混凝土模塊化高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

李紅芳，黃 卓，王志鵬，易 劍

（奧意建筑工程設(shè)計有限公司 深圳 518031）

0 引言

近年來隨著建筑工業(yè)化的快速推進，裝配式建筑技術(shù)體系不斷取得改進與創(chuàng)新，模塊化集成建造（Modular Integrated Construction，MiC）技術(shù)已被應(yīng)用于幼兒園、學(xué)校及各類應(yīng)急、搶險救災(zāi)、防疫設(shè)施工程，使得模塊化集成建筑成為了裝配式建筑的重要發(fā)展方向之一［1-3］。MiC 是將建筑各功能區(qū)域劃分為多個標(biāo)準(zhǔn)的模塊單元，各模塊單元集建筑、結(jié)構(gòu)、機電、裝飾裝修等要素于一體在工廠生產(chǎn)并運到現(xiàn)場進行拼裝的模塊化集成建造技術(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)裝配式建筑中僅局部構(gòu)件在工廠生產(chǎn)，MiC 可實現(xiàn)90%以上施工作業(yè)在工廠完成，現(xiàn)場只需進行模塊單元的吊裝、拼接連接等工作［4-5］。由于目前國內(nèi)模塊化集成建筑發(fā)展處于起步階段，應(yīng)用項目以多層或臨時建筑為主，缺乏在高層永久性建筑中的應(yīng)用案例和經(jīng)驗。

有鑒于此，為了推動模塊化集成建筑的發(fā)展，拓展模塊化集成建筑的應(yīng)用范圍尤其是在高層建筑中的應(yīng)用，有必要將模塊化集成建筑與常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)體系進行結(jié)合并創(chuàng)新，探尋新的模塊化技術(shù)體系。本文以國內(nèi)首個高度近100 m采用混凝土模塊化集成建筑的高層住宅為例，通過介紹其結(jié)構(gòu)特點、模塊設(shè)計及抗震性能設(shè)計方法，以期對突破模塊化集成建筑局限于低多層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用瓶頸，及拓展模塊化集成建筑在高層建筑中的應(yīng)用范圍提供參考。

1 工程概況

本工程項目位于深圳市龍華區(qū)，含5棟高層住宅，總建筑面積216 075 m2。項目北側(cè)為3 座塔樓，地上28層，3層地下室，主屋面結(jié)構(gòu)高度為99.55 m；南側(cè)為2 座塔樓，地上29 層，2 層地下室，主屋面結(jié)構(gòu)高度為98.95 m。5 棟塔樓標(biāo)準(zhǔn)層布置相同，層高均為3.0 m，一層為架空層，項目建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果Fig.1 Architectural Renderings

項目設(shè)計使用年限為50年，丙類建筑，抗震設(shè)防烈度7 度（0.10g），地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類?；撅L(fēng)壓0.75 kN/m2，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級。項目5 棟塔樓均采用混凝土集成模塊-現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)體系，屬于A級高度的高層建筑［6］。根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查技術(shù)要點》（建質(zhì)〔2015〕67號）［7］，本工程存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、尺寸突變等不規(guī)則項，需進行抗震專項設(shè)計。

2 模塊設(shè)計

區(qū)別于一般剪力墻結(jié)構(gòu)，模塊設(shè)計是本工程項目設(shè)計重點內(nèi)容。本項目混凝土集成模塊設(shè)計為非承重單元，由建筑圍護結(jié)構(gòu)、剪力墻（柱）或梁側(cè)模殼、預(yù)制疊合板及裝飾裝修層組成，剖面圖及三維示意如圖2所示。由于其模殼僅作為現(xiàn)澆承重結(jié)構(gòu)的模板，不影響主體剪力墻、梁的尺寸，承重結(jié)構(gòu)仍為全現(xiàn)澆剪力墻。

圖2 混凝土模塊示意Fig.2 Schematic Diagram of Concrete Module

2.1 模塊布置

綜合考慮結(jié)構(gòu)安全、建筑性能以及混凝土模塊生產(chǎn)運輸與吊裝施工等因素，模塊均布置在標(biāo)準(zhǔn)層戶內(nèi)空間，如圖3 所示，核心筒內(nèi)樓梯采用預(yù)制，其余部位結(jié)構(gòu)采用鋁模全現(xiàn)澆。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層模塊布置Fig.3 Standard Layer Layout of Modules

