某预制空心板剪力墙结构设计

文/中国建筑设计研究院有限公司国住人居工程顾问有限公司 武晓敏 蔡玉龙 杨春林

1 工程概况

某项目位于北京市昌平区南邵镇，分为57号地块和70号地块，两地块南北相邻。本工程包括11栋公租房、30栋商品房、地下车库及公共服务设施配套，总建筑面积562742m2。其中2栋公租房采用预制空心板剪力墙结构体系，地上15层，地下3层，标准层层高2.8m，建筑高度44.25m；8栋商品房采用预制空心板剪力墙结构体系，地上5～6层，地下2层，标准层层高3.15m，建筑高度16.50（19.65）m。建筑效果如图1所示。

图1 建筑效果

本工程结构设计使用年限为50年，建筑抗震设防分类为丙类，抗震设防烈度8度（0.20g），设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，地基基础设计等级为甲级。

2 结构布置

公租房底部加强部位为地上1～2层，主要剪力墙厚200mm，抗震等级为二级；地上4～15层采用预制空心板剪力墙，地上3～15层楼板采用叠合楼板及预制空调板，地上楼梯全部采用预制楼梯。商品房底部加强部位为地上1层，主要剪力墙厚度为200mm，抗震等级为三级；地上全部采用预制空心板剪力墙，地上2层至顶层采用叠合楼板及预制空调板，地上2层及以上楼梯采用预制楼梯。以商品房9号楼为例（以下结构计算分析等均以此楼栋为例），9号楼共2个单元，2个单元为镜像关系，每个单元为2户，每户为镜像关系。标准层单套型结构平面布置如图2所示。

图2 标准层单套型结构平面布置

3 住宅产业化实施

根据项目规划意见书要求，依据“关于印发《北京市混凝土结构产业化住宅项目技术管理要点》的通知（京建发[2010]740号）”文件的有关规定：建筑高度小于60m时，①应用预制剪力墙外墙板，预制化率不低于50%；②应用预制楼梯；③应用预制（叠合）阳台板和空调板，预制化率不低于70%；④宜采用预制（叠合）楼板和轻质内隔墙板。本工程竖向构件采用预制剪力墙外墙板及预制剪力墙内墙板，水平构件采用叠合楼板、预制空调板及预制楼梯。

图3 标准层单套型墙板拆分平面

3.1 预制空心板剪力墙

预制空心板剪力墙是在工厂生产完成的带有贯通竖向孔及非贯通水平孔的预制剪力墙板，预制剪力墙墙板及预制边缘构件内的钢筋网片均为受力钢筋。剪力墙的竖向及水平向连接均通过在施工现场向竖向及水平向孔内放置竖向搭接钢筋及水平搭接钢筋进行间接搭接，孔内竖向及水平向搭接钢筋均由工厂生产；搭接钢筋就位后，向孔内及现浇段浇筑比预制剪力墙板强度等级高一级的混凝土，形成装配整体式剪力墙结构。孔内后插间接搭接钢筋可避免预制剪力墙板四周预留胡子筋，使预制剪力墙板更易于实现标准化生产，降低构件的生产、运输、吊装及现场安装难度，提高生产及施工效率。标准层单套型墙板拆分平面如图3所示。

3.2 叠合楼板、预制空调板及预制楼梯

本工程楼板除公共区域及降板处采用现浇，其余位置均采用叠合楼板，预制底板厚60mm，后浇叠合层厚70mm，叠合楼板拼缝采用后浇带形式，形成现浇整体拼缝，标准层单套型楼板拆分平面如图4所示。本工程预制空调板均为悬挑构件，采用整体预制，板顶预留负弯矩筋伸入主体结构后浇层的水平段长度不应小于1.2la，且不应小于预制空调板的悬挑长度。预制楼梯为双跑楼梯，梯段上端及下端均采用固定铰支座。

3.3 预制化率计算

本工程竖向构件采用标准层竖向预制混凝土体积比计算预制化率，水平构件采用标准层预制混凝土面积比计算预制化率。经计算，9号楼剪力墙板预制化率为56%，楼板预制化率为79%，空调板及楼梯预制化率为100%，满足“京建发[2010]740号”文件的相关规定。

4 结构整体计算分析

4.1 整体计算

采用与现浇混凝土结构相同的方法进行结构整体计算分析，现浇墙肢水平地震作用弯矩、剪力均乘以1.1的放大系数。本工程采用盈建科建筑结构计算软件对结构进行多遇地震下的弹性分析，计算结果均满足国家现行相关规范要求。

