鋼框架—預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻裝配式結(jié)構(gòu)體

　　引 言

　　預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系的工業(yè)化程度高、施工周期短、不受季節(jié)限制、現(xiàn)場濕作業(yè)少、材料利用率高、綠色環(huán)保、建筑節(jié)能性能好，是中國推進(jìn)住宅現(xiàn)代化的理想住宅建筑體系。在鋼結(jié)構(gòu)諸多類型中，鋼框架結(jié)構(gòu)具有建筑空間大、布置靈活、易于標(biāo)準(zhǔn)化、定型化等優(yōu)點(diǎn)，目前在多、高層建筑中應(yīng)用最為廣泛，但鋼框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度小，需要與其他抗側(cè)力體系結(jié)合才能滿足工程應(yīng)用的要求，常見的結(jié)構(gòu)體系有鋼框架支撐、鋼框架鋼筋混凝土核心筒、鋼框架鋼板剪力墻等。上述抗側(cè)體系均能增加結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，但存在構(gòu)造復(fù)雜、裝配化施工不便、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。

　　寶鋼Living Steel項目組、同濟(jì)大學(xué)等對鋼框架帶縫鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系在鋼結(jié)構(gòu)住宅中的應(yīng)用開展了專題研究[14]，并較大規(guī)模地應(yīng)用在四川都江堰災(zāi)后重建重點(diǎn)項目“興堰·逸苑”全鋼結(jié)構(gòu)安居房中[5]，然而材料本身造價較高，加工工藝復(fù)雜，同時存在防火、防腐、外圍護(hù)、后期裝修等一系列問題。

　　研發(fā)構(gòu)造簡單、成本低、綜合性能好的“完全裝配式鋼結(jié)構(gòu)多、高層住宅結(jié)構(gòu)體系”，是目前中國時代發(fā)展需要。在此背景之下，本文中筆者提出一種新型裝配式鋼框架預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻結(jié)構(gòu)體系（SPW體系），擬對這種新型裝配式結(jié)構(gòu)體系做全面介紹。

　　1 SPW體系簡介

　　1.1 基本構(gòu)成

　　SPW體系基本構(gòu)成為：鋼框架、預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻、預(yù)制混凝土組合樓蓋3個部分，主要構(gòu)件在工廠制作，現(xiàn)場安裝，大幅度減少現(xiàn)場濕作業(yè)，節(jié)省人力，提高效率。

　　預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻可采用型鋼混凝土墻體、鋼筋混凝土墻體以及PVA纖維混凝土墻體等多種類型，通過合理的構(gòu)造形式可實(shí)現(xiàn)抗側(cè)力體系與鋼框架同步安裝；同時預(yù)制裝配式混凝土墻體可以較好解決鋼結(jié)構(gòu)房屋維護(hù)體系的防火、防腐問題，實(shí)現(xiàn)抗側(cè)力體系與維護(hù)體系制作、施工一體化。

　　預(yù)制混凝土組合樓蓋可采用鋼筋桁架疊合樓蓋[6]，鋼筋桁架與底層混凝土板在工廠預(yù)制，現(xiàn)場安裝后可作為施工階段的模板，承擔(dān)面層混凝土以及施工荷載，同時鋼筋桁架作為混凝土樓板的配筋承擔(dān)使用荷載。鋼筋桁架疊合樓蓋具有經(jīng)濟(jì)適用、施工便捷、質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)，作為SPW體系的樓蓋系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化和制造工業(yè)化。

　　1.2 連接構(gòu)造

　　抗側(cè)力墻體僅與鋼框架梁連接而不與框架柱連接，此種連接方式一方面可以根據(jù)結(jié)構(gòu)整體剛度的需求，靈活地調(diào)整墻體寬度；另一方面可根據(jù)門窗洞口的布置，靈活地調(diào)整墻體的位置，實(shí)現(xiàn)建筑和結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一。墻體頂部、底部具體連接方式有以下幾個方面。