2.2 模塊連接

模塊與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)之間的連接是模塊化設(shè)計的關(guān)鍵點，其中涉及與主體結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆剪力墻、梁、板的連接。對于外墻剪力墻，其內(nèi)側(cè)由30 mm 厚度模殼與現(xiàn)澆交界面通過桁架筋及水洗粗糙面連接，外側(cè)鋁?，F(xiàn)澆施工，模塊隔墻外側(cè)伸出胡子筋與現(xiàn)澆剪力墻進行構(gòu)造拉結(jié)連接、設(shè)柔性材料減小剛度影響，如圖4?所示。對于內(nèi)部剪力墻，其兩側(cè)由30 mm 厚度模殼，一側(cè)留桁架筋、另一側(cè)設(shè)加強肋與模殼對拉連接，預(yù)制模殼與現(xiàn)澆交界面均做水洗粗糙面，模塊隔墻外側(cè)伸出胡子筋與現(xiàn)澆剪力墻進行構(gòu)造拉結(jié)連接、設(shè)柔性材料減小剛度影響，如圖4?所示。對于模塊頂板的連接，參考相關(guān)裝配式規(guī)范要求，采用疊合板現(xiàn)澆層附加連接鋼筋［8-9］，保證節(jié)點處的連接強度，如圖4?所示。模塊底板與樓板間通過帶狀坐漿層，保證安裝精度及樓面平整度，如圖4?所示。

圖4 模塊連接節(jié)點Fig.4 Connection Nodes of Modules

2.3 模塊對結(jié)構(gòu)剛度的影響

項目采用混凝土集成模塊-現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)體系，主體承重結(jié)構(gòu)為全現(xiàn)澆。由于模塊自帶模殼作為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的模板，最后與結(jié)構(gòu)成為一體，其對結(jié)構(gòu)有一定的約束作用，有必要分析及考慮其對結(jié)構(gòu)剛度的影響。建立兩個模型，模型1 剪力墻厚度取現(xiàn)澆層厚度200 mm+模殼厚度（外墻單側(cè)模殼30 mm，內(nèi)墻雙層模殼60 mm）、周期折減系數(shù)取0.9；模型2 剪力墻厚度取現(xiàn)澆層厚度200 mm、模殼自重按線荷載附加在現(xiàn)澆剪力墻上、周期折減系數(shù)取0.9，計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同剪力墻厚度模型結(jié)果Tab.1 Results of Different Shear Wall Thickness Models

對比模型結(jié)果，兩者基底剪力基本相同，第一振型周期相差3%，位移角最大相差6.8%，判斷模殼對結(jié)構(gòu)剛度影響增加約為6.8%，此外，模塊自帶的構(gòu)造陶?；炷粮魤偠扔绊戄^小，綜合考慮模殼及隔墻對結(jié)構(gòu)剛度增加比例在10%以內(nèi)，因此結(jié)構(gòu)計算及設(shè)計時剪力墻厚度取現(xiàn)澆厚度200 mm、周期折減系數(shù)0.9×0.9=0.81（取0.8），模塊重量作為荷載附加在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)構(gòu)件上。

3 結(jié)構(gòu)抗震性能分析

基于上述模塊對結(jié)構(gòu)的影響，本文通過建立現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)模型進行抗震性能設(shè)計分析，并考慮模塊荷載，其中模殼及隔墻荷載按線荷載輸入，模塊頂、底板按樓板面荷載輸入，并取周期折減系數(shù)為0.8 來考慮模塊對結(jié)構(gòu)剛度的影響。

采用YJK 和Midas兩種軟件對塔樓結(jié)構(gòu)進行小震下反應(yīng)譜分析，計算結(jié)果如表2 所示。二者計算結(jié)果接近，各指標(biāo)均滿足性能目標(biāo)及規(guī)范要求，表明結(jié)構(gòu)計算模型可靠。

表2 反應(yīng)譜分析結(jié)果對比Tab.2 Comparison of Response Spectrum Analysis Results

此外，由于混凝土模塊的存在，結(jié)構(gòu)質(zhì)量偏重，地震作用會偏大。為滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，了解結(jié)構(gòu)從小震作用下的彈性狀態(tài)逐步隨著地震作用的增大而進入彈塑性狀態(tài)，采用SAUSAGE 軟件對其進行彈塑性時程分析，選取2組雙向天然波和1組人工波。

