钢板混凝土剪力墙内的劲性钢结构施工技术

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

1 工程概述

近年来，国内一些高层、超高层建筑中采用了钢板混凝土剪力墙，有些设置在核心筒底部加强区，有些可自下而上连续布置，有效地增强了建筑结构整体抗侧刚度，改善了抗震性能[1]。

钢板混凝土剪力墙体系内，钢骨结构一般由内嵌单层或双层钢板、竖向边缘构件（钢骨柱和竖向肋板）、水平边缘构件（钢梁和水平肋板）组成（图1），具有较大的初始刚度、变形能力和良好的塑性性能[2-4]。

这类结构的施工要充分考虑钢结构和混凝土之间的关系、钢板安装时精度和变形的控制，以及一些其他特殊要求等。

2 施工重点

（a）由底部而起的竖向边缘构件和内嵌钢板，在与基础底板连接时通常采用预埋地脚螺栓的方式，地脚螺栓直径越大、数量越多，则施工难度越大[5]。关键是如何确保地脚螺栓预埋的精度和基础浇注混凝土时螺栓的稳定。

（b）钢板和劲性柱在吊装时需要慎重考虑的问题有构件的长度、宽度除了影响制作运输外，更重要的是分段组合要有利于提高构件的刚度。此外需要考虑到沿竖向布置的剪力墙钢板对接的临时稳定，以使其不在自身平面内发生安装时的错位，同时确保临时连接牢固；钢板安装与钢筋混凝土剪力墙施工之间的工序协调。

（c）钢板与钢柱的对接通常采用螺栓或焊接的方式、钢板分段上下的对接则采用焊接，问题是钢板与钢柱竖向连接采用高强螺栓连接方式，如何能够确保两侧螺栓群完全顺利穿孔，长度方向钢板对接的焊缝采取怎么样的工艺才能保证变形较小是施工重点。

3 关键技术

3.1 地脚螺栓

结构用地脚螺栓由螺杆、垫片、紧固螺母和止退螺母组成，如果在构件下有灌浆要求，则还配置调整垫片和调节螺母[6]。在材质上一般采用Q235和Q345两种钢材，Q345钢材的强度大，但在制作螺母的丝扣时却相对不易。螺栓直径、构造、埋深选择与其承受的剪力、拉力等受力状态有关，埋深通常为其直径的25 倍。结构上常用的埋置式地脚螺栓为保证地脚螺栓不被拔出破坏，一般在端部会构做出钩式（弯钩和直钩）、爪式和锚板式等构造。当螺杆直径较大、埋深较深，基础内钢筋密集，采用锚板式更有利于现场埋设（图2）。

图2 剪力墙钢板地脚螺栓配置

地脚螺栓的埋设分为预埋和预留孔法2 种方法，通常结构用埋置式地脚螺栓采用预埋方式较多。上部劲性钢柱和剪力墙钢板的安装精度与地脚螺栓精度有着密切的联系，特别是预埋后的稳定，在受到混凝土浇灌的冲击时也能够保证其垂直度和位移在偏差标准之内，实际控制要求见表1。

表1 某工程地脚螺栓安装偏差实际控制要求

在放置前，有必要在信息模型中复核地脚螺栓定位与钢筋排布的关系，特别应注意锚板大小与钢筋间距的关系。为保证地脚螺栓的稳定，在结构基础内设置刚性支架是必要的。支架有多种形式，但其构成主要有竖向支撑框架和螺栓定位框架2 部分。当地脚螺栓预埋在大底板基础内时，可以将支撑框架由垫层上立起，特点是稳固但措施用钢量大。当地脚螺栓预埋在混凝土梁等结构内，可以直接将定位框架与梁主筋固定（图3）。

图3 剪力墙钢板地脚螺栓固定示意

地脚螺栓安装完毕后，在浇灌混凝土前进行隐蔽工程验收和办理交接手续。

3.2 劲性结构和钢板的吊装

埋设在钢板剪力墙内的劲性钢结构由边缘构件和钢板组成，边缘构件包括与钢板连接的钢骨柱、钢梁或肋板等。钢板厚度15～100 mm不等，钢板表面焊有栓钉增加与混凝土的连接，增强整体受力性能。

钢板和边缘构件分段吊装应考虑充分发挥起重机械的性能，减少吊装次数和连接接点。原则是当钢骨柱本体刚度较大，并且水平边缘构件为钢梁时，可考虑将柱、梁、板形成整体安装，高度取用一般单层高4～5 m，双层高在8～10 m，这样避免运输和吊装造成的钢板变形，分段高度的选择需要协调土建浇注板墙混凝土的施工工艺，避免混凝土灌入深度过大[7]。当竖向边缘钢骨柱刚度较差，单幅墙内钢板较长，则宜分开安装。针对单幅钢板易变形的情况，在设计时应积极沟通增加钢板的纵横加劲肋板，并根据结构情况明确纵横肋板的互相贯通方式，即纵向贯通或水平贯通。

