淺談裝配整體式疊合剪力墻結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用中需解決的問題

周 練，章一萍，唐麗娜

(四川省建筑設(shè)計研究院有限公司、四川省建筑工業(yè)化工程技術(shù)研究中心，四川成都 610000)

目前，我國裝配式混凝土結(jié)構(gòu)主要包括裝配式框架結(jié)構(gòu)和裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)兩大類，且在高層建筑工程項目中，多以裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)為主。我國常用的裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)中的預(yù)制剪力墻多為預(yù)制實心剪力墻，其具有自重大、預(yù)制構(gòu)件三面出筋、豎向鋼筋套筒灌漿連接眾多等特征，存在構(gòu)件生產(chǎn)、運輸、吊裝設(shè)備要求高，生產(chǎn)開模復(fù)雜、模具通用性差、生產(chǎn)效率不理想，預(yù)留鋼筋易受擾動變形、不便于構(gòu)件運輸和儲存，套筒灌漿材料昂貴，上下鋼筋全部精準(zhǔn)定位困難，施工技術(shù)要求高，施工質(zhì)量難以保證，建設(shè)成本高等缺陷。

為有效規(guī)避預(yù)制實心剪力墻在生產(chǎn)、運輸、施工中的存在的難題，目前全國各地開始逐步推廣應(yīng)用一種新型裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)——裝配整體式疊合剪力墻結(jié)構(gòu)(以下簡稱“疊合剪力墻結(jié)構(gòu)”)。本文對裝配整體式疊合剪力墻結(jié)構(gòu)及其優(yōu)勢、以及推廣應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，梳理在下一步推廣應(yīng)用需解決的關(guān)鍵問題，擬為下一步研究和改進(jìn)提供思路和路徑。

1 疊合剪力墻結(jié)構(gòu)

兩側(cè)預(yù)制鋼筋混凝土板通過桁架鋼筋或連接件連接而成具有中間空腔的墻板構(gòu)件，經(jīng)現(xiàn)場安裝固定后，后澆筑混凝土填充中間空腔形成的剪力墻稱為疊合剪力墻，其中，兩側(cè)預(yù)制鋼筋混凝土板不小于50 mm厚。疊合剪力墻分為雙面疊合剪力墻和單面保溫疊合剪力墻。其中，雙面疊合剪力墻兩側(cè)預(yù)制鋼筋混凝土板均參與疊合受力，通過桁架鋼筋連接，與中間空腔的后澆混凝土整體受力的疊合剪力墻，如圖1所示。單面保溫疊合剪力墻由兩側(cè)預(yù)制鋼筋混凝土板、中間空腔后澆混凝土、保溫層組成，僅適用于建筑外圍護(hù)承重墻；其預(yù)制外葉墻板及保溫層通過連接件與預(yù)制內(nèi)葉墻板連接，預(yù)制內(nèi)葉墻板與中間空腔后澆混凝土通過桁架鋼筋連接、整體受力，預(yù)制外葉墻板不參與疊合受力，僅作為施工時的一側(cè)模板及保溫層的外保護(hù)板，如圖2所示。

圖1 雙面疊合剪力墻構(gòu)造

圖2 單面保溫疊合剪力墻構(gòu)造

疊合剪力墻結(jié)構(gòu)則由疊合剪力墻、疊合樓板、疊合梁，輔以必要的現(xiàn)澆邊緣構(gòu)件、后澆段、后澆層構(gòu)成為整體。其中，疊合剪力墻之間的水平連接采用現(xiàn)澆邊緣構(gòu)件或后澆段，通過水平連接連接鋼筋進(jìn)行連接，如圖3所示。疊合剪力墻之間的豎向連接通過在疊合剪力墻的中間后澆層內(nèi)設(shè)置豎向插筋進(jìn)行連接，如圖4所示。已有研究表明：在良好的連接構(gòu)造設(shè)計的前提下，疊合剪力墻結(jié)構(gòu)具有同傳統(tǒng)現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)相近的結(jié)構(gòu)性能[1-4]，疊合剪力墻結(jié)構(gòu)可采用與現(xiàn)澆混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)相同的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

圖3 疊合剪力墻水平連接構(gòu)造

圖4 疊合剪力墻豎向連接構(gòu)造

2 疊合剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

疊合剪力墻結(jié)構(gòu)結(jié)合了預(yù)制結(jié)構(gòu)施工速度快、現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)整體性好的優(yōu)勢，較傳統(tǒng)的預(yù)制實心墻剪力墻結(jié)構(gòu)還具有如下突出優(yōu)勢：

(1)疊合剪力墻自重輕:自重減少高達(dá)50 %，降低構(gòu)件的生產(chǎn)、施工、運輸成本。

(2)疊合剪力墻三面無預(yù)留“胡子筋”、底面無需預(yù)留灌漿洞口：生產(chǎn)時模具無需定制開洞，能有效提高模具重復(fù)使用率，也無生產(chǎn)、運輸、存放等胡子筋易受擾動變形的問題。

