框架剪力墙结构施工技术研究

李建军 （山西潞安工程有限公司，山西 长治 046204）

城镇化的发展使得大量的人口向中心城区集聚，为解决居民日益增长的住房需求问题，城市中修建了数量庞大的高层建筑[1]。这些高层、超高层建筑最为普遍采用的结构形式为框架剪力墙结构，以满足结构受力、变形以及抗震等要求。由于高层框架剪力墙结构的施工具有工期长、工程量大的特点，在施工过程中，能够为混凝土的收缩徐变提供足够充分的发展时间，随着施工进度的推移，结构的竖向荷载也随着层高的变化而不断增加，结构的力学性能和变形性能也出现更为复杂的时空演变[2]。框架剪力墙在施工阶段的内力与位移的动态变化过程，正是框架剪力墙结构施工控制的重要工作内容，因此，研究框架剪力墙结构的受力和变形施工控制技术、结构收缩徐变施工控制技术具有十分重要的作用[3]。

1 工程概况

山西省长治市某建筑工程二期位于长治市城区，为大型民生工程。拟建住宅楼16 栋，编号为D1#～D16#，均为框架剪力墙结构，基础采用CFG 复合地基，其中，D1#～D2#、D6#～D7#层数为40层，建筑高度为119.5m，单栋建筑平面图及三维图如图1 所示；D3#～D4#、D9#、层数为35层，建筑高度为105.0m；D2#、D8#、D10#、D12#～D13#层数为20 层，建筑高度为59.3m；D11#、D15#～D16#层数为17 层，建筑高度为50.45m。拟建商业楼5 栋，编号为D-S1#～D-S5#，均为2 层框架结构，建筑高度33.65m～34.85m 不等，基础采用独立基础。拟建D-P1开闭所1栋，为2层框架结构，建筑高度为33.90m，基础采用筏板基础。拟建D-P2配电房2 栋，均为2 层框架结构，建筑高度分别为34.5m、35.5m，基础采用筏板基础。拟建地下车库1座，为负一层框剪结构，基础采用筏板基础，地下车库开挖深度自±0.000起算在6m左右，自天然地面起算在5m左右，基坑侧壁土层为填土层、黏土层，基坑边线距离红线在6m～10m，部分小于2 倍基坑开挖深度，基坑安全等级为三级，重要性系数γ0=0.9。建筑总面积226844.61m2，项目合同额约7.25亿元。

图1 单栋平面图及三维计算模型

2 框架剪力墙结构主要施工技术

高层建筑框架剪力墙结构是将框架结构与剪力墙结构相互组合而成的结构形式，具有剪力墙刚度大、框架结构空间布置灵活的特点。施工时，从第一层逐步向上施工，每层框架剪力墙结构施工主要分为模板工程、钢筋工程和混凝土工程。高层建筑框架剪力墙结构的施工关键节点如图2所示。

图2 施工关键节点

在测量放样时，应保证柱网的精确，减少测量误差，以保证结构的施工准确性；在钢筋绑扎阶段，需检查进场钢筋的质量，对于梁柱节点、柱墙节点钢筋密集处，应保证钢筋焊接和绑扎质量，确保钢筋的数量、排布、焊接接头满足要求；在模板安装阶段，应保证模板的平整干净，安装模板严密牢固，同时对于高大模板可以借助脚手架等措施进行辅助施工；在混凝土浇筑阶段，加强混凝土浇筑和振捣的过程控制，对混凝土的添加剂配比准确，施工温度控制在30℃以下，以控制混凝土的温度裂缝[4-5]。

超高层、高层钢筋混凝土剪力墙结构的施工过程具有周期长、荷载大、工序多等特点，结构的高度也是从第一层开始逐步向上施工，随着高度的增加，作用在框架结构上的施工荷载也逐步增加，柱子、墙体等承重构件产生相应的压缩变形[6]。但传统的承重构件施工内力及位移控制以一次荷载加载为模型，忽略了施工过程的逐步累积和叠加，因此，计算得到的内力与位移不能反映施工过程的真实状态，有必要对施工阶段框架剪力墙结构的内力及位移采用逐步加载的方法研究其演变过程[7]。

3 框架剪力墙结构施工阶段受力平衡方程

在高层框架剪力墙结构施工过程中，其高度是逐步增加的，因此，可以认为作用在框架剪力墙结构上的荷载也是动态变化的过程，由此产生的变形也应是不断动态演变的。框架剪力墙结构的荷载加载过程以及变形计算过程，可认为当施工第1 层时，第1 层结构的施工荷载全部作用在地基上，其内力和变形的平衡方程见式（1）。

式中{F0} 为地基的荷载矩阵；[K0]为地基的刚度矩阵；{Δ0} 为地基的变形矩阵。

当第1层施工完毕，第2层开始施工时，作用在第1层上的荷载有两部分组成，一部分为第1层自身的重力荷载，另一部分为第2层的施工荷载，因此，推出内力和位移平衡方程见式（2）。

