框架剪力墻結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究

李建軍 （山西潞安工程有限公司，山西 長治 046204）

城鎮(zhèn)化的發(fā)展使得大量的人口向中心城區(qū)集聚，為解決居民日益增長的住房需求問題，城市中修建了數(shù)量龐大的高層建筑[1]。這些高層、超高層建筑最為普遍采用的結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，以滿足結(jié)構(gòu)受力、變形以及抗震等要求。由于高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的施工具有工期長、工程量大的特點，在施工過程中，能夠為混凝土的收縮徐變提供足夠充分的發(fā)展時間，隨著施工進度的推移，結(jié)構(gòu)的豎向荷載也隨著層高的變化而不斷增加，結(jié)構(gòu)的力學性能和變形性能也出現(xiàn)更為復雜的時空演變[2]?？蚣芗袅υ谑┕るA段的內(nèi)力與位移的動態(tài)變化過程，正是框架剪力墻結(jié)構(gòu)施工控制的重要工作內(nèi)容，因此，研究框架剪力墻結(jié)構(gòu)的受力和變形施工控制技術(shù)、結(jié)構(gòu)收縮徐變施工控制技術(shù)具有十分重要的作用[3]。

1 工程概況

山西省長治市某建筑工程二期位于長治市城區(qū)，為大型民生工程。擬建住宅樓16 棟，編號為D1#～D16#，均為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎采用CFG 復合地基，其中，D1#～D2#、D6#～D7#層數(shù)為40層，建筑高度為119.5m，單棟建筑平面圖及三維圖如圖1 所示；D3#～D4#、D9#、層數(shù)為35層，建筑高度為105.0m；D2#、D8#、D10#、D12#～D13#層數(shù)為20 層，建筑高度為59.3m；D11#、D15#～D16#層數(shù)為17 層，建筑高度為50.45m。擬建商業(yè)樓5 棟，編號為D-S1#～D-S5#，均為2 層框架結(jié)構(gòu)，建筑高度33.65m～34.85m 不等，基礎采用獨立基礎。擬建D-P1開閉所1棟，為2層框架結(jié)構(gòu)，建筑高度為33.90m，基礎采用筏板基礎。擬建D-P2配電房2 棟，均為2 層框架結(jié)構(gòu)，建筑高度分別為34.5m、35.5m，基礎采用筏板基礎。擬建地下車庫1座，為負一層框剪結(jié)構(gòu)，基礎采用筏板基礎，地下車庫開挖深度自±0.000起算在6m左右，自天然地面起算在5m左右，基坑側(cè)壁土層為填土層、黏土層，基坑邊線距離紅線在6m～10m，部分小于2 倍基坑開挖深度，基坑安全等級為三級，重要性系數(shù)γ0=0.9。建筑總面積226844.61m2，項目合同額約7.25億元。

圖1 單棟平面圖及三維計算模型

2 框架剪力墻結(jié)構(gòu)主要施工技術(shù)

高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)是將框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)相互組合而成的結(jié)構(gòu)形式，具有剪力墻剛度大、框架結(jié)構(gòu)空間布置靈活的特點。施工時，從第一層逐步向上施工，每層框架剪力墻結(jié)構(gòu)施工主要分為模板工程、鋼筋工程和混凝土工程。高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)的施工關(guān)鍵節(jié)點如圖2所示。

圖2 施工關(guān)鍵節(jié)點

在測量放樣時，應保證柱網(wǎng)的精確，減少測量誤差，以保證結(jié)構(gòu)的施工準確性；在鋼筋綁扎階段，需檢查進場鋼筋的質(zhì)量，對于梁柱節(jié)點、柱墻節(jié)點鋼筋密集處，應保證鋼筋焊接和綁扎質(zhì)量，確保鋼筋的數(shù)量、排布、焊接接頭滿足要求；在模板安裝階段，應保證模板的平整干凈，安裝模板嚴密牢固，同時對于高大模板可以借助腳手架等措施進行輔助施工；在混凝土澆筑階段，加強混凝土澆筑和振搗的過程控制，對混凝土的添加劑配比準確，施工溫度控制在30℃以下，以控制混凝土的溫度裂縫[4-5]。

