裝配率評(píng)價(jià)項(xiàng)，因此，F(xiàn)FBS體系采用鋼支撐，在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工的同時(shí)，也能有效地提高建筑裝配率。

(4)該體系有效地規(guī)避了設(shè)置剪力墻對(duì)建筑套內(nèi)空間靈活使用的影響，可滿足個(gè)性化的建筑生活空間需求，也為后期家庭成長(zhǎng)性需要提供改造的機(jī)會(huì)，契合可持續(xù)發(fā)展理念。

2 FFBS體系的適用高度分析

由GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中第G.1.1條可得[2]，鋼支撐-現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架體系的適用高度不宜超過(guò)現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)和現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-抗震墻結(jié)構(gòu)二者最大適用高度的平均值。同理，F(xiàn)FBS體系的適用高度不宜超過(guò)裝配整體式框架結(jié)構(gòu)和裝配整體式框架-現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)二者最大適用高度的平均值。則根據(jù)JGJ 1-2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[3]對(duì)裝配整體式框架結(jié)構(gòu)和裝配整體式框架-現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)適用高度的規(guī)定，在合理支撐布置、可靠的節(jié)點(diǎn)連接方式以及合理的構(gòu)造措施下，F(xiàn)FBS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(duì)某高層住宅工程分別采用FFBS體系和裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系，進(jìn)行彈性反應(yīng)譜計(jì)算，對(duì)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(zhǎng)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(shè)防烈度為7度(0.10g)，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類場(chǎng)地，特征周期Tg=0.45 s；基本風(fēng)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(jié)構(gòu)體系的布置如圖 1和圖2所示，結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)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(duì)比性，兩種體系同類型構(gòu)件截面參數(shù)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(duì)于X向平面尺寸較小，剛度較弱，故支撐分別設(shè)置在各層的①和軸上。

圖1 剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置

表2 框架柱的截面參數(shù) mm

表3 梁的截面參數(shù) mm

(a)結(jié)構(gòu)平面布置

(b) ①和軸支撐立面布置圖2 FFBS體系布置

兩種結(jié)構(gòu)體系的多遇地震下彈性反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)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(shù) mm

表5 多遇地震下彈性反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果

(a)X方向

(b)Y方向圖3 層間位移角對(duì)比

力墻結(jié)構(gòu)體系的周期比、扭轉(zhuǎn)比、剪重比、剛重比、樓層抗剪承載力、層間位移角等參數(shù)均滿足規(guī)范要求，能滿足高層建筑抗震要求；而FFBS體系的總質(zhì)量較小，節(jié)約建造成本的同時(shí)更利于減輕地震響應(yīng)。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

上述工程總建筑面積均為9 962 m2，對(duì)兩種體系的混凝土用量和鋼筋用量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表 6和表 7?？傻茫涸贔FBS體系與剪力墻結(jié)構(gòu)體系均能滿足高層建筑抗震要求且相應(yīng)混凝土構(gòu)件截面、配筋相同的情況下，F(xiàn)FBS體系的混凝土用量與鋼筋用量分別比剪力墻結(jié)構(gòu)體系節(jié)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(shè)計(jì)方案和構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)制構(gòu)件的機(jī)械化生產(chǎn)和施工安裝的水平等影響裝配式建筑成本。同時(shí)，隨著裝配率的提高，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和施工的難度均增大。對(duì)裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系和FFBS體系的實(shí)施難度進(jìn)行對(duì)比(表8)。

由表8可知，F(xiàn)FBS體系除了節(jié)約建材，在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工方面，相對(duì)于裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)還具有如下經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)：

表8 建造難度和經(jīng)濟(jì)性比較

(1)在高裝配率情況下，預(yù)制剪力墻深化設(shè)計(jì)工作量較大，而FFBS體系的預(yù)制構(gòu)件更易標(biāo)準(zhǔn)化。

(2)鋼支撐相對(duì)于預(yù)制剪力墻構(gòu)件自重小，降低對(duì)生產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝設(shè)備的要求。

(3)預(yù)制剪力墻三面出筋，生產(chǎn)模具開洞復(fù)雜，即使同一尺寸的剪力墻，配筋不同，生產(chǎn)模具也不同，生產(chǎn)效率低，模板耗材大，同時(shí)三面出筋需要特殊的吊裝、運(yùn)輸保護(hù)措施，故生產(chǎn)運(yùn)輸成本高。而鋼支撐構(gòu)件簡(jiǎn)單、標(biāo)準(zhǔn)化程度高，可有效地節(jié)約生產(chǎn)成本低。

(4)預(yù)制剪力墻采用鋼筋套筒灌漿連接，連接費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)工人技術(shù)要求高，同時(shí)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(jié)約施工成本。

(5)FFBS體系能有效地提高設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工效率，能縮短建設(shè)資金的周轉(zhuǎn)周期，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

綜上，F(xiàn)FBS體系相對(duì)于裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系是我國(guó)目前高層裝配式住宅中常用的結(jié)構(gòu)體系，而預(yù)制剪力墻自重大、三面出筋、連接鋼筋眾多且復(fù)雜等缺陷導(dǎo)致生產(chǎn)施工困難、施工質(zhì)量不易保證、建造成本高等問(wèn)題，針對(duì)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(duì)FFBS體系的適用高度進(jìn)行了分析，并對(duì)某高層住宅工程分別采用FFBS體系和裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系，對(duì)比研究了FFBS體系的抗震性能和經(jīng)濟(jì)性，主要結(jié)論如下：

(1)在合理的支撐布置、可靠的節(jié)點(diǎn)連接方式以及合理的構(gòu)造措施下，F(xiàn)FBS體系的適用高度可達(dá)到裝配整體式框架結(jié)構(gòu)和裝配整體式框架-現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)二者最大適用高度的平均值。

(2)在合理的支撐布置下，F(xiàn)FBS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(nèi)空間靈活使用需求；同時(shí)，設(shè)置支撐既可有效調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)剛度。

(3)FFBS體系較裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系，可節(jié)約建材，同時(shí)預(yù)制構(gòu)件自重輕、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、設(shè)計(jì)-生產(chǎn)-施工簡(jiǎn)易，能有效地提高設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工效率，縮短建筑建造周期，經(jīng)濟(jì)性較好。