单幅钢板吊装，钢板由平躺的状态转向竖直吊装时是变形发生的阶段，施工前根据建模分析钢板起扳时的变形情况，决定是否需要增加临时竖向和水平加强措施，加强钢板平面外刚度。临时的加强措施为多用槽钢设置在钢板两侧，槽钢的规格视计算结构选用。有的钢板其本身加劲肋的作用明显，钢板起扳时变形情况很小。吊装时根据钢板长度用2 点或4 点吊装，在吊点位置应设置加强肋，并最好对准竖向加劲肋或加强措施（图4）。

图4 剪力墙钢板吊装示意

3.3 边缘构件与单幅钢板的连接

分段后，单幅钢板与钢板、钢骨柱与钢板安装后需要进行现场连接施工[8]。现场安装有临时螺栓固定连接，而正式连接方式有焊接和高强螺栓2 种。

分段安装时，每层钢板宜向上预留500～1 000 mm作为水平连接段，此处通常采取焊接对接的方式。连接段的预留高度在保证焊接空间的前提下，要充分协调剪力墙板的竖向钢筋间距和搭接长度。处理方式一是预留高度高于钢筋搭接长度；二是采取钢筋长短间隔布置，至少保证留有分段分层退焊的操作空间。

上下2 层钢板的对接可设置装配孔进行上下边的临时固定和标高调节，装配孔间距不宜太大，以免起不到固定和限位作用，造成钢板安装后的变形，可每隔1.5～2 m设置1 道，该措施能够较好地起到临时固定和控制标高的效果。钢板两侧竖向分段连接，当采用螺栓时可均匀分布地穿入1/3数量的临时螺栓固定，如果采用焊接则可间隔1.5 m左右设置侧向限位板，即可较好起到稳定和防止安装错位的作用（图5）。

图5 剪力墙钢板对接临时固定示意

临时装配完成后，进入永久连接施工阶段。对水平和竖向全部采用焊缝连接方式的情况下，为减少焊接变形和应力，焊接顺序和焊接工艺尤其重要，工程实际中遵循如下原则取得了较好的效果：逐条焊接、先焊接长焊缝、再焊接短焊缝，不宜2 条对称的焊缝同时施焊；可焊接1 条竖向焊缝，然后焊接1 条水平焊缝，再焊接1 条竖向焊缝这样的方式，在位置上错开施焊；焊接剪力墙钢板一般都是长达3～4 m的焊缝，甚至更长，单条焊缝宜分多段同时开焊，每段多层多道焊。CO2气体保护焊的使用能大大减少焊接线能量的输入、焊接热影响区和焊接变形，特别是对减少波浪变形很有效。波浪变形对钢板安装和对接、钢筋和模板施工影响最大，当产生波浪变形时，需要采取释放一定的边缘接口，并以点状、线状或三角形加热进行火工矫正。

当钢板两侧采用高强螺栓连接方式时，在施工中须特别关注高强螺栓的穿孔率，保证高强螺栓在钢板安装后能够100%穿入，同时尽量减少焊接应力对螺栓的影响。工程实际中，常用“临时固定、先焊后栓”的方式，此方法可以保证螺栓的穿孔率，但焊接也会对螺栓造成一定的附加应力。如果完全释放，则焊后一旦产生变形导致对接孔错位超过螺栓孔径余量（一般1.5～2 mm），则严格意义上螺栓无法穿入。我们借鉴国外规范和标准，采用扩大孔和长圆孔装配方式，配置了相应规格的垫圈等配件，并进行了相关试验，证明在原有摩擦系数条件下此方式能够满足设计承载要求，并得到了设计的认可，运用到了实际工程中（图6）。

图6 剪力墙钢板对接临时固定示意（局部）

4 结语

钢板剪力墙结构越来越多地出现在超高层建筑中，因此成熟而有效的施工工艺对提升工程的质量和施工效率是非常有实际意义的。通过对以往工程实际的分析总结，剪力墙钢板的安装质量高低，不仅直接影响结构的安全，在施工上也会对钢筋混凝土和模板工程造成影响。预埋在基础中的地脚螺栓是施工中保证钢板精度的第一道工序，钢板的吊装稳定和变形控制是第二道工序，最终焊接和高强螺栓连接施工则是关键的最后道工序。每道工序必须有相应的分析和技术措施来保证工程质量的达标。