超高層、高層鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的施工過程具有周期長、荷載大、工序多等特點，結(jié)構(gòu)的高度也是從第一層開始逐步向上施工，隨著高度的增加，作用在框架結(jié)構(gòu)上的施工荷載也逐步增加，柱子、墻體等承重構(gòu)件產(chǎn)生相應的壓縮變形[6]。但傳統(tǒng)的承重構(gòu)件施工內(nèi)力及位移控制以一次荷載加載為模型，忽略了施工過程的逐步累積和疊加，因此，計算得到的內(nèi)力與位移不能反映施工過程的真實狀態(tài)，有必要對施工階段框架剪力墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移采用逐步加載的方法研究其演變過程[7]。

3 框架剪力墻結(jié)構(gòu)施工階段受力平衡方程

在高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)施工過程中，其高度是逐步增加的，因此，可以認為作用在框架剪力墻結(jié)構(gòu)上的荷載也是動態(tài)變化的過程，由此產(chǎn)生的變形也應是不斷動態(tài)演變的?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)的荷載加載過程以及變形計算過程，可認為當施工第1 層時，第1 層結(jié)構(gòu)的施工荷載全部作用在地基上，其內(nèi)力和變形的平衡方程見式（1）。

式中{F0} 為地基的荷載矩陣；[K0]為地基的剛度矩陣；{Δ0} 為地基的變形矩陣。

當?shù)?層施工完畢，第2層開始施工時，作用在第1層上的荷載有兩部分組成，一部分為第1層自身的重力荷載，另一部分為第2層的施工荷載，因此，推出內(nèi)力和位移平衡方程見式（2）。

式中{F1} 為第1層荷載矩陣；[K1]為第1層的剛度矩陣；{Δ1} 為第1層的變形矩陣；{F11}為第1層自身重力荷載；{F21}為第2層的施工荷載。

依次類推，可以得到第i層施工時的內(nèi)力和位移平衡方程，見式（3）[8]。

式中{Fi} 為第i 層荷載矩陣；[Ki]為第i 層的剛度矩陣；{Δi} 為第i層的變形矩陣，

4 框架剪力墻結(jié)構(gòu)施工階段墻體和柱受力和位移分析

4.1 框架剪力墻結(jié)構(gòu)施工階段墻體和柱受力分析

為更好地研究施工過程中結(jié)構(gòu)的受力及變形情況，選取了框架剪力墻結(jié)構(gòu)中的柱子ZZ1、ZZ2 和剪力墻結(jié)構(gòu)JLQ1作為研究對象，建立三維仿真模型，如圖1（b）所示，對框架剪力墻結(jié)構(gòu)的施工階段進行研究，分析剪力墻和柱子的受力和變形情況。如圖1（a）所示，柱ZZ1為邊墻柱，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土等級為C60，幾何尺寸為700mm×700mm；柱ZZ2 為兩個墻體交接柱，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土等級為C60，幾何尺寸為700mm×700mm；剪力墻JLQ1為邊墻，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度為350mm。