4.2 补充计算

1）竖缝受剪承载力计算

参考JGJ 1—91《装配式大板居住建筑设计和施工规程》第5.0.13条，墙肢竖缝剪力Vj，可按下式计算：

式中，Vj为墙肢在该层的水平剪力；bi为墙肢宽度；h为楼层高度。

取①轴交B～E轴最不利墙肢分析，其在底层的水平剪力设计值为1328kN，由式（1）得，其竖缝剪力为Vj=1.2×3.15/4.3×1328=1167.4kN。

参考JGJ 1—91第6.3.4条，墙板竖向接缝的受剪承载力按下式计算：

式中，nk、nj为接缝中的混凝土销键及节点个数；Ak、Aj为单个销键及节点的受剪截面面积；fjv为销键混凝土的抗剪强度设计值，对于C30钢筋混凝土墙板取fjv=fv=2.1MPa；ξ为群键共同工作系数，接缝中的混凝土销键及节点个数为1～2个时，取ξ=1.00。As、fy为穿过竖向接缝的水平钢筋水平面积及抗拉强度设计值；γRE为承载力抗震调整系数，对钢筋混凝土墙板，取γRE=0.85。

竖缝按全截面厚200mm计算，由式（2）得：

竖缝按后浇混凝土厚100mm计算，由式（2）得：

计算结果表明，竖缝受剪承载力满足要求。

2）水平缝受剪承载力计算

参考JGJ 1—91第6.3.1条，当轴向力为压力时，水平接缝剪力设计值Vj，可按下式计算：

式中，Vc为混凝土销键及节点的受剪承载力设计值；Vs为穿过水平接缝的竖向钢筋的剪切摩擦力设计值，应符合要求；VN为轴压力所产生的剪切摩擦力设计值，当VN≥(Vc+Vs)/2时，取VN=(Vc+Vs)/2；N为相应于剪力Vj的轴压力设计值；nk、nj为接缝中的混凝土销键及节点个数；Ak、Aj为单个销键及节点的受剪截面面积；fjv为销键混凝土的抗剪强度设计值，对于C30钢筋混凝土墙板取fjv=fv=2.1MPa；ξ为群键共同工作系数，接缝中的混凝土销键及节点个数为1～2个时，取ξ=1.00。

图4 标准层单套型楼板拆分平面

As、fy为穿过竖向接缝的水平钢筋水平面积及抗拉强度设计值；γRE为承载力抗震调整系数，对钢筋混凝土墙板，取γRE=0.85。

取①轴交B～E轴最不利墙肢分析，其在底层的水平接缝剪力设计值Vj=1328kN，按后浇混凝土厚100mm计算，由式（4）得，Vc=0.24×1.00×100×4300×2.1=216.72 kN；由式（5）得，Vs=0.56×360×79×46=732.61kN；由式（6）得，VN=0.3×2440=732kN＞（216.72+732.61）/2=474.67kN，取VN=474.67kN；由式（1）得，Vj=1328kN≤（216.72+732.61+474.67）/0.85=1675kN。

依据JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》第8.3.7条，水平缝的受剪承载力设计值Vj=1328kN≤（0.6×360×79×46/1000+0.8×2440）/0.85=3220kN。

计算结果表明，水平缝受剪承载力满足要求。

3）水平缝沿墙板出平面受压承载力计算

参考JGJ 1—91第6.3.2条，当为实心楼板时，水平缝沿墙板出平面受压承载力可按下式计算：

式中，N为轴压力设计值；β1为接点强度降低系数，按芯体、楼板与墙体三者混凝土强度差值大小，取用0.8～0.9；Aas为楼板在墙上的支承面积；A’为后浇混凝土芯体水平面积；fjc为楼板或墙板混凝土抗压强度设计值，取两者中较小值。对于钢筋混凝土大板结构，取fjc=fc；fjc’为芯体混凝土或墙板混凝土抗压强度设计值，取两者中较小值。对于钢筋混凝土大板结构，取fjc’=fc；e0为组合偏心距；t为墙板厚度。

取①轴交B～E轴最不利墙肢分析，其在底层最大轴压力设计值N=2758kN，偏安全取1-2e0/t=0.3（即仅考虑30%的受压面积），由式（7）得，N=2758kN≤0.8×14.3×200×4300×0.3/0.85=3472.4kN。

