陳偉 彭敏

裝配式混凝土結構設計作為裝配式混凝土建筑設計的一個重要部分，其在實踐過程中所遇到的問題越來越多，既要滿足裝配率的要求，也要協(xié)調建筑、機電等專業(yè)解決裝配式的標準化問題，同時還要做到安全適用、技術先進、經濟合理。從預制剪力墻布置、外墻窗洞墻的簡化處理和連接設計3個方面對高層裝配整體式剪力墻結構的設計進行簡要分析和探討。

建筑工業(yè)化; 裝配式建筑; 裝配整體式剪力墻

TU741.2 A

［定稿日期］2022-03-11

［作者簡介］陳偉（1980—），男，碩士，高級工程師，從事建筑結構設計工作。

1 預制剪力墻布置

裝配整體式剪力墻的結構的剪力墻布置原則與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆剪力墻結構并無太大區(qū)別，結構平面形狀宜簡單、規(guī)則、對稱、剛度分布均勻；結構豎向布置應連續(xù)、均勻，避免抗側力構件的側向剛度和承載力突變。但考慮到在結構方案階段需要計算建筑的裝配率，以便計算主體結構的得分是否滿足預期的裝配率要求，因此對裝配整體式剪力墻結構、預制剪力墻的布置及數(shù)量統(tǒng)計是裝配整體式剪力墻前期結構方案設計的重要一環(huán)，預制剪力墻的布置既要保證結構的安全可靠，又要遵循裝配式建筑所要求的“少規(guī)格、多組合”的原則，還要實現(xiàn)構件生產、運輸和施工的可行性，以實現(xiàn)規(guī)范所要求的安全適用、技術先進、經濟合理、確保質量的目標。

從結構受力上看，高層剪力墻結構的底部加強區(qū)對結構整體抗震性能尤為重要，JGJ1-2014《裝配式混凝土結構技術規(guī)程》［1］（以下簡稱為《規(guī)程》）第6.1.8條規(guī)定了底部加強部位的剪力墻宜采用現(xiàn)澆混凝土。對于樓電梯間集中布置具有明顯筒體形狀的剪力墻結構，一方面其核心筒往往是連接平面各突出端保證結構整體性傳遞水平力的重要結構構件;另一方面樓梯間是地震火災時逃生的重要通道，消防電梯是消防人員救援的重要豎向交通，因此對樓電梯周邊的井筒剪力墻，在整個結構高度上也不宜采用預制。

從現(xiàn)場施工技術層面，由于目前灌漿套筒連接技術是預制剪力墻連接的關鍵核心技術，是形成裝配整體式混凝土結構的重要基礎，因此保證預制剪力墻的連接質量尤為重要。根據(jù)項目經驗，未采用管線分離的工程，需要在剪力墻下部（圖1）預留線槽，導致后期施工時封倉困難，影響構件的連接性能。而采用了管線分離的工程，可以很好地避免剪力墻開槽，便于后期封倉和灌漿。故在裝配式方案策劃時，應盡可能采用管線分離的設備管線系統(tǒng)。如果確實無法采用管線分離方案，則在管線線盒布置較多的客廳電視墻位置不設置主體剪力墻，避免墻端下部開槽對預制剪力墻的影響。

2 外墻窗洞墻的簡化處理

2.1 窗洞下墻的構造處理

目前關于窗洞下墻的簡化處理GB/T 51129-2017《裝配式建筑評價標準》給出了3種做法：

（1）預制連梁向上伸出豎向鋼筋并與空口下墻內的豎向鋼筋連接，洞口下墻、后澆圈梁與預制連梁形成一根疊合連梁，見圖2（a）。該處理方式施工較為復雜，而且洞口下墻與預制連梁形成一根疊合連梁、預制連梁組合在一起形成的疊合構件受力性能沒有經過試驗驗證，受力和變形特征不明確，不建議采用此做法。