在各條地震波作用下塔樓結(jié)構(gòu)基地剪力與小震反應(yīng)譜對比結(jié)果如表3 所示，在地震動以X向為主方向作用時，結(jié)構(gòu)最大基底剪力為79 006.7 kN，是小震反應(yīng)譜結(jié)果的5.79 倍；在地震動以Y 向為主方向作用時，結(jié)構(gòu)最大基底剪力為78 298.6 kN，達到小震反應(yīng)譜結(jié)果的6.39倍。

表3 大震及小震作用下基底剪力比較Tab.3 Comparison of Base Shear Forces under Large and Small Earthquakes

結(jié)構(gòu)最大層間位移角如表4 所示，在3 組地震波分別作用下，以X為主方向的結(jié)構(gòu)最大彈塑性層間位移角為1/175，以Y為主方向的結(jié)構(gòu)最大彈塑性層間位移角為1/188，均滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［10］要求的小于1/120 的限值；結(jié)構(gòu)的X向最大頂點位移為0.289 m，Y向最大頂點位移為0.347 m。計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)滿足文獻［10］“大震不倒”的要求。

表4 大震作用下最大層間位移角Tab.4 Maximum Interlayer Displacement Angle under Large Earthquake Action

剪力墻和連梁在大震作用下的損傷情況如圖5所示，塔樓的剪力墻在罕遇地震作用下無損傷～輕微損傷，大部分連梁為中度～重度損傷，連梁能在地震作用下發(fā)揮耗能作用，剪力墻和連梁能滿足罕遇地震下的性能目標(biāo)?？蚣芰汉娃D(zhuǎn)換構(gòu)件的損傷狀況如圖6 所示，框架梁為輕度損傷～中度損傷，轉(zhuǎn)換構(gòu)件為輕微損傷，滿足罕遇地震下的性能目標(biāo)。

圖5 剪力墻和連梁損傷Fig.5 Damage to Shear Walls and Connecting Beams

圖6 框架梁和轉(zhuǎn)換構(gòu)件損傷Fig.6 Damage to Frame Beams and Transfer Components

4 樓板應(yīng)力分析

因結(jié)構(gòu)平面存在凹凸不規(guī)則的形狀，同時房間內(nèi)的樓板采用疊合樓板，有必要分析樓板在地震作用下的應(yīng)力狀態(tài)，保證樓板設(shè)計的合理性。通過對樓板進行偶遇地震作用下的應(yīng)力分析，取底部2層、中間10層、中間20和屋面層最不利工況的樓板應(yīng)力如圖7所示，樓板在偶遇地震作用下樓板的應(yīng)力大部分小于C30混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 MPa，部分樓板的最大值在4.0 MPa 左右。除樓板和局部豎向構(gòu)件連接的個別應(yīng)力集中的區(qū)域，樓板應(yīng)力基本均小于混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值。標(biāo)準(zhǔn)層的樓板在核心筒四周及弱連接部位樓板的拉應(yīng)力相對其他區(qū)域樓板拉應(yīng)力較大，其應(yīng)力水平基本在1～4 MPa 之間。對于上述樓板應(yīng)力較大的區(qū)域適當(dāng)增加板的配筋，并在核心筒及弱連接區(qū)域采用○10@150 雙層雙向或與此配筋量相當(dāng)?shù)呐浣睿ＷC在地震下能傳遞樓層作用力。

圖7 各層樓板應(yīng)力Fig.7 Stress of Each Floor Slab

5 弱連接樓蓋分析

塔樓標(biāo)準(zhǔn)層存在一定區(qū)域為連接較弱的樓蓋，并且部分弱連接區(qū)域存在模塊連接，有必要對其進行樓板弱連接相關(guān)的分析和設(shè)計。

結(jié)合塔樓結(jié)構(gòu)布置的特點，其為4 個單肢與中間核心筒通過走廊連接。弱連接區(qū)域示意如圖8 所示，其中A-A 區(qū)域的典型樓板寬度僅為5.0 m，B-B 區(qū)域的典型樓板寬度6.3 m、C-C截面區(qū)域的典型樓板寬度8.1 m。取單肢作為獨立結(jié)構(gòu)并計算多遇地震作用下的層間位移為1/1 068～1/720，X向?qū)娱g位移角小于1/800，Y向?qū)娱g位移角略大于1/800，表明單肢獨立結(jié)構(gòu)基本能滿足變形要求。為保證罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)不發(fā)生連續(xù)倒塌，樓板應(yīng)具備足夠的抗剪承載力以傳遞地震水平力［11］。選取全樓模型的典型樓層分析弱連接部位的樓板抗剪承載力，參考文獻［10］第3.11.3條，設(shè)防地震或罕遇地震下鋼筋混凝土豎向構(gòu)件的受剪截面要求：Vj/（0.15fckbh0）≤1.0，并考慮以下3 種情形計算樓板的剪力：