计算结果表明，水平缝沿墙板出平面受压承载力满足要求。

5 设计措施

5.1 预制空心板剪力墙竖向连接

通过在剪力墙板竖孔内后插非贯通钢筋与上下层墙板竖向受力钢筋间接搭接实现剪力墙板的竖向连接。设计时，考虑竖向钢筋错位搭接的影响，后插钢筋面积取不小于1.1倍墙体竖向钢筋实配面积，搭接长度较1.2laE提高到1.4laE，且在搭接范围内，墙体水平钢筋间距加密为100mm。预制空心板剪力墙竖向连接节点如图5所示。

5.2 预制空心板剪力墙水平向连接

当剪力墙板接缝位于纵横墙交接处的边缘构件区域时，边缘构件全部采用现浇混凝土，通过在预制墙板水平孔内后插封闭箍筋与现浇边缘构件箍筋间接搭接实现剪力墙板水平向连接；当拼缝位于非边缘构件时，相邻预制墙板通过密拼板缝的形式实现剪力墙板水平向连接，密缝处水平孔内后插封闭箍筋与相邻预制墙板内的水平钢筋间接搭接。

图5 预制空心板剪力墙竖向及水平向连接节点

5.3 楼层处连续水平后浇带及屋盖处封闭后浇圈梁设置

为增强结构整体性及稳定性，在楼层处的预制墙板顶面设置连续水平后浇带，在屋盖处的预制墙板顶面设置了封闭的后浇混凝土圈梁。节点如图6所示。

5.4 混凝土浇筑

为减少混凝土的收缩，在预制墙板的孔内浇筑微膨胀混凝土，预制墙板拼缝的现浇段采用补偿收缩混凝土。

6 施工措施

1）施工单位应编制详细的施工组织设计和专项施工方案。施工前应对预制空心板剪力墙增加样板墙施工，确定工序流程、施工注意事项、操作规范及质量标准，验收合格后，对工人进行技术培训后，方可进行楼栋施工。

2）应采取有效措施保证剪力墙板后插竖向及水平向连接钢筋的准确定位，保证钢筋锚固长度满足规范要求，如设置定位钢筋等。

3）为保证后浇混凝土质量，在选择后浇混凝土时，宜选择最大骨料粒径小于25mm、掺加粉煤灰、坍落度为（200±10）mm的混凝土。

4）后浇混凝土前，应清除结合面上的杂物、浮浆及松散骨料，表面干燥时需洒水润湿，洒水后不得留有积水；同时对预制空心板剪力墙底部板腿间预留间隙采取防漏浆措施，并对排气孔进行防护处理。

5）后浇混凝土时，应采用混凝土浇筑导浇槽进行浇筑，浇筑顺序为先浇筑预制空心板剪力墙孔洞内及相邻预制墙板拼接处孔洞内混凝土，后浇筑现浇段模板处混凝土。孔洞内后浇混凝土分2次浇筑，每次浇筑高度为预制墙板高度的一半。首先，逐孔连续浇筑下部混凝土（必须随浇随振，逐孔振捣，振捣棒应插至混凝土底部），浇筑时可采用轻质材料作为标尺，插入圆孔内以控制下部混凝土浇筑高度；然后应在下部混凝土初凝前完成上部混凝土浇筑（必须随浇随振，逐孔振捣，振捣棒应插入下部混凝土内不小于150mm），两次浇筑均应在振捣棒相应位置做好标记，严格控制振捣棒振捣深度。振捣时，振捣棒应快插慢拔，按序振捣，不得漏振，最终振捣至混凝土上表面无气泡、无塌陷。振捣作业人员需预先进行专业培训，培训合格后方可上岗作业，振捣时，管理人员应旁站管理振捣作业全过程。

图6 水平后浇带及后浇圈梁

6）应对后浇混凝土浇筑过程采取监控录像措施，以防止施工人员违反施工作业规定，为保障后浇混凝土质量提供有效监督与管理。

7 结语

本工程采用预制空心板剪力墙结构体系，预制竖向构件采用预制剪力墙外墙板及预制剪力墙内墙板，预制水平构件采用叠合楼板、预制空调板及预制楼梯。

1）结构整体计算结果表明，结构周期比、位移比、剪重比、层间位移角、楼层弯矩、有效质量系数等均满足规范要求。

2）对预制墙板竖向拼缝及水平拼缝的补充计算表明，拼缝承载力能够满足规范要求，预制空心板剪力墙结构能够形成装配整体式剪力墙结构。

3）目前装配式混凝土结构多采用等同现浇的计算模型，设计时应注重概念设计，根据实际采用的装配式混凝土结构体系与相应现浇混凝土结构的不同，对关键构件及关键部位采取适当的加强措施，同时采取有效施工措施，保证计算假定的合理性。