（2）預制連梁與上方的后澆混凝土形成疊合連梁；洞口下墻與下方的后澆混凝土之間設置銷鍵以防止裂縫開裂并抵抗必要的平面外荷載，見圖2（b）。洞口內設置縱筋和箍筋，作為單獨的連梁進行設計，即洞口上下形成雙連梁構造，此構造可以大大提高結構的抗側剛度，但也會引起連接連梁兩端的暗柱縱筋配筋增加。

（3）將洞口下墻采用輕質填充墻，在計算中僅作為荷載，洞口下墻與下方的后澆混凝土及預制連梁之間不連接，墻內設置構造鋼筋，見圖2（c）。此構造方式最為簡單，結構計算和普通的現(xiàn)澆混凝土單連梁相同，但對于飄窗洞口，由于窗下墻無法提供所需要平面外的彎矩，此方案不能保證窗下墻面外的穩(wěn)定，故僅用于普通窗洞口的處理。

2.2 飄窗洞側墻的構造處理

對于帶飄窗的預制外墻，由于其體積大且屬于三維空間立體構件，無論是設計還是制作、吊裝均尤為重要。飄窗洞口兩側緊鄰的外墻是設計為受力的邊緣構件還是非承重的混凝土墻板也是一個值得討論的問題。根據(jù)已有項目經驗，目前可以采用雙連梁+梁間掛板和預制暗柱+雙連梁2種方式來簡化處理，如圖3所示。

方案一為雙連梁+梁間掛板方案，該方案預制飄窗僅通過上下梁兩側出筋與剪力墻現(xiàn)澆段相連接，兩側的短墻段設計為梁間掛板，參照填充墻拉結筋的方式出筋，以盡量減小掛板對主體結構剛度的影響，下方梁與樓層僅需設置20 mm厚的座漿料。該方案的傳力路徑為飄窗板—上下雙連梁—兩側現(xiàn)澆剪力墻后澆段，該方案優(yōu)點是兩側一定寬度的墻板作為非承重墻來設計，省去套筒灌漿連接工序，結構造價較經濟，缺點是窗下連梁出筋處剪力墻力墻后澆段澆邊緣構件箍筋綁扎困難，施工時需要采取措施來保證箍筋約束效果。

方案二為預制暗柱+雙連梁方案，該方案飄窗板的傳力路徑為上下飄窗板—上下連梁—兩側預制剪力墻。優(yōu)點是飄窗部位受力更安全可靠，由于下方連梁鋼筋可以直接錨固在預制暗柱內，避免了后澆暗柱區(qū)域連梁縱筋的出筋，對兩側剪力墻現(xiàn)澆段箍筋的綁扎較為有利，缺點是增加了主體剪力墻的長度，同時也增加了墻柱縱筋和灌漿套筒用量，造價較高；同時由于整個建筑外圍除了窗洞位置均為受力的剪力墻，全部落地到對地下室停車位和設備用房的布置影響非常大，因此在不影響地下室車位和設備用房布局的情況下，窗洞兩側預制邊緣構件的全部或部分范圍可能因建筑停車位的布置必須將地下室頂板進行轉換。

3 連接設計

連接設計是裝配式結構設計的一項關鍵工作，在工廠生產制作的預制構件其本身的精度、質量等均要優(yōu)于在工地現(xiàn)澆構件，但預制構件的現(xiàn)場的拼接質量往往受施工質量的影響相差較大，施工質量的優(yōu)劣很大程度上決定了裝配式結構的節(jié)點性能。預制構件的拆分就是保證裝配式建筑結構節(jié)點連接性能的重要一環(huán)，這里主要討論一下預制剪力墻和疊合板的拆分和連接設計。

