套筒灌浆连接预制剪力墙结构设计研究

高 勇

（国舜绿建科技有限公司，山东 济南 250000）

采用套筒灌浆连接的预制剪力墙结构设计原则和方法与常规剪力墙结构基本相同，但由于连接节点构造的差异，预制剪力墙结构的方案设计和计算分析过程中有一些不同于现浇结构设计的问题。本文结合实际工程案例，介绍预制剪力墙结构应用灌浆套筒时的设计要点，对整体结构进行多角度的计算分析，并对提高预制剪力墙结构的安全性提出设计方面的建议。

1 工程概况

本工程为北京市某棚户区改造项目中的1 栋单体建筑，其采用预制剪力墙结构，墙体竖向钢筋采用套筒灌浆连接。建筑地下3 层、地上11 层，层高均为2.8m，地上总高度31.1m，总建筑面积约3 650m2。该工程设计使用年限为50 年，结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0，建筑抗震设防分类为丙类，抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度为0.20g，建筑场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第二组，场地特征周期为0.55s，抗震等级为二级，不考虑竖向地震作用。风压按50 年一遇考虑，基本风压为0.45kN/m2，地面粗糙度类别为B 类。

2 结构整体布置与计算分析

2.1 结构平面布置及优化

本工程在建筑方案设计初期没有考虑后期预制剪力墙布置的需要，北侧转角处窗户边缘距墙边仅300mm，如图1 所示。

图1 窗边剪力墙尺寸偏小

根据结构计算结果，此处的边缘构件配筋面积较大，如图2 所示。在设计预制墙板的连接节点时，此处的节点做法如图3 所示。

图2 边缘构件配筋

图3 转角处预制墙板连接节点

分析图3 中连接节点可见，此做法存在以下弊端：一是为了满足外墙板整体预制及放置外墙板保温连接件的需要，局部边缘构件需要设置到预制墙板内，由于连接钢筋直径为20mm，采用的灌浆套筒尺寸较大，对此处墙板的延性有不利影响。二是此处的现浇边缘构件部分成为长500mm、宽200mm 的“一字形”，其中需要布置的纵筋为10 根直径22mm 的钢筋，钢筋排布密集，并受上方连梁伸出纵筋的不利影响，绑扎钢筋的操作空间小、混凝土振捣不方便、连接质量难以保证。通过与建设单位沟通，将此处窗户边缘距墙边的尺寸从300mm 加大到900mm，调整后的结构布置如图4 所示。

图4 标准层结构平面布置图

2.2 整体结构计算分析

在《装配式混凝土结构技术规程》中规定，装配整体式结构可采用与现浇混凝土结构相同的方法进行结构设计，再对计算结果进行调整以提高结构安全性。对于装配整体式剪力墙结构抗震设计时，同一层内既有现浇墙肢也有预制墙肢时，现浇墙肢水平地震作用弯矩、剪力宜乘以不小于1.1 的增大系数，主要是考虑预制墙肢的接缝处在地震作用下可能开裂较早、刚度降低，导致结构整体地震内力重新分布，现浇墙肢会吸收更多的地震力。图5 为采用PKPM 软件建立的本工程整体结构计算模型，只考虑地上结构部分的计算分析。

图5 采用PKPM 软件建立的整体结构计算模型

小震计算分析时，采用考虑扭转耦联影响的振型分解反应谱法（CQC 法），并考虑双向地震作用和偶然偏心，主要计算结果见表1，各项指标均满足相应规范要求。由于本工程位于8 度区、地震烈度较高，且剪力墙墙肢长度不规则，对本工程的PKPM 计算模型采用弹性时程分析进行补充验算，校核通过振型分解反应谱法计算得到的各项指标是否合理及安全。

表1 小震作用下CQC 法计算结果

按照《建筑抗震设计规范》要求进行时程分析时，应根据建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，且实际强震记录的数量不少于总数的2/3。本工程选择了2 条天然波和1 条人工波进行弹性时程分析，天然波为BIGBEAR-01 和CHICHI,TAIWAN-03，人工波为RH3TG055，各地震波主分量、次分量加速度峰值比例取为1∶0.85，分别为70cm/s2和59.5cm/s2。3 条地震波主方向的加速度-时间曲线如图6～图8 所示，地震波加速度谱与规范谱对比如图9 所示。

