装配式少筋混凝土剪力墙结构可行性分析*

孟凡林 纪金利 杨艳敏

(吉林建筑大学土木工程学院，长春 130118)

0 引言

“少筋混凝土剪力墙结构”是指在保证结构可靠度的情况下，满足抗震要求但又低于现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010－2010)[1]最小配筋率要求的混凝土剪力墙结构.上世纪后期，我国发展过装配式少筋大板结构，但因种种原因最终退出建筑市场.尽管如此，其少筋概念的应用对装配式住宅产业化仍有启发.装配式少筋混凝土剪力墙结构以不同于少筋大板的概念与形式，来寻求能够真正意义上的应用，有效提高多层房屋的建造速度，降低房屋的建造成本，因此能够更好地适应我国的城镇化进程及新农村建设.此种结构不仅有利于实现建筑工业化和住宅产业化要求，同时也符合绿色、低碳理念，具有很大的发展空间.

1 我国装配式少筋混凝土剪力墙结构发展概况

新中国成立以来，我国开始了对装配式建筑的研究探索.最初的装配式少筋建筑是上世纪70－80年代的装配式少筋大板混凝土建筑.装配式少筋混凝土大板建筑在唐山地震中受到考验，证明其抗震性能良好[2].建筑物抗震性能的好坏从两个方面来看:一方面要具有较好的抗震强度;另一方面要具有足够的变形能力.从抗震角度讲，装配式大板建筑具有的有利条件为:自重较轻使之在地震时承受的惯性力较小;墙体本身的强度高因而具有较大的安全贮备;整块的楼板通过合理接缝组成整体使其空间刚度较好;墙板与基础之间设置的竖向插筋有利于结构具有较好的整体性和延性[3].资料显示，北京市预制装配式大板建筑在适用性能和物理性能方面都能够满足基本使用要求，并得到了使用者的认可[4].

1990年，万墨林教授在《关于＜装配式大板居住建筑设计施工规程＞中若干问题的说明》中指出[5]:少筋混凝土抗剪、抗拉及抗压强度的极限值提高虽然不多，但是其匀质性有所改善，而且具有一定剩余强度，延性也较好，尤其是当配筋率≥0.13%后较为明显.对于配筋率≥0.15%的情况时，它完全具备钢筋混凝土结构特征，而当配筋率＜0.1%时，其主要表现为素混凝土的破坏特征.因此，少筋混凝土结构的配筋界限在《装配式大板居住建筑设计施工规程》[6]中规定为0.1%≤ρ≤0.15%.

进入20世纪90年代，由于多种原因使得装配式少筋混凝土结构建筑的发展基本进入停滞时期，至此，少筋混凝土结构的探索告一段落.时至今日，经历了二三十年的时间后，装配式少筋混凝土大板建筑已经需要进行加固.据调查，大板结构因墙板内仅配少量构造钢筋按素混凝土构件进行设计，在混凝土收缩、温差、老化等因素作用下极易开裂，产生通长竖向裂缝，严重影响墙板的整体性和承载能力[7].同时，其连接方式为干连接，使得接缝处的耐久性很低，结构整体性严重削弱.在日本，装配式混凝土剪力墙(大板)结构多用于低层、多层和小高层建筑.当用于低层、多层建筑时，墙内竖向和水平分布钢筋在接缝处并不是每根均进行连接，而是仅将少量粗钢筋进行连接而多数分布细钢筋不进行连接，这类似于我国的抗震加固技术中某些新增剪力墙的做法.我国相关规范中此种形式还没有具体规定，在建筑设计中是不允许采用的.有学者认为大间距、少配筋混凝土剪力墙结构在底层、多层建筑结构中的应用技术值得进一步研究和开发，这不仅对降低预制装配混凝土剪力墙结构的连接难度有利，而且对建设节约型社会也极其有利[8].

近年来，我国科研工作者又一次开始了对装配式少筋混凝土结构的探索，诸如:重庆大学的魏巍、陈远军的研究表明:《混凝土结构设计规范》(GB50010－2002)，《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3－2002)和《建筑抗震设计规范》(GB50011－2001)所规定剪力墙设计方法主要针对高层建筑结构，但是低烈度区采用现行设计规范对多层住宅结构进行设计可能导致配筋量偏高;低于规范规定最低配筋率的混凝土剪力墙仍具有较好的抗震性能，能够很好地应用于6度区多层混凝土剪力墙结构住宅中[9].在高新科技发展、建筑材料性能显著提升的时代，为开展对装配式少筋混凝土结构的相关研究创造了极为有利的条件，装配式建筑连接方式方法的提升也为其实现提供了可能.

2 少筋混凝土剪力墙的相关试验研究

万墨林教授指出“少筋结构”的概念是针对我国上世纪八九十年代的特定条件提出来的.当时既不可能把全部大板、大模及砖石结构提升为配筋结构，而从抵抗地震作用的角度考虑，又不宜采用纯无筋结构，因此对装配式少筋混凝土大板结构的研究相对来说很少[5].装配式大板建筑结构之所以在唐山地震中具有良好的整体性和抗震性，是由于其有足够刚度的水平缝和竖直缝将板材组合成整体结构而获得的，其刚度永远低于墙体的刚度.在地震作用下，这些接缝首先出现裂纹并逐渐开展，使整个结构具有相当的耗损能量的能力，减少了地震作用力对结构的破坏作用，试验表明，即使是大量使用的低配筋(=0.1～0.15%)墙板，墙体的延性系数一般亦有 3 ～4[10].