　　1.2.1 墻體頂部

　　設(shè)置在墻體頂部的預(yù)埋鋼板與框架梁下翼緣采用高強(qiáng)螺栓連接，栓孔采用長圓孔構(gòu)造，實(shí)際施工安裝過程中，先初擰高強(qiáng)螺栓，待主體結(jié)構(gòu)施工完畢，框架梁由于樓（屋）面恒荷載產(chǎn)生撓曲變形后，再終擰高強(qiáng)螺栓。以期預(yù)制裝配式抗側(cè)力墻體僅承擔(dān)使用階段的豎向活荷載，同時長圓孔也可調(diào)整安裝誤差，其中，δ為變形量。

　　1.2.2 墻體底部

　　形式1[針對型鋼混凝土抗側(cè)力墻]：預(yù)埋型鋼與框架梁焊接，框架梁上設(shè)置抗剪栓釘，混凝土墻體底部與框架梁預(yù)留150 mm的后澆縫（方便樓板鋼筋穿過），待預(yù)制樓板安裝完畢后，后澆縫與樓板面層混凝土一次澆筑。

　　形式2[針對鋼筋（PVA纖維）混凝土抗側(cè)力墻]：墻體底部設(shè)置預(yù)埋鋼板，現(xiàn)場安裝時與框架梁焊接，框架梁上設(shè)置抗剪栓釘，混凝土墻體底部與框架梁預(yù)留150 mm的后澆縫（方便樓板鋼筋穿過），待預(yù)制樓板安裝完畢后，后澆縫與樓板面層混凝土一次澆筑。

　　形式3[針對鋼筋（PVA纖維）混凝土抗側(cè)力墻]：墻體底部設(shè)置小底梁，小底梁上翼緣設(shè)置抗剪栓釘、錨固鋼筋，與混凝土墻體同時澆筑，小底梁下翼緣與框架梁上翼緣通過高強(qiáng)螺栓連接，小底梁腹板預(yù)留孔洞，方便樓板鋼筋穿過。

　　2 SPW體系的特點(diǎn)

　　2.1 預(yù)制裝配化

　　SPW體系的三大組成單元——鋼框架、預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻、預(yù)制混凝土組合樓蓋均可進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)、現(xiàn)場安裝，具有施工周期短、不受季節(jié)限制、現(xiàn)場濕作業(yè)少等優(yōu)點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、制造工業(yè)化、安裝機(jī)械化，從而能夠促進(jìn)建筑行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化。

　　2.2 抗側(cè)力墻體可更換化

　　SPW體系是一種雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，在風(fēng)荷載及多遇地震作用下，鋼框架和抗側(cè)力墻體提供結(jié)構(gòu)處于彈性階段的承載力和剛度的需求；在罕遇地震作用下，抗側(cè)力墻體作為第1道防線，通過自身的開裂實(shí)現(xiàn)能量耗散，對鋼框架提供保護(hù)，其退出工作后，鋼框架仍具有一定的承載能力，且結(jié)構(gòu)體系延性好，可實(shí)現(xiàn)兩道設(shè)防，避免在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞甚至倒塌，同時采用預(yù)制墻體并加以合理的構(gòu)造措施，可以實(shí)現(xiàn)抗側(cè)力墻體的災(zāi)后維修和更換。

　　2.3 抗側(cè)力墻體施工階段零軸力化

　　預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻體頂部螺栓孔采用長圓孔構(gòu)造形式，并通過螺栓初擰→主體結(jié)構(gòu)施工完畢→螺栓終擰的方式，使預(yù)制裝配式抗側(cè)力墻體在施工階段不承擔(dān)軸力，而僅在使用階段承擔(dān)少量的豎向活荷載，從而極大地減小了墻體的軸力，提高墻體變形能力，使之與鋼框架在變形能力方面能夠較好地匹配。