式中{F1} 为第1层荷载矩阵；[K1]为第1层的刚度矩阵；{Δ1} 为第1层的变形矩阵；{F11}为第1层自身重力荷载；{F21}为第2层的施工荷载。

依次类推，可以得到第i层施工时的内力和位移平衡方程，见式（3）[8]。

式中{Fi} 为第i 层荷载矩阵；[Ki]为第i 层的刚度矩阵；{Δi} 为第i层的变形矩阵，

4 框架剪力墙结构施工阶段墙体和柱受力和位移分析

4.1 框架剪力墙结构施工阶段墙体和柱受力分析

为更好地研究施工过程中结构的受力及变形情况，选取了框架剪力墙结构中的柱子ZZ1、ZZ2 和剪力墙结构JLQ1作为研究对象，建立三维仿真模型，如图1（b）所示，对框架剪力墙结构的施工阶段进行研究，分析剪力墙和柱子的受力和变形情况。如图1（a）所示，柱ZZ1为边墙柱，钢筋混凝土结构，混凝土等级为C60，几何尺寸为700mm×700mm；柱ZZ2 为两个墙体交接柱，钢筋混凝土结构，混凝土等级为C60，几何尺寸为700mm×700mm；剪力墙JLQ1为边墙，钢筋混凝土结构，厚度为350mm。

图3和表1为柱ZZ1和柱ZZ2的弯矩计算结果。从图3 可以看出，随着建筑层数的增高，柱ZZ1 和柱ZZ2的柱底、柱顶弯矩均呈现曲线变化。柱ZZ1和ZZ2的柱底弯矩均为正弯矩，且表现为高楼层和低楼层相对较小，中部楼层弯矩曲线呈抛物线增大，其中最大弯矩发生在建筑中部20 层附近，柱ZZ1 和柱ZZ2 的柱底弯矩最大值分别为9.10MPa、6.88MPa；柱ZZ1 和ZZ2 的柱顶弯矩均为负弯矩，柱ZZ1 的弯矩表现为高楼层和低楼层相对较小，中部楼层弯矩曲线呈抛物线增大，其中最大弯矩发生在建筑中部20 层附近，而柱ZZ2 的弯矩表现为低楼层相对较小，20层以上弯矩变化趋于稳定，柱ZZ1和柱ZZ2的柱底弯矩最大值分别为-11.61MPa、-10.41MPa。由此表明，位于建筑角点和位于建筑边墙位置处的柱子，两者的柱底弯矩相差较大，而柱顶弯矩相近。

表1 施工阶段柱子内力

从图3 可以看出，框架剪力墙结构20 层的弯矩最大，为更为精确地对该楼层墙、柱的弯矩分布情况进行展示，结果如图4和图5所示。

图3 施工阶段柱弯矩图

图4 施工阶段第20层梁柱弯矩云图

图5 施工阶段第20层剪力墙弯矩云图

图6为柱ZZ1和柱ZZ2的轴力计算结果。从图6可以看出，随着建筑层数的增高，柱ZZ1 和柱ZZ2 的轴力均呈现近线性变化，随着楼层的增加，柱ZZ1 和柱ZZ2的轴力均不断减小，柱ZZ1的轴力从1509.55kN减小为70.31kN，柱ZZ2 的轴力从1494.13kN 减小为136.40kN。柱ZZ1和柱ZZ2的轴力两者相近，表明柱的轴力变化与柱的位置无关。

图6 施工阶段柱轴力图

4.2 框架剪力墙结构施工阶段墙体和柱位移分析

表2 和图7 为施工阶段框架剪力墙结构柱ZZ1 和剪力墙JLQ1的位移计算结果。从图7可以看出，柱ZZ1和剪力墙JLQ1 的竖向位移随着楼层的增加呈现近抛物线的变化，且两者的位移数值较为相近，最大竖向位移均发生在18 层附近，柱ZZ1 的最大竖向位移为8.95mm，剪力墙JLQ1 的最大竖向位移为8.64mm。柱ZZ1 和剪力墙JLQ1 的水平向位移变化规律较为一致，均随着楼层的增加呈现非线性减小，剪力墙JLQ1的水平向位移整体上比柱ZZ1 的水平向位移小，最小水平向位移出现在楼顶位移，剪力墙JLQ1的最小水平位移为0.09mm，柱ZZ1 的最小水平向位移为0.15mm。柱ZZ1和剪力墙JLQ1的竖向位移远大于其水平向位移。

表2 施工阶段框架剪力墙结构柱子和剪力墙位移

图7 施工阶段柱子和剪力墙位移

5 结语

以山西省长治市某建筑工程二期框架剪力墙结构为研究对象，通过数值模拟的方法对施工阶段高层建筑框架剪力墙结构的梁、柱、墙体的弯矩和变形进行计算，同时施工阶段混凝土收缩徐变控制进行研究，得到以下几个结论：

（1）柱ZZ1和柱ZZ2的柱底弯矩和柱顶弯矩最大值均发生在建筑中部20 层附近；位于建筑角点和位于建筑边墙位置处的柱子，两者的柱底弯矩相差较大，而柱顶弯矩相近；柱的轴力变化与柱的位置无关。

（2）柱ZZ1 和剪力墙JLQ1 的竖向位移随着楼层的增加呈现近抛物线的变化，水平向位移随着楼层的增加呈现非线性减小，竖向位移远大于其水平向位移。