装配式建筑结构设计中剪力墙结构设计的运用研究

周 炯

（江西同济建筑设计咨询有限公司，江西南昌 330000）

引言

在我国建筑产业发展的过程中，我国政府出台了一系列的绿色建筑产业化发展政策，并为其提供相应的技术支持，促进我国建筑行业始终向着绿色化以及产业化的方向发展。而装配式建筑剪力墙结构设计作为绿色建筑中的重要组成部分，已经成为建筑行业发展设计中的重要内容。装配式建筑剪力墙结构具有精细化以及模板化、智能化的特点，其中蕴含的技术种类也较多，因此要想提高装配式建筑剪力墙结构设计质量，就需要对其中各项技术的应用进行分析讨论。

1 装配式建筑剪力墙结构运用分析

1.1 CL 结构体系复合剪力墙

我国从2016 年开始加强了对装配式建筑剪力墙结构的指导，并发布了一系列的指导建议，提出在10 年之内将装配式建筑剪力墙结构在建筑结构中的占比达到30%。相继出台了一系列的文件以及技术标准。装配式建筑剪力墙结构在设计运用中需要严格根据设计标准实施，其中主要包括JGJ/T273-2012《钢丝网架混凝土复合板结构技术规程》、CECS445-2016《非金属面结构保温夹芯板设计规程》等。CL 结构体系复合剪力墙结构最早出现在二十世纪末，该结构中主要由钢丝网架保温夹芯板以及混凝土层组成，利用钢丝网架穿过保温板，将其作为夹芯层。其中网架需要超出一定的距离，对两侧的混凝土进行喷涂，完成混凝土复合剪力墙的制作。CL 结构体系复合剪力墙在实际运用中具有较强的抗震性以及节能性，并且在2018 年在多个省内发布了CL 结构体系复合剪力墙运用标准。CL 结构体系复合剪力墙在应用中钢丝网架能够与两侧的承重混凝土实现紧密连接，进而实现共同协同发展，两侧混凝土层的抗震性能与叠加厚度的抗震性相同，因此在实际应用中需要计算CL 结构体系复合剪力墙中的叠加厚度。

1.2 SW 建筑体系

SW 建筑体系属于新型建筑体系，其在实际设计中，将夹膜喷涂混凝土夹芯剪力墙作为主要受力部位，其中中间夹层位置使用保温板，双面钢丝网架起到连接作用，将保温板两侧的混凝土进行连接。混凝土建设分为两次施工进行，第一次在夹芯板表面喷涂混凝土，形成夹芯剪力墙，第二次使用夹模后浇的方式，在夹芯墙两端的位置实现混凝土浇筑，具体见图1。

图1 SW 复合夹心墙

在对SW 复合夹心墙进行测试的过程中，随机选择5 个混凝土墙试件对其受力情况进行测试，最终结果表示，墙底位置竖向连接钢筋在达到受拉屈服强度情况下，墙底底部位置应力的分布情况与平截面假定计算相互吻合。

1.3 WZ 复合墙

WZ 复合墙由钢筋网架以及混凝土共同组合，WZ复合墙的夹芯层与混凝土板相互连接，通过正交桁架的钢筋网架结构，再通过浇筑将网架中的弦杆方格相互连接，构成“三明治”复合墙板结构。WZ 复合墙在实际运用中主要具有以下特点，第一，WZ 复合墙中的腹杆还是弦杆，无论处于纵墙还是横墙中，都会形成平面桁架结构，因此WZ 复合墙在运用中的稳定性较强。第二，WZ 复合墙的抗压强度较高，在对其承载力进行计算的过程中，可以利用混凝土厚度叠加的方式进行计算，并在WZ 复合墙受压侧150 mm 的范围之内，对WZ 复合墙的水平钢筋进行加密处理[1]。另外，还可以在原有WZ 复合墙结构的基础上，采用碳纤维增强锥形蜂窝网格夹芯墙的结构，这一结构与WZ 复合墙相比，承载力更高，运用效果也更好。