图6 地震波BIGBEAR-01 加速度-时间曲线

图7 地震波CHI-CHI,TAIWAN-03 加速度-时间曲线

图8 地震波RH3TG055 加速度-时间曲线

图9 地震波加速度谱与规范谱对比

从图9 可见，3 组地震波的平均地震影响系数与规范谱相比，在第一振型的周期点上相差1.42%、在第二振型的周期点上相差3.00%、在第三振型的周期点上相差6.87%，均小于《建筑抗震设计规范》中的限值20%，满足要求。

弹性时程分析的最大位移、最大层间位移角和层间剪力的计算结果如图10、图11 和图12 所示，从图中可看出，时程分析法计算得出的位移、位移角、楼层剪力的曲线形状与反应谱法的曲线形状基本接近，符合剪力墙结构的受力特征，数值没有异常变化，满足规范要求。

图10 主方向最大位移曲线

图11 主方向最大层间位移角曲线

图12 主方向剪力曲线

3 预制剪力墙构件拆分设计

3.1 起始楼层选择

本工程剪力墙抗震等级为二级。根据北京市标准《装配式剪力墙结构设计规程》中的规定，底部加强部位及相邻上一层宜采用现浇剪力墙，当底层墙肢轴压比不大于0.3 时，底部加强部位也可以采用部分预制剪力墙，但需要对预制剪力墙的连接节点采取特殊加强措施。根据行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》中的规定，本工程底部加强部位为底部两层。经计算，本工程底层墙肢轴压比最大值为0.26，大部分墙肢轴压比在0.20 左右，从北京市标准的规定考虑，本工程预制剪力墙可以从地上一层开始应用。

从结构安全角度考虑，本工程位于抗震设防烈度为8 度的地区，计算结果显示，在底部加强区的部分墙身水平分布筋和边缘构件配筋面积较大。此外，在荷载作用下，预制构件与现浇段之间的新旧混凝土结合面也更容易开裂，综合考虑钢筋的锚固性能和混凝土的整体性能，底部加强部位更适宜采用现浇施工方式。从施工成本角度考虑，由于预制剪力墙的综合单价要高于现浇剪力墙，在满足预制率要求的前提下，可减少预制剪力墙的应用比例。根据本项目设计期间北京市对预制率的要求和计算规则，本工程高度不足60m，预制率应不低于40%，本工程在底部加强区不采用预制剪力墙构件也可以满足要求。综合考虑结构安全和施工成本，本工程预制剪力墙构件从底部加强部位的上一层即第三层开始应用。

3.2 平面布置设计

预制剪力墙的位置宜以边缘构件的范围为界，边缘构件完全采用现浇，加强对预制剪力墙变形的约束作用。当由于门窗洞口的限制导致边缘构件必须采取部分预制时，可对边缘构件的现浇部分适当加强。本工程中南侧有大量窗户，窗洞两侧的边缘构件局部或全部采用了预制，采取了两种措施以加强结构的整体性，一是增加边缘构件现浇部分的配筋面积，二是将常规设计中作为普通墙体的部分按边缘构件配筋和施工。图13-a 为按现浇结构设计时，1 轴交A 轴位置边缘构件的配筋；图13-b 为布置预制剪力墙后对相应位置边缘构件形式和配筋的调整，既加大了预制边缘构件中的纵筋直径，也增加了边缘构件中的配筋总面积。图14-a 为9 轴交A 轴位置按现浇结构设计时边缘构件布置的位置；图14-b 为将原边缘构件及其中间的普通墙体合并成一个尺寸较大的边缘构件，同时，也增加了其纵筋总面积。