3.1 豎向拆分與連接

目前樓層內相鄰預制剪力墻之間的豎向連接采用整體式接縫連接，樓層之間設置水平后澆帶或后澆圈梁來保證結構的整體性。確定剪力墻豎向接縫位置的一個主要原則是構件標準化，并保證結構連接的可靠性。《規(guī)程》規(guī)定當接縫位于縱橫墻交接處的約束邊緣構件區(qū)域時，約束邊緣構件區(qū)域宜全部采用后澆混凝土，并在后澆段內設置封閉箍筋；當接縫位于縱橫墻交接處的構造邊緣構件區(qū)域時，構造邊緣構件宜全部采用后澆混凝土。關于剪力墻的拆分設計，《規(guī)程》只是給了一個整體的原則，實際設計過程中，預制構件的拆分具有很大的靈活性，需要設計人員根據(jù)剪力墻的位置、受力情況和現(xiàn)場最大吊重等多方面考慮，反復優(yōu)化以達到相對最優(yōu)的結果。根據(jù)已有的工程經驗，預制剪力墻的長度不宜太短，預制剪力墻太短會導致吊裝的構件太多，增加現(xiàn)場吊裝的工作量，但也不宜過長，太長會導致構件過重，施工機械租賃成本過高，經濟性差。目前單個預制剪力墻板的長度以控制在1.0～3.0 m為宜，當建筑內部墻肢太短時，考慮剪力墻墻身和剪力墻暗柱一起預制，這樣可以大大提高裝配效率。

目前國標圖集15G310-2給出了預制剪力墻的豎向接縫連接構造，主要包括了預制墻和后澆暗柱接縫構造及預制墻間的豎向接縫構造。預制墻間的豎向接縫構造主要用在剪力墻較長時，由于構件重量太大不得不拆分成2個重量較小的預制構件，圖集給出了無附加連接鋼筋和有附加連接鋼筋2種構造形式，圖4為無附加連接筋的連接構造，因為預制剪力墻在吊裝就位過程中水平方向不能移動，無論是直線鋼筋搭接（圖4（a））還是預留彎鉤鋼筋連接（圖4（b））在后期安裝過程中均存在一定困難，不能保證構件現(xiàn)場安裝的順利實施。因此在此筆者建議采用規(guī)范的有附加筋連接構造，具體可參見15G310-2第22～23頁。

關于預制墻和后澆邊緣暗柱的接縫構造，根據(jù)后澆邊緣暗柱形狀的不同又分為了一字型、“L”型、“T”型及帶端柱等多種接縫構造形式，限于篇幅這里僅就一字型進行討論。目前一字型的接縫構造主要如圖5所示的3種形式，從箍筋對混凝土的約束效果來看，左側2種構造方式明顯能夠為端部暗柱混凝土提供更好的約束效果，但其箍筋綁扎困難，實際施工過程中應采取有效措施保證后澆暗柱箍筋綁扎的順利實施。圖5最右側接縫方案的優(yōu)點是后澆邊緣構件的箍筋綁扎簡單，但對端部后澆暗柱混凝土約束效果較差。在實際應用過程中，為減小預制剪力墻的出筋長度，圖4最右側的搭接方式也可以替代為采用預留鋼筋和附加連接鋼筋末端帶90°彎鉤的做法，預制剪力墻的出筋長度可以減小為1.0LaE，各種情況對應的出筋長度詳見表1。

總而言之，預制剪力墻出筋長度和出筋的方式及后澆段箍筋類型有關，每種接縫構造方式均有其優(yōu)缺點，在設計中采用何種出筋構造應根據(jù)結構的抗震等級、設防烈度、接縫位置、受力重要性等諸多因素綜合確定。筆者建議對8度以上的高烈度區(qū)以及抗震等級為三級以上的7度區(qū)，由于地震剪力較大，宜采用圖5（a）、圖5（b）約束效果較好的2種接縫方案；對6度、7度區(qū)的多層剪力墻結構由于地震剪力較小，

從方便施工角度出發(fā)可考慮采用圖5（c）的接縫方案。

目前國標圖集15G310-2對于后澆暗柱區(qū)域的縱筋連接推薦采用Ⅰ級接頭機械連接，但目前市場上僅提供直徑D≥16的機械連接接頭，后澆暗柱區(qū)域的縱筋直徑很難去匹配這一直徑要求，直接放大后澆暗柱區(qū)域的縱筋直徑又會造成結構成本的大幅增加，因此目前實施的工程中后澆暗柱區(qū)域縱筋的連接方式還是采用傳統(tǒng)的搭接或焊接方式。這就造成了豎向接縫處后澆暗柱的箍筋綁扎困難，對于三邊均有預制構件相連的T形現(xiàn)澆接頭處的影響最為明顯（圖6）。

