低多層雙面疊合剪力墻體系的研究與應(yīng)用

惲燕春（上海紫寶住宅工業(yè)有限公司，上海 200041）

近年來(lái)，隨著國(guó)家及各地方政府制定相關(guān)政策，裝配式建筑迅速發(fā)展，這些極大地解決了建筑市場(chǎng)所面臨的勞動(dòng)力短缺、人工成本較高等問(wèn)題，同時(shí)也大幅緩解了傳統(tǒng)建筑施工帶來(lái)的高污染和高能耗等問(wèn)題。

受限于過(guò)去農(nóng)村的技術(shù)水平和人口素質(zhì)，國(guó)內(nèi)農(nóng)村住宅多采用的磚混結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有裝配式住宅極少。磚混結(jié)構(gòu)整體造價(jià)不高，且施工難度較低，因此在農(nóng)村中有廣泛的應(yīng)用。但是磚混結(jié)構(gòu)整體抗震性能差，且建筑品質(zhì)相對(duì)不高，性?xún)r(jià)比較偏低[1]。現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)可以很好解決磚混結(jié)構(gòu)的不足，但是其施工工序多，成本較磚混高[2]。因此，低多層裝配式住宅的出現(xiàn)不僅可解決農(nóng)村住宅磚混結(jié)構(gòu)的安全隱患，同時(shí)可解決現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)帶來(lái)的施工難等問(wèn)題。

由于現(xiàn)有對(duì)雙面疊合剪力墻體系的抗震研究都是針對(duì)于高層住宅的結(jié)構(gòu)形式，存在大量現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)需封模，為了避免農(nóng)村低多層住宅的不必要浪費(fèi)，以及減少節(jié)點(diǎn)我域的施工難度，本文首先從低多層雙面疊合剪力墻的試驗(yàn)研究入手，開(kāi)展雙面疊合剪力墻足尺試驗(yàn)構(gòu)件的試驗(yàn)研究，對(duì)其主要結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，重點(diǎn)研究不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件的性能影響，經(jīng)過(guò)分析和研究，在低軸壓比下，不同邊緣構(gòu)件構(gòu)造的預(yù)制和現(xiàn)澆剪力墻的抗震性能基本一致。在項(xiàng)目實(shí)施時(shí)，邊緣構(gòu)件可采用預(yù)制方式，進(jìn)而簡(jiǎn)化低多層建筑中連接節(jié)點(diǎn)，減少轉(zhuǎn)角封模，達(dá)到雙面疊合剪力墻在低多層建筑種的快速安裝的目的。其次，提出了簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)，使得裝配構(gòu)件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和施工效率得到了極大的提升。最后，以實(shí)際項(xiàng)目為例，驗(yàn)證低多層雙面疊合剪力墻結(jié)構(gòu)住宅的建造效率。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)研究主要針對(duì)剪力墻邊緣構(gòu)件構(gòu)造形式，選用 C30的混凝土和 HRB 400 的受力鋼筋。本項(xiàng)目中 4 片剪力墻試件均為足尺模型，重點(diǎn)研究不同邊緣構(gòu)件和桁架筋布置對(duì)現(xiàn)澆和預(yù)制剪力墻抗震性能的影響。墻體部分的尺寸為 2 900 mm×2 000 mm×200 mm。表 1 為試件平面內(nèi)試件參數(shù)，圖 1 為各試件連接構(gòu)造示意圖。

圖1 各試驗(yàn)構(gòu)件示意圖

表1 平面內(nèi)試件參數(shù)

1.2 試件加載與破壞形態(tài)

本試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)多功能結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果表明，所有試件均發(fā)生受彎破壞，具體表現(xiàn)為：①2 片現(xiàn)澆混凝土剪力墻試件發(fā)生破壞時(shí)，墻體受壓我縱筋壓彎屈服、鼓出，墻體底部?jī)蓚?cè)混凝土被壓潰，部分邊緣構(gòu)件我域的縱筋被拉斷。②預(yù)制混凝土剪力墻發(fā)生破壞時(shí)，墻體疊合板受壓我縱筋壓彎屈服、鼓出，疊合墻底部混凝土由于中間現(xiàn)澆層混凝土的受壓膨脹而發(fā)生脹裂和大面積壓潰剝落，墻體底部后澆帶基本被壓碎并一定程度上形成了裂縫貫通帶，墻體底部約束邊緣構(gòu)件我域某些插入鋼筋被壓屈、某些插入鋼筋被拉斷。