图13 调整边缘构件配筋

图14 调整边缘构件形式

在电梯井筒和楼梯间四周的剪力墙由于楼面开洞削弱了对周边结构构件的约束作用，应尽量采用现浇剪力墙以提高结构整体性。当采用预制剪力墙时，应确保边缘构件完全采用现浇，并适当增强边缘构件中的纵筋面积、减小箍筋间距。当电梯或楼梯周边剪力墙为外墙时，应注意验算墙体平面外稳定性，对预制墙体的竖向分布钢筋连接也采取加强措施。根据北京市《装配式建筑评价标准》的规定，预制剪力墙之间宽度不大于600mm 的竖向现浇段可计入主体结构竖向构件的预制混凝土体积中，当预制墙体长度超出现场吊装机械起吊能力时，可将相应预制墙体通过竖向拼缝分为两个独立的预制构件，竖向拼缝的长度不小于200mm、不大于600mm，既便于竖缝内水平钢筋的布置，也不影响预制率的计算结果。本工程标准层预制墙体平面布置如图15 所示。

图15 标准层预制墙体平面布置图

4 剪力墙水平缝受剪承载力

在装配整体式剪力墙结构中存在预制墙板瑟楼板间的水平连接缝和预制墙板与现浇边缘构件之间的竖向连接缝，两者对结构整体的力学性能影响不同，竖向连接缝较弱时有可能会改善结构整体的抗震性能，而水平连接缝较弱时结构整体抗震性能一定呈下降趋势。

4.1 计算公式

《装配式混凝土建筑技术标准》中规定，在地震设计状况下，剪力墙底部加强部位以上水平接缝的受剪承载力设计值应按下式计算：

《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定，抗震等级为一级的剪力墙，水平施工缝的抗滑移应符合下式要求：

比较可见，《装配式混凝土建筑技术标准》和《高层建筑混凝土结构技术规程》对于接缝处受剪承载力设计值的计算公式组成和系数取值基本相同，都采用了剪切摩擦理论，考虑了钢筋和轴力的共同作用。

4.2 实用方法

由于《装配式混凝土建筑技术标准》中的水平接缝受剪承载力计算公式与《高层建筑混凝土结构技术规程》抗震等级为一级的剪力墙水平施工缝处剪力设计值计算公式的形式相同，均为0.6fyAsd+0.8N，因此，可借用计算软件中对抗震等级为一级的剪力墙施工缝的验算，并适当调整计算参数来复核预制剪力墙水平缝的受剪承载力。当抗震等级为一级时，可直接按计算程序对水平施工缝的验算来复核接缝处的钢筋面积；当抗震等级为二、三、四级时，可先将结构计算的抗震等级提高至一级，再修改程序中对地震作用的调整系数。《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定，一级剪力墙的底部加强部位以上部位，墙肢的组合弯矩设计值和组合剪力设计值应乘以增大系数，弯矩增大系数可取为1.2，剪力增大系数可取为1.3，由此可对地震作用调整系数偏安全取1/1.2=0.833。北京市标准《装配式剪力墙结构设计规程》规定，地震设计状况时底部加强区以上预制墙板接缝的承载力应按下列要求进行验算：

可见，北京市标准要求对接缝内力乘以增大系数1.1，因此，在计算程序中，当抗震等级为一级时，地震作用调整系数取1.1；当抗震等级为二、三、四级时，先将抗震等级提高至一级，再将地震作用调整系数取1/1.2×1.1=0.917，最后，根据计算程序对水平施工缝的验算来复核接缝处的钢筋面积。

5 结语

本文介绍了套筒灌浆连接预制剪力墙的结构整体布置和计算分析，对墙体布置方案进行了优化，介绍了预制剪力墙拆分设计的竖向楼层选择和平面位置选择以及计算软件中复核水平缝受剪承载力的实用方法。预制剪力墙结构在建筑平面布置时，平面形状应力求简单、规则，减少凹凸变化，尽量保证门窗洞口边到轴线的距离满足结构专业布置边缘构件和预制墙体的长度要求，各方向墙体尽量对齐，以便于形成联肢剪力墙。布置剪力墙时应避免采用短肢剪力墙，注意各方向刚度均匀，尽量做到结构的刚度中心与质量中心的重合，减小结构扭转，尤其避免在预制层的墙肢底部出现拉应力。