(3)連接簡便、施工質(zhì)量易于保證：疊合剪力墻豎向連接利用現(xiàn)澆層采用豎向插筋進(jìn)行連接，施工便捷，無鋼筋與套筒精準(zhǔn)定位的困難，規(guī)避鋼筋灌漿套筒連接的高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時可有效提高施工效率。

(4)經(jīng)濟性好：由于疊合剪力墻生產(chǎn)、運輸、施工簡便等因素，能有效規(guī)避預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)時的開模成本，規(guī)避套筒連接所需的專用套筒和灌漿料的高額成本，降低預(yù)制構(gòu)件的吊裝、運輸成本，綜合造價優(yōu)勢明顯。據(jù)不完全統(tǒng)計，裝配整體式疊合剪力墻結(jié)構(gòu)的建造成本較傳統(tǒng)預(yù)制實心剪力墻結(jié)構(gòu)綜合建造成本可節(jié)約100～200 元/m2。

3 疊合剪力墻結(jié)構(gòu)研究應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，疊合剪力墻結(jié)構(gòu)在德國開始研究應(yīng)用，并隨后在歐洲發(fā)達(dá)國家大范圍推廣應(yīng)用。目前，該結(jié)構(gòu)在歐洲已建有相關(guān)的技術(shù)與產(chǎn)品規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，擁有多家先進(jìn)的生產(chǎn)、設(shè)備企業(yè)，如艾巴維、沃樂特、西偉德等，采用全自動流水線生產(chǎn)。但在德國等歐洲發(fā)達(dá)國家，疊合剪力墻結(jié)構(gòu)多用于中低層建筑，且由于德國等地為非地震多發(fā)地區(qū)，故疊合剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時多不考慮抗震設(shè)防。

21世紀(jì)初，我國引進(jìn)疊合剪力墻結(jié)構(gòu)，針對我國特有的抗震設(shè)防需求，開始對疊合剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究。國內(nèi)以同濟大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等為代表的高校及科研院所對疊合剪力墻的軸心受壓承載力、偏心受壓承載力、斜截面抗剪承載力以及現(xiàn)澆層與疊合層界面受力性能等進(jìn)行了系列試驗與數(shù)值模擬分析，并提出了相應(yīng)的設(shè)計方法[1-6]。同時，國內(nèi)學(xué)者也對疊合剪力的水平連接節(jié)點抗震性能、豎向連接節(jié)點抗震性能進(jìn)行了系列研究，并提出了相應(yīng)的連接構(gòu)造設(shè)計方法與建議[3-4][6-10]。在研究論證的基礎(chǔ)上，近年來在安徽、上海、北京、浙江、哈爾濱、湖北等地也進(jìn)行了疊合剪力墻結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用示范，已有的工程案例包括：合肥天門湖公租房項目、上海寶業(yè)愛多邦大型居住項目、中紡CBD商業(yè)中心、哈爾濱勞動技校項目、武漢建和村城中村改造K3地塊項目等，其中武漢建和村城中村改造K3地塊項目11#樓地下二層層高3.75 m，地上31層，層高3.00 m，主體高度97.8 m，建筑面積13 467.20 m2。同時，國家和各地相繼發(fā)布了相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，包括：GB/T 51231-2016《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，安徽省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 34/T810-2008《疊合板混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、浙江省地方標(biāo)準(zhǔn)DB33/T 1120-2016《疊合板式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)DB42/T 1483-2018《裝配整體式混凝土疊合剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、四川省地方標(biāo)準(zhǔn)DB J51/T113-2019《四川省裝配整體式疊合剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等。

4 目前需解決的問題

雖然我國對疊合剪力墻結(jié)構(gòu)目前有較深入的研究，并擁有一定的工程應(yīng)用示范，但還有一些關(guān)鍵問題仍需進(jìn)一步探究和改進(jìn)。