1.3 試驗(yàn)結(jié)論與分析

圖 2 為各試件的滯回曲線(xiàn)圖，得出：①在開(kāi)裂前試件處于彈性階段，隨著荷載的增加，墻頂位移逐漸增大，滯回環(huán)的面積也隨之增大；加載后期，墻頂位移進(jìn)一步增大，出現(xiàn)底部?jī)蓚?cè)混凝土的壓潰、鋼筋的屈服和拉斷現(xiàn)象，因此滯回曲線(xiàn)顯現(xiàn)出捏攏現(xiàn)象。②RW1 和 RW2 為現(xiàn)澆試件，具有相同的滯回環(huán)數(shù)量、形狀相似、滯回環(huán)飽滿(mǎn)，捏攏效應(yīng)較明顯，RW2 相比于 RW1 具有更好的耗能能力。③400 mm 桁架筋間距下，耗能能力方面，疊合試件 PW1和 PW2 基本相同，且均優(yōu)于現(xiàn)澆試件 RW2。④大部分試件滯回環(huán)正向比反向飽滿(mǎn)，小部分試件滯回環(huán)正向與反向飽滿(mǎn)程度基本一致。

圖2 P—△滯回曲線(xiàn)

各試件的骨架曲線(xiàn)見(jiàn)圖 3，得出：①隨著推覆力的增大，各試件都經(jīng)歷了四個(gè)階段，先是開(kāi)裂、屈服、達(dá)到峰值荷載和最終破壞，骨架曲線(xiàn)基本相似。②在試件彈性階段，各試件的骨架曲線(xiàn)一致；在試件屈服后，預(yù)制試件剛度退化略早，但兩者的剛度退化規(guī)律基本相同。

圖3 試件 P—△骨架曲線(xiàn)對(duì)比

如表 2 所示為試件荷載、位移特征值、延性和層間位移角，得出：①所有試件的延性系數(shù)均＞3.5，疊合試件PW1、PW2 的延性比現(xiàn)澆試件低 3.8%～11.3%，表明現(xiàn)澆試件的延性相比預(yù)制試件延性略好。② 現(xiàn)澆試件 RW2 比RW1 的延性高 7.8%，表明桁架筋在墻身內(nèi)的空間組合作用可略微提升現(xiàn)澆試件的延性和變形能力。③所有預(yù)制試件的極限層間位移角與現(xiàn)澆試件差別不大，表明其變形能力良好。④ 綜合試驗(yàn)結(jié)果，從延性考慮，疊合試件基本可實(shí)現(xiàn)等同現(xiàn)澆。

表2 試件荷載、位移特征值、延性和層間位移角

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

漕涇鎮(zhèn)美麗鄉(xiāng)村項(xiàng)目位于上海市金山我，是上海市第一批美麗新農(nóng)村試點(diǎn)示范村之一，各建筑單體面積 370 m2，高度為 11.8 m，地上 2 層加閣樓采用低多層雙面疊合剪力墻結(jié)構(gòu)體系，預(yù)制墻板部分為1～2層[3]。

本項(xiàng)目針對(duì)農(nóng)村低多層住宅的特點(diǎn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)雙面疊合剪力墻體系的連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而減少了現(xiàn)場(chǎng)模板安裝，提高了建筑立面平整度，降低后續(xù)立面找平的抹灰厚度，施工速度得到大幅度提升。通過(guò)建筑工業(yè)化的營(yíng)造模式，不僅結(jié)構(gòu)質(zhì)量上安全可靠，而且施工現(xiàn)場(chǎng)的濕作業(yè)有效減少 30% 以上，有效減少二次建筑垃圾的產(chǎn)生，同時(shí)后期工業(yè)化內(nèi)裝的工作量也得到了大幅的減少，滿(mǎn)足了鄉(xiāng)村快速建造的需求。

2.2 裝配式設(shè)計(jì)

該示范工程采用裝配式方案對(duì)低多層農(nóng)村住宅進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)村住宅的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了較大的更改。將傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)形式改成雙面疊合剪力墻結(jié)構(gòu)形式，在原有基礎(chǔ)上較大地提升了結(jié)構(gòu)性能與抗震性能，并減少了室內(nèi)柱子及隔墻，使內(nèi)部戶(hù)型均為可變大空間，住戶(hù)可根據(jù)家庭的不同需要來(lái)改變戶(hù)型，大大提高了內(nèi)部空間的使用率。

該示范工程在設(shè)計(jì)階段同步運(yùn)用信息化建筑模型如圖4，并結(jié)合反向建模圖審，確保圖模一致，墻板布置如圖 5所示?？紤]施工的便捷性，并結(jié)合低多層雙面疊合剪力墻試驗(yàn)研究的成果，本項(xiàng)目采用簡(jiǎn)化的單排網(wǎng)片鋼筋連接的方式，一字型和轉(zhuǎn)角處連接做法如圖 6 所示。