根據(jù)現(xiàn)有的工程經驗，目前可以被接受的處理方式就是在豎向縱筋連接高度范圍內采用圖7的方式來替代原有的封閉箍，并對箍筋的間距適當加密，以保證箍筋對后澆暗柱區(qū)混凝土的約束效果。當然這是目前針對預制構件復雜節(jié)點區(qū)段鋼筋綁扎施工的一種迫不得已的被動解決方式，作為設計人員還是應該從方案設計、拆分設計著手，提前預判后期的現(xiàn)場施工可能出現(xiàn)的現(xiàn)場施工問題，盡可能避免“T”型接頭，多采用一字型或“L”型接頭的后澆暗柱。

3.2 水平向拆分與連接

預制剪力墻板的水平接縫同樣重要，目前上、下層預制剪力墻板的連接方式有灌漿套筒連接、漿錨搭接連接和擠壓套筒連接3種，其中灌漿套筒連接為裝規(guī)推薦的主要連接方式。灌漿套筒連接的水平接縫位置通常設置樓層標高處，接縫高度為20 mm，接縫處后澆混凝土上表面應設置粗糙面。預制剪力墻水平接縫的連接關鍵在于保證鋼筋連接灌漿套頭接頭的施工質量，目前灌漿套筒按結構型式可分為全灌漿套筒和半灌漿套筒。2種類型的套筒對比見表2，由于全灌漿套筒的筒體兩端均采用灌漿方式連接鋼筋，而半灌漿套筒僅筒體一端采用灌漿方式連接，另一端采用常規(guī)直螺紋連接，因此全灌漿套筒需要更多的灌漿料。需要說明的是，對于預制暗柱的縱筋盡可能設計為相同直徑，如果確需采用不同直徑，則需要確保同一連接區(qū)的上、下層連接鋼筋相差不能超過一級，這是因為灌漿套筒的直徑規(guī)格對應了連接鋼筋的直徑規(guī)格，工程中不得采用直徑規(guī)格小于連接鋼筋的套筒，但可采用直徑規(guī)格大于連接鋼筋的套筒，但相差不宜大于一級。

4 結束語

國家目前正在大力發(fā)展裝配式建筑，裝配整體式剪力墻結構作為住宅建筑常用的結構體系，其在今后的應用會越來越多，預制剪力墻的布置對裝配整體式剪力墻的結構設計尤為重要，既關系到建筑裝配率的計算，也關系到結構構件的標準化程度。作為結構工程師要不僅應在建筑施工圖前期階段就和內部建筑、機電專業(yè)密切配合，而且還應和總包單位、生產廠家深度溝通，從建筑抗震概念和現(xiàn)有的生產安裝工藝出發(fā)，以期得到既安全可靠又經濟合理的預制剪力墻布置方案。基于施工便利和經濟性的雙重原因，裝配整體式剪力墻結構的外墻通常全部采用預制，住宅的外墻窗洞較多，且很多窗戶為飄窗，本文給出了窗下墻的3種處理方式以及優(yōu)、缺點，同時從連接可靠性、施工便利性和建造經濟性等方面分析了緊鄰預制飄窗洞兩側的部分墻體的處理方式，為設計提供了很好的參考。

連接設計是裝配式結構設計的主要內容。本文結合目前的國標圖集15G310-2，分析了常規(guī)的預制剪力墻豎向接縫構造的優(yōu)、缺點，并對不同抗震等級和設防烈度下的連接方式給出了建議，同時對全灌漿套筒和半灌漿套筒在經濟性和適用性方面給出了對比，可供設計參考。

參考文獻

［1］ 裝配式混凝土結構技術規(guī)程： JGJ1-2014［S］.

［2］ 裝配式混凝土建筑技術標準： GB/T 51231-2016［S］.

［3］ 鋼筋套筒灌漿連接應用技術規(guī)程： JGJ 355-2015［S］.

［4］ 裝配式建筑評價標準： GB/T 51129-2017［S］.