2 装配式建筑剪力墙结构设计要点

2.1 荷载取值

在装配式建筑剪力墙结构荷载计算过程中，可以从以下几个方面入手：

第一，恒荷载，针对建筑中楼板、地面装修位置以及卫生间位置的恒荷载量进行计算，其中地面部分的荷载量为1.3 kN/m2。卫生间的恒载部分：0.13×25 kN/m3+0.35×12 kN/m3(陶粒混凝土的容重)=6.7 kN/m2，为保证安全，需要取整数7.0 kN/m2，建筑楼梯间部位的荷载量取值根据以往经验为8.0 kN/m2。

第二，活荷载量，活荷载量的取值范围需要按照《工程结构通用规范》(GB55001-2021)确定，具体荷载情况见表1。

表1 建筑主要部分标准荷载数值

第三，线荷载，线荷载的计算公式为线荷载=重度（kN/m3）×宽度（m）×高度（m）。其中重度需要根据《建筑接轨荷载规范》中材料以及构件自身重量取值，混凝土是25 kN/m3，实心砖为kN/m3，混合砂浆为17 kN/m3，重度最终数值需要加上建筑抹灰以及涂料重量，外墙面砖为0.6 kN/m3，内墙抹灰为0.4 kN/m3，通常情况下普通住宅线荷载的范围在7～15 kN/m 之间。根据以上数值能够计算出各个部位线荷载的实际数量，例如，200 mm 厚预制剪力墙结构：（18×0.2+0.4+0.6）×3=13.8 kN/m，门窗折减之后为13.8×0.7=9.66 kN/m。200mm 内墙：（18×0.2+0.4×2）×3=13.2 kN/m，门窗折减之后为13.2×0.7=9.24 k/m。

通常情况下，装配式建筑剪力墙结构的重量往往大于现浇结构，住宅建筑设计中采用的非承重墙，多数使用的材料为孔砖材料以及加气混凝土，重量在8～14 kN/m3之间。另外，装配式建筑剪力墙结构中，多数构件需要预制，主要为围护墙、集成窗等材料，并且还要满足吊装作业以及运输作业的实际要求，所以多数情况下采用配筋混凝土结构进行设计，容量为25k N/m3。住宅建筑中开间的设计在3 300～4 000 mm 之间，建筑楼板厚度跨度为1/40～1/30 之间，范围是100～120 mm。装配式建筑剪力墙结构中采用的楼板设计为叠合板，因此根据当前对装配式建筑剪力墙结构设计的相关规定能够看出，一般叠合板预制的厚度在60 mm 以上，完成混凝土浇筑叠合层的厚度也在60 mm 以上。

2.2 剪力墙连接方式以及构件长度设计

目前装配式建筑剪力墙结构在连接过程中，机械连接的应用时间较长，到目前为止已经具有50 多年的应用时间，该种连接方式主要是利用带肋钢筋和连接接头之间的摩擦力实现，在两根钢筋之间对力进行有效传递。由于应用时间较长，因此我国针对其的机械接头类型、构造以及注意事项等都作出了明确规定，整体上看该种连接方式的配套条件较为完善。图2 为常见的机械连接接头。

图2 常见的机械连接接头

要想进一步降低装配式建筑剪力墙结构施工难度，预制剪力墙的模数通常情况下需要控制在300 mm 左右，并且重点对其长度进行有效控制，单片墙的承受量需要在5 t 以下。如果建筑设计为现浇结果，假设剪力墙的厚度为200 mm，则构造边缘的长度可以控制在400 mm 左右，如果构件中存在转角墙，则可以将长度控制在300 mm 左右。装配式建筑剪力墙结构在边缘构件长度确定的过程中，需要对水平钢筋的直径以及锚固长度进行分析，根据预制墙中水平钢筋材料的实际使用情况，在现浇过程中，直锚长度需要在1.2LaE 以上，如果是U型锚，则长度需要达到0.6LaE。假设135°弯钩的抗震等级为二级，使用混凝土强度为C35，三级钢的直径大小为12 mm，则最终锚固的长度为37d+10=454 mm。在对翼墙或者转角墙进行设计的过程中，边缘构件直段长度参数为300 mm，单边现浇长度为500 mm。但是为了降低对实际施工产生的负面影响，需要根据配筋情况确定最终边沿构件的长度情况，保证装配式建筑剪力墙结构设计施工能顺利进行[2]。