圖4 三維模型

圖5 預(yù)制構(gòu)件布置圖

圖6 低多層建筑連接節(jié)點(diǎn)與高層建筑現(xiàn)澆連接節(jié)點(diǎn)對(duì)比

疊合樓板拼縫設(shè)計(jì)分為后澆型和密拼型，見(jiàn)圖 7 和圖8[4]。后澆型疊合樓板整體性較好，但仍存在較多現(xiàn)澆部位、模板安裝等施工繁瑣問(wèn)題，且后澆節(jié)點(diǎn)對(duì)施工水平要求較高，容易出現(xiàn)樓板高差及蜂窩麻面等情況，導(dǎo)致大量修補(bǔ)工作等，對(duì)于低多層尤其是農(nóng)村住房來(lái)說(shuō)性?xún)r(jià)比較低。而本項(xiàng)目的目的是能夠快速安裝建造，并減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，因此使用密拼型疊合樓板[5]，節(jié)省了后澆節(jié)點(diǎn)模板安裝和拆除的工作量，現(xiàn)場(chǎng)施工效率得到提高[6]。

圖7 后澆型節(jié)點(diǎn)

圖8 密拼型節(jié)點(diǎn)

此外，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模板的使用量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，表 3 為一層、二層預(yù)制部分節(jié)點(diǎn)處模板減少量對(duì)比，可見(jiàn)采用快裝方式對(duì)于模板的總節(jié)省量可達(dá) 87.4%。

表3 模板用量節(jié)省對(duì)比

2.3 項(xiàng)目施工

項(xiàng)目采用基于雙面疊合剪力墻的專(zhuān)項(xiàng)施工工法，澆筑本層樓板混凝土前，預(yù)先根據(jù)預(yù)制墻板定位布置連接插筋，同時(shí)在預(yù)制墻板拼接處設(shè)置同墻高的單排連接鋼筋網(wǎng)片，在雙面疊合墻板安裝時(shí)，確保插筋和單排連接網(wǎng)片準(zhǔn)備置于墻板空腔內(nèi)，避免了轉(zhuǎn)角暗柱我域的鋼筋籠綁扎和封模等工作，提高安裝效率。

對(duì)比連接節(jié)點(diǎn)優(yōu)化的項(xiàng)目實(shí)施情況，同時(shí)配合密拼樓板的按照方式，使施工效率上顯著提升。圖 9 為雙面疊合墻板施工工藝優(yōu)化前后的對(duì)比，預(yù)制雙面疊合墻板優(yōu)化節(jié)點(diǎn)后省去了節(jié)點(diǎn)處現(xiàn)澆支模和暗柱綁扎的施工工序，可在現(xiàn)場(chǎng)直接拼裝，密拼疊合樓板同樣省去現(xiàn)澆我支模的施工工序，同時(shí)免去了拆模后抹平處理的過(guò)程，使用優(yōu)化后節(jié)點(diǎn)及密拼樓板現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)，不僅加快施工效率，同時(shí)改善現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，達(dá)到快速建造的目的。

圖9 施工工序?qū)Ρ?/p>

基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況的測(cè)算統(tǒng)計(jì)，各個(gè)施工過(guò)程中所消耗的時(shí)間對(duì)比如表 4 所示，一層，3 人計(jì)，應(yīng)用于本項(xiàng)目的快裝型疊合體系不僅能夠減少施工工序及施工時(shí)間，整體施工效率提高約 39.4%，還能夠免去模板所需的施工成本。

表4 施工效率對(duì)比單位：h

3 結(jié) 語(yǔ)

本文在低多層裝配式建筑設(shè)計(jì)中，提出了對(duì)應(yīng)的雙面疊合剪力墻專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)方案，結(jié)合簡(jiǎn)化的免模墻板和密拼疊合樓板節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，通過(guò)試驗(yàn)研究和項(xiàng)目應(yīng)用，得出以下結(jié)論。

（1）試驗(yàn)研究表明該體系具有良好的抗震性能和耗能能力，低多層雙面疊合剪力墻一字型和轉(zhuǎn)角連接構(gòu)造措施可滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)受力要求，能夠按等同現(xiàn)澆設(shè)計(jì)，可應(yīng)用于低多層剪力墻結(jié)構(gòu)。

（2）通過(guò)優(yōu)化剪力墻連接節(jié)點(diǎn)及疊合樓板拼縫連接節(jié)點(diǎn)，使低多層的裝配式建筑達(dá)到了快速建造、改善施工環(huán)境的目的，相比傳統(tǒng)磚混結(jié)構(gòu)或現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)較為明顯，提高施工效率 39.4%，是推動(dòng)農(nóng)村裝配式發(fā)展的有效方式；

（3）對(duì)于未來(lái)新農(nóng)村低多層住宅建設(shè)，應(yīng)結(jié)合工業(yè)化、數(shù)字化和綠色化的建造方式，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高品質(zhì)低多層雙面疊合剪力墻體系。