　　2.4 抗側(cè)力墻體布置靈活化

　　抗側(cè)力墻體僅與鋼框架梁連接，此種連接方式一方面可以通過調(diào)整墻體寬度和數(shù)量來滿足結(jié)構(gòu)不同的抗側(cè)剛度需求；另一方面可根據(jù)門窗洞口的布置，靈活地調(diào)整墻體位置，實(shí)現(xiàn)建筑和結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一。

　　3  SPW體系的設(shè)計方法

　　3.1 兩道設(shè)防的理念

　　SPW體系是一種雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計時可按照多道設(shè)防的設(shè)計方法，由于抗側(cè)力墻體剛度較大，可作為結(jié)構(gòu)的第1道防線，在設(shè)防地震、罕遇地震下先于鋼框架破壞，并實(shí)現(xiàn)能量耗散，對鋼框架提供保護(hù)，其退出工作后，鋼框架作為第2道防線。由于塑性內(nèi)力重分布，鋼框架部分按側(cè)向剛度分配的剪力比多遇地震時大，基于上述原因，可參照中國現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）[7]。對于其他雙重抗側(cè)力體系的類似方法，通過放大鋼框架部分地震力（按剛度分配得到）的方法加以考慮，具體放大數(shù)值待后續(xù)研究確定。

　　3.2 設(shè)計步驟

　　步驟1：按照豎向荷載設(shè)計鋼框架，并綜合抗震構(gòu)造要求、樓層荷載、樓層數(shù)和跨度等因素初步確定框架柱、梁的尺寸。

　　步驟2：對步驟1中確定的鋼框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，并由層間位移角以及每層總剛度確定抗側(cè)力墻體需要提供的剛度。

　　步驟3：依據(jù)抗側(cè)力墻體剛度（后續(xù)研究確定）設(shè)計每層所用墻體的尺寸及數(shù)量，并綜合建筑布置及結(jié)構(gòu)布置等因素確定抗側(cè)力墻體的位置。

　　步驟4：對鋼框架抗側(cè)力墻體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，并進(jìn)行必要的調(diào)整，以保證結(jié)構(gòu)計算結(jié)果能夠滿足各項要求。

　　步驟5：放大鋼框架部分地震力，以確保兩道設(shè)防的要求，并對其進(jìn)行二次設(shè)計。

　　4 SPW體系試設(shè)計

　　以文獻(xiàn)[5]中的鋼結(jié)構(gòu)住宅為工程背景，參考其結(jié)構(gòu)平面布置。

　　利用有限元軟件ABAQUS分別建立6層和18層的SPW體系模型，模型層高為3m，樓板厚為100mm。擬定柱截面采用箱型截面，截面尺寸為350 mm×350 mm×20 mm×20 mm，梁型號為HN400×200×8×13，材質(zhì)為Q235B級鋼；預(yù)制的鋼筋混凝土抗側(cè)力墻體墻寬1800 mm，厚100 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C30，采用梁單元建立框架梁、柱，通過分層殼單元[8]建立帶鋼筋層的抗側(cè)力墻體和樓板。

　　4.1 結(jié)構(gòu)的自振周期

　　采用Lanczos法分別提取6層和18層結(jié)構(gòu)的前3階振型和對應(yīng)的周期T1，T2，T3，如表1所示，其中扭轉(zhuǎn)周期與第1階平動周期之比為0.82，滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的要求。

　　4.2 反應(yīng)譜分析

　　對SPW體系6層和18層模型進(jìn)行彈性反應(yīng)譜分析，結(jié)果見表2。從表2可以看出，水平地震作用下，結(jié)構(gòu)體系剪重比、最大層間位移角均滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的要求。

　　4.3 彈塑性時程分析

　　采用El Centro波、Taft波和上海人工波分別對6層和18層SPW體系進(jìn)行罕遇地震下時程分析，并按文獻(xiàn)[7]對加速度時程最大值進(jìn)行比例調(diào)幅，結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角如圖8所示，滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》對多、高層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角θp≤1/50的要求。