圖3和表1為柱ZZ1和柱ZZ2的彎矩計算結(jié)果。從圖3 可以看出，隨著建筑層數(shù)的增高，柱ZZ1 和柱ZZ2的柱底、柱頂彎矩均呈現(xiàn)曲線變化。柱ZZ1和ZZ2的柱底彎矩均為正彎矩，且表現(xiàn)為高樓層和低樓層相對較小，中部樓層彎矩曲線呈拋物線增大，其中最大彎矩發(fā)生在建筑中部20 層附近，柱ZZ1 和柱ZZ2 的柱底彎矩最大值分別為9.10MPa、6.88MPa；柱ZZ1 和ZZ2 的柱頂彎矩均為負彎矩，柱ZZ1 的彎矩表現(xiàn)為高樓層和低樓層相對較小，中部樓層彎矩曲線呈拋物線增大，其中最大彎矩發(fā)生在建筑中部20 層附近，而柱ZZ2 的彎矩表現(xiàn)為低樓層相對較小，20層以上彎矩變化趨于穩(wěn)定，柱ZZ1和柱ZZ2的柱底彎矩最大值分別為-11.61MPa、-10.41MPa。由此表明，位于建筑角點和位于建筑邊墻位置處的柱子，兩者的柱底彎矩相差較大，而柱頂彎矩相近。

表1 施工階段柱子內(nèi)力

從圖3 可以看出，框架剪力墻結(jié)構(gòu)20 層的彎矩最大，為更為精確地對該樓層墻、柱的彎矩分布情況進行展示，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖3 施工階段柱彎矩圖

圖4 施工階段第20層梁柱彎矩云圖

圖5 施工階段第20層剪力墻彎矩云圖

圖6為柱ZZ1和柱ZZ2的軸力計算結(jié)果。從圖6可以看出，隨著建筑層數(shù)的增高，柱ZZ1 和柱ZZ2 的軸力均呈現(xiàn)近線性變化，隨著樓層的增加，柱ZZ1 和柱ZZ2的軸力均不斷減小，柱ZZ1的軸力從1509.55kN減小為70.31kN，柱ZZ2 的軸力從1494.13kN 減小為136.40kN。柱ZZ1和柱ZZ2的軸力兩者相近，表明柱的軸力變化與柱的位置無關(guān)。

圖6 施工階段柱軸力圖

4.2 框架剪力墻結(jié)構(gòu)施工階段墻體和柱位移分析

表2 和圖7 為施工階段框架剪力墻結(jié)構(gòu)柱ZZ1 和剪力墻JLQ1的位移計算結(jié)果。從圖7可以看出，柱ZZ1和剪力墻JLQ1 的豎向位移隨著樓層的增加呈現(xiàn)近拋物線的變化，且兩者的位移數(shù)值較為相近，最大豎向位移均發(fā)生在18 層附近，柱ZZ1 的最大豎向位移為8.95mm，剪力墻JLQ1 的最大豎向位移為8.64mm。柱ZZ1 和剪力墻JLQ1 的水平向位移變化規(guī)律較為一致，均隨著樓層的增加呈現(xiàn)非線性減小，剪力墻JLQ1的水平向位移整體上比柱ZZ1 的水平向位移小，最小水平向位移出現(xiàn)在樓頂位移，剪力墻JLQ1的最小水平位移為0.09mm，柱ZZ1 的最小水平向位移為0.15mm。柱ZZ1和剪力墻JLQ1的豎向位移遠大于其水平向位移。

表2 施工階段框架剪力墻結(jié)構(gòu)柱子和剪力墻位移

圖7 施工階段柱子和剪力墻位移

5 結(jié)語

以山西省長治市某建筑工程二期框架剪力墻結(jié)構(gòu)為研究對象，通過數(shù)值模擬的方法對施工階段高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)的梁、柱、墻體的彎矩和變形進行計算，同時施工階段混凝土收縮徐變控制進行研究，得到以下幾個結(jié)論：

（1）柱ZZ1和柱ZZ2的柱底彎矩和柱頂彎矩最大值均發(fā)生在建筑中部20 層附近；位于建筑角點和位于建筑邊墻位置處的柱子，兩者的柱底彎矩相差較大，而柱頂彎矩相近；柱的軸力變化與柱的位置無關(guān)。

（2）柱ZZ1 和剪力墻JLQ1 的豎向位移隨著樓層的增加呈現(xiàn)近拋物線的變化，水平向位移隨著樓層的增加呈現(xiàn)非線性減小，豎向位移遠大于其水平向位移。