4.1 水平拼縫抗剪性能研究

疊合剪力墻的豎向連接節(jié)點是傳遞剪力和豎向荷載的關(guān)鍵部位，疊合剪力墻的豎向連接的水平拼縫部位是其薄弱環(huán)節(jié)，目前相關(guān)的研究多針對疊合剪力墻整體受力性能，針對疊合剪力墻豎向連接節(jié)點處水平拼縫抗剪的界面受力傳遞機理和破壞模式研究甚少，對于疊合剪力墻水平接縫處的受剪承載力計算，現(xiàn)行國家和地方標(biāo)準(zhǔn)中多沿用JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中現(xiàn)澆剪力墻水平施工縫的抗滑移設(shè)計公式。但疊合剪力墻中豎向連接節(jié)點的構(gòu)造與現(xiàn)澆剪力墻豎向連接節(jié)點的構(gòu)造不同。現(xiàn)澆剪力墻的水平連接節(jié)點處通常采用鋼筋綁扎搭接、機械連接或者焊接，連接部位的鋼筋與剪力墻中縱向鋼筋的連接均是“直接連接”，同時此處也存在上部剪力墻混凝土與下部剪力墻混凝土連接的一層界面。而疊合剪力墻水平連接節(jié)點是通過插筋的“間接搭接”完成，疊合剪力墻還存在兩側(cè)預(yù)制鋼筋混凝土板與中間后澆層的界面、豎向連接拼縫處后澆層與預(yù)制墻板上下端的界面等多層界面影響。因此，下一步需同時考慮鋼筋“間接搭接”、后澆混凝土與預(yù)制混凝土之間的多層界面、拼縫處混凝土干縮不均勻、軸壓比等多重影響因素，開展疊合剪力墻的水平拼縫抗剪機理和破壞模式系統(tǒng)研究，對現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的抗剪承載力計算公式進(jìn)行驗證或改進(jìn)。

4.2 增強平面外剛度

疊合剪力墻無論是水平連接還是豎向連接，均是通過在疊合剪力墻中間空腔現(xiàn)澆混凝土中設(shè)置連接鋼筋間接與預(yù)制墻板中的鋼筋連接，在連接節(jié)點處，連接鋼筋沿墻厚方向的距離在一定范圍內(nèi)縮小(可達(dá)100 mm)，導(dǎo)致疊合剪力墻平面外的剛度降低。雖然現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，針對疊合剪力墻平面外剛度降低規(guī)定了系列措施，例如當(dāng)樓面梁與疊合剪力墻在平面外單側(cè)連接時，應(yīng)采取設(shè)置扶壁柱、暗柱等措施，同時加嚴(yán)疊合剪力墻結(jié)構(gòu)中樓層層間最大水平位移與層高之比的限值。但為了疊合剪力墻在某些特殊情況下的平面外剛度和承載力，應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)、施工工藝，進(jìn)一步研究連接處平面外剛度增強方法與構(gòu)造，并進(jìn)行專項研究驗證其可行性。

4.3 連接鋼筋的定位

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對疊合剪力墻的豎向連接鋼筋、水平連接鋼筋的間距、錨固長度均作了詳細(xì)規(guī)定，同時規(guī)定：豎向連接鋼筋、水平連接鋼筋與相鄰預(yù)制墻板內(nèi)表面的凈距離宜為15 mm。現(xiàn)場向疊合剪力墻中間空腔澆筑混凝土?xí)r，在后澆混凝土的重力和側(cè)壓力作用下，由于連接鋼筋長細(xì)比大，連接鋼筋易存在水平面上或豎向的變形，連接鋼筋端部的間距易改變，連接鋼筋與預(yù)制墻板內(nèi)表面的凈距離不易保證，進(jìn)而導(dǎo)致后澆混凝土與預(yù)制混凝土之間無法有效粘結(jié)、連接鋼筋與后澆混凝土之間無法有效握裹，存在一定的工程質(zhì)量安全隱患。因此下一步應(yīng)針對這一難題，結(jié)合生產(chǎn)、施工工藝，研究制訂連接鋼筋定位、限位的措施或發(fā)明相關(guān)配套附屬產(chǎn)品，保證疊合剪力墻連接的可靠性。

5 結(jié)束語

疊合剪力墻結(jié)構(gòu)結(jié)合了預(yù)制結(jié)構(gòu)施工速度快、現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)整體性好的優(yōu)勢，較傳統(tǒng)預(yù)制實心剪力墻具有預(yù)制構(gòu)件自重輕、生產(chǎn)效率高、裝配施工簡便、綜合造價低等突出優(yōu)點，使其在我國正逐步推廣應(yīng)用。目前，雖然我國對疊合剪力墻結(jié)構(gòu)有較深入的研究，并擁有一定的工程應(yīng)用示范經(jīng)驗，但仍需進(jìn)一步對以下問題進(jìn)行深入研究，推動疊合剪力墻在國內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)程。

(1)考慮多重影響因素，開展疊合剪力墻豎向連接的水平拼縫抗剪機理和破壞模式系統(tǒng)研究，對現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的抗剪承載力計算公式進(jìn)行驗證或改進(jìn)。

(2)結(jié)合生產(chǎn)、施工工藝，進(jìn)一步研究疊合剪力墻連接處平面外剛度增強方法與構(gòu)造。

(3)結(jié)合生產(chǎn)、施工工藝，制訂連接鋼筋定位、限位的措施或發(fā)明相關(guān)配套附屬產(chǎn)品，保證疊合剪力墻連接的可靠性。