　　5 SPW體系在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題及對策

　　5.1 連接構(gòu)造的可靠性

　　抗側(cè)力墻體與框架梁連接處是保證鋼框架與抗側(cè)力墻體協(xié)同工作、共同承擔(dān)荷載的關(guān)鍵部位[911]，應(yīng)保證連接破壞不先于墻體破壞，針對本文第1.2節(jié)中提出的3種連接方式，后續(xù)可設(shè)計模型試件，并開展水平低周反復(fù)加載試驗(yàn)研究，測試其連接的可靠性，并結(jié)合試驗(yàn)研究結(jié)論給出合理化的改進(jìn)措施。

　　5.2 抗側(cè)力墻體的變形能力

　　SPW體系屬于鋼與混凝土混合結(jié)構(gòu)，由于鋼材變形能力優(yōu)于混凝土材料，因此，應(yīng)提高墻體變形能力，使之與鋼框架能夠較好匹配，可通過以下措施：①降低墻體的軸壓比，如采用第1.2節(jié)中所述長圓孔的構(gòu)造形式，可大幅度減小墻體的軸壓比；②在墻體邊緣約束區(qū)設(shè)置型鋼或采取分段約束箍筋等措施，可提高墻體變形能力；③采用變形性能較好的新型混凝土材料，如PVA纖維混凝土等。

　　5.3 抗側(cè)力墻體剛度與承載力計算方法

　　本文中提出的抗側(cè)力墻體剛度、承載力的計算方法是SPW體系結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析和構(gòu)件設(shè)計的前提，抗側(cè)力墻體僅與框架梁相連接，框架梁為墻體傳遞荷載并作為其支撐邊界，使墻體的受力特點(diǎn)異于普通的混凝土剪力墻。后續(xù)研究可結(jié)合墻體變形特性建立考慮框架梁約束效應(yīng)作用的剛度計算公式；同時基于墻體不同破壞模式（后續(xù)試驗(yàn)研究確定），提出考慮墻體尺寸、材性、軸壓比、配筋率和連接強(qiáng)度的承載力分析模型，并建立承載力計算公式。

　　5.4 鋼框架與抗側(cè)力墻體的剛度匹配

　　對于SPW體系，若墻體的剛度較小，無法起到提高結(jié)構(gòu)整體剛度作用；若墻體的剛度較大，則可能造成鋼框架先行破壞，因此二者適宜的剛度匹配對于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)延性破壞機(jī)制尤為重要。后續(xù)研究同時通過改變墻體厚度及高寬比調(diào)整墻體的抗側(cè)剛度，實(shí)現(xiàn)墻體與鋼框架剛度相適應(yīng)，使整體結(jié)構(gòu)反應(yīng)滿足預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)。

　　5.5 彈（塑）性層間位移角限值的確定

　　目前世界各國抗震規(guī)范所采用主流方法是基于變形的抗震設(shè)計方法，彈性、彈塑性層間位移角限值是關(guān)鍵參數(shù)?？蓞⒄掌渌嗨平Y(jié)構(gòu)的限值，結(jié)合后續(xù)試驗(yàn)研究結(jié)論，并在借鑒國外已有的研究和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，給出合理的取值。

　　鑒于上述原因，本項目將對SPW體系的抗震性能、連接構(gòu)造可靠性等方面開展系列試驗(yàn)研究，并結(jié)合中國規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，提出切實(shí)可行的分析、設(shè)計和計算建議，具體內(nèi)容將另文專題介紹。

　　6 結(jié) 語

　　本文中提出一種新型裝配式鋼框架預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻結(jié)構(gòu)體系（SPW體系），從基本構(gòu)成、連接構(gòu)造、體系特點(diǎn)、設(shè)計方法和應(yīng)用研究等方面進(jìn)行全面的介紹，并對6層和18層SPW體系房屋進(jìn)行設(shè)計實(shí)例分析，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)體系的可行性。SPW體系是一種構(gòu)造簡單、成本低、綜合性能較好的裝配式鋼結(jié)構(gòu)多、高層住宅結(jié)構(gòu)體系，符合裝配式結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展和建筑產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。