圖8 弱連接區(qū)域Fig.8 Weakly Connected Region

⑴假定不考慮各分肢剪力墻的剪力分擔(dān)，各樓層的地震剪力完全由相連樓板傳給核心筒，則根據(jù)各樓層地震下的剪重比和分肢質(zhì)量可以得到各分肢所受的最大樓層地震剪力；

⑵樓板傳遞的剪力結(jié)果來源于Midas Gen 截面切割的樓板內(nèi)力，采用設(shè)防地震彈性反應(yīng)譜進行計算。

⑶參考深圳市《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：深圳市工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)SJG 98—2021》［12］第3.6.2 條，地震作用下樓板剪力宜按Vj=λ ξ P計算，其中，λ為樓層減重比調(diào)整系數(shù)；P為弱連接外側(cè)樓層地震作用；ξ為調(diào)整系數(shù)，取2.0。

計算中震彈性工況下樓板弱連接部位的抗剪承載力結(jié)果如表5 所示，弱連接部位樓板均滿足受剪截面要求，設(shè)計時考慮樓板構(gòu)造加強，板厚取150 mm，最小配筋取雙層雙向○10@150，能夠保證樓板有效傳遞剪力。

表5 樓板弱連接部位抗剪承載力Tab.5 Shear Bearing Capacity of Weak Connection Part of Floor Slab

6 結(jié)語

本文基于國內(nèi)首個高度近100 m、混凝土模塊化集成高層住宅建筑，介紹了MiC 技術(shù)應(yīng)用的創(chuàng)新：將工廠預(yù)制的混凝土集成模塊與現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)相結(jié)合，形成混凝土集成模塊-現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)體系，混凝土集成模塊化的結(jié)構(gòu)、機電及裝飾裝修在工廠一并生產(chǎn)預(yù)制，主體承重結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場全現(xiàn)澆。對混凝土集成模塊進行了專項設(shè)計，并通過考慮模殼厚度后的模型對比計算，分析了模塊對結(jié)構(gòu)剛度的影響；對結(jié)構(gòu)進行抗震性能以及弱連接樓蓋進行了分析；結(jié)果表明本項目的結(jié)構(gòu)方案可行，結(jié)構(gòu)分析可靠，抗震性能滿足要求，主要得到以下結(jié)論：

⑴混凝土集成模塊設(shè)計為非承重構(gòu)件，模塊隔墻為非承重輕質(zhì)隔墻，模塊自帶的模殼僅作為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的模板，模殼內(nèi)側(cè)進行粗糙面處理并設(shè)置與現(xiàn)澆模板對拉連接的鋼筋；模塊頂板采用疊合板連接節(jié)點。

⑵通過對比不同剪力墻厚的結(jié)構(gòu)模型探討模殼對現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)剛度的影響，考慮模殼厚度的結(jié)構(gòu)剛度較全現(xiàn)澆部分結(jié)構(gòu)剛度增加約10%，結(jié)構(gòu)設(shè)計時取周期折減系數(shù)為0.8 體現(xiàn)模殼對結(jié)構(gòu)剛度的影響是合適的。

⑶大震作用下，結(jié)構(gòu)最大彈塑性層間位移角為均小于文獻［10］限值1/120，塔樓結(jié)構(gòu)剪力墻基本無損傷，大部分連梁達到重度損傷，均達到性能目標(biāo)要求。

⑷樓板應(yīng)力分析表明標(biāo)準(zhǔn)層的樓板在核心筒四周及核心筒和其它各肢相連的樓板的拉應(yīng)力相對其他區(qū)域樓板拉應(yīng)力較大，大部分拉應(yīng)力均小于混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值。對于樓板應(yīng)力較大的區(qū)域適當(dāng)增加板的配筋。

⑸針對弱連接樓蓋，在設(shè)計時考慮樓板的構(gòu)造加強，設(shè)置板厚為150 mm，配筋適當(dāng)加強，可以滿足結(jié)構(gòu)承載力要求。