2.3 装配式建筑剪力墙结构拆分要点

在对装配式建筑剪力墙结构性能进行深化设计的过程中，需要对预制构件进行拆分处理，由于装配式建筑剪力墙结构的标准化程度较高，所以在拆分过程中，也要实现标准化拆分，根据协调性和构件连接等效的原则进行拆分。其中剪力墙截面的尺寸需要根据节点区钢筋布置要求决定，要保证钢筋锚固强度的同时，将预制厚度的剪力墙厚度控制在200 mm 左右，具体情况（以某实际工程举例）见表2。

表2 剪力墙厚度以及混凝土强度等级

楼板的尺寸具体情况为预制层厚度为60 mm，现浇层厚度为70 mm，尺寸分别为1 200 mm×60 mm、1 500 mm×60 mm、1 800 mm×60 mm。叠合梁截面的尺寸为200 mm×400 mm，200 mm×500 mm，200 mm×750 mm 三种。

2.4 装配式建筑剪力墙结构抗震性能设计

在对装配式建筑剪力墙结构抗震性能进行设计的过程中，可以从以下几方面入手（以某实际工程举例）：

第一，装配式建筑剪力墙结构的振型以及周期，周期是装配式建筑剪力墙结构性能衡量的关键指标，能够对结构的扭转效应进行有效控制，提高抗侧力刚度布局的合理性，避免装配式建筑剪力墙结构出现扭转过度损坏等情况[3]。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》中的内容进行周期计算，如果最终计算结果没有达到相应标准，则表示装配式建筑剪力墙结构的扭转效应明显，抗震性能有待提升，因此需要对装配式建筑剪力墙结构进行优化调整[4，5]。在计算剪力墙结构以及装配结构的过程中，可以使用YJK 软件进行计算，确定各阶的阵型等。具体情况见表3、4。

表3 YJK 软件中现浇式剪力墙结构前8 阶周期以及平动系数

表4 YJK 软件中装配式剪力墙结构前8 阶周期以及平动系数

通过上表的数据信息能看出，现浇筑剪力墙结构与装配式建筑剪力墙结构周期差异为1.5%，二者的结构周期比分别为0.823 和0.843，规范限值为0.9，二者都达到了相应的要求，抗震性能较好。

第二，楼层剪力以及倾覆弯矩，装配式建筑剪力墙结构在地震以及风荷载的影响下，基底总剪力以及总倾覆弯矩的实际情况见表5。

表5 结构在地震和风荷载作用下的剪力及倾覆弯矩

通过上表内容能够看出，装配式建筑剪力墙结构在地震的情况下，由于方向不同，对结构进行控制的因素也不同，在X 方向中，地震对装配式建筑剪力墙结构起到主要控制，而在Y 方向的情况下，风荷载主要对结构进行控制。

第三，装配式建筑剪力墙结构的位移比，位移比指的是在偏心因素的影响下，建筑竖向构件最大位移与楼层位移的比值，通过分析位移比的方式能够确定装配式建筑剪力墙结构是否符合标准，如果位移比没有达到相应标准，则表示建筑物可能会在地震中发生结构破损等情况。我国在《高规》中针对结构位移比制定了明确规定，其中A、B 级建筑物的位移比需要在楼层平均值的1.2 倍以下，A 级建筑在平均值的1.5 以下，结构较为复杂的建筑在楼层平均值的1.4 倍以下，可以利用YJK 软件计算位移比，假设工程为A 级，在这一标准下，装配式建筑剪力墙结构位移比实际数值见表6。

表6 装配式建筑剪力墙结构位移比

通过上表内容能够看出，装配式建筑剪力墙结构在X、Y 方向中位移比的最大值为1.12，与规定数值1.2 相比较小，因此能满足相应规定。但是在偶然偏心地震的作用下，Y 方向位移角比增加，这一情况则表示需要对对应节点进行强化处理，不断提高装配式建筑剪力墙结构的抗震性能。

3 结论

装配式建筑剪力墙结构在实际应用中的保温、抗震以及节能性能都较强，是我国建筑结构今后发展的主要方向，目前我国各个省份已经针对装配式建筑剪力墙结构制定了相应的建设标准。该种情况下，要想进一步提高装配式建筑剪力墙结构的设计运用质量，就需要从结构的各项环节和性能入手，实现有效设计，为今后装配式建筑剪力墙结构的良好应用和发展提供条件。