2.1 国内少筋混凝土剪力墙的相关试验研究

1983年，云南省建筑科学研究所主持并完成了一项四层建筑大型破坏性整体试验，该试验模型的比例尺为1∶2.该结构的原型为南方少筋混凝土大板住宅，该试验的目的是观察与计算墙本身的破坏过程，加强了节点与接缝从而使得节点接缝破坏不会早于墙体破坏.根据试验结果，陈芹、李世涛研究了少筋混凝土剪力墙结构的抗侧力破损的计算机模拟方法，为日后的研究提供了参考[2].

重庆大学汪亮[11]在其毕业论文《六度区低配筋不开洞剪力墙抗震性能试验与分析》中指出:由试件的破坏特征可以看出，低配筋混凝土剪力墙的开裂层间位移角较低，均在1/1500(1.0mm)左右，低于规范中对于混凝土剪力墙结构弹性层间位移角的要求;由试件的刚度退化特征可以看出，对无翼缘暗柱加强，能够明显改善试件的刚度退化性能;由试件的承载力退化特征可以看出，低配筋混凝土剪力墙在反复荷载作用下，承载力退化并不明显，直至试件达到破坏侧移时，承载力才出现明显的退化;由试件的耗能特征可以看出，低配筋混凝土剪力墙的耗能能力较差;由试件的延性特征可以看出，低配筋混凝土剪力墙都具备了较好的位移延性;由试件钢筋应变发展可以看出，边缘纵筋在底部开裂后迅速屈服，且随着水平裂缝向另一侧的延伸，竖向分布筋也迅速屈服，而水平分布筋的作用并不明显;由试件滞回曲线可以看出，低配筋混凝土剪力墙滞回曲线具有明显的捏缩效应，位移角在1/500(3.0mm)左右就达到荷载峰值，后期承载力保持稳定，直至位移角达到1/75(20.0mm)左右才出现降低.由此可见，在开展装配式少筋混凝土剪力墙研究时，可以优化构件的设计.

2.2 国外关于少筋混凝土剪力墙的试验研究

在欧洲，少筋混凝土剪力墙是指纵向配筋率小于0.2%的墙.Christian Greifenhagen、Pierino Lestuzzi[12]开展过对于少筋混凝土剪力墙静力往复试验的研究.研究表明，少筋混凝土剪力墙具有明显的变形能力，不受水平钢筋配筋率的影响.作者分别对不同学者的研究结果进行分析，并做了四块试件(如图1所示)进行试验.试验结果和Fouré的试验结果相近，水平钢筋对强度和变形能力影响很小而竖向钢筋对构件弯剪承载力很重要.造成对角斜拉破坏的基底剪力为名义弯曲强度的36% ～73%，混凝土抗压强度及轴压比导致了裂缝形式的不同.试验表明，仅按照重力荷载设计的剪力墙的层间位移能力超过1%，与其他试验相比，对于低矮剪力墙，层间位移取决于轴压比、竖向钢筋布置和墙顶约束的程度.没有旋转约束的悬臂剪力墙的脆性敏感程度低于顶部固定的剪力墙.

图1 试件钢筋布置

3 结语

装配式少筋混凝土剪力墙结构能够快速提高多层房屋的建造速度，有效地降低房屋的建造成本，因此能够更好地适应我国的城镇化进程及新农村建设需要.根据目前先进的装配式建筑设计及施工，装配式少筋混凝土剪力墙结构在未来的实际应用中具有巨大潜力，既符合当前住宅产业化的趋势，又有益于节能减排和提高经济效益.当然，目前尚存在诸多问题有待解决:

(1)如何解决构件的设计计算问题，是重新确立公式计算构件还是参照现浇构件计算;

(2)如何改进构件接缝处和连接件的性能，是现浇连接节点还是预制连接节点，采取哪种连接方式.

因此，积极开展对装配式少筋混凝土剪力墙结构的研究对住宅产业化具有深远的意义.

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范(GB50010－2010)[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[2]陈 芹，李世涛.少筋混凝土剪力墙结构抗侧力破损试验的计算机模拟方法[J].北方工业大学学报，1987(2):18－32.

[3]王晓东.装配式大板结构的抗震性能分析[D].哈尔滨:中国地震局工程力学研究所，2009.

[4]纪颖波.装配式大板住宅适用性能与物理性能调查[J].城市问题，2011(6):37－42.

[5]万墨林.关于《装配式大板居住建筑设计施工规程》中若干问题的说明[J].建筑科学，1990(4):57－60.

[6]中华人民共和国建设部.装配式大板居住建筑设计和施工规程(JGJ 1－91)[S].北京:中国建筑工业出版社，1991.

[7]杨 臻.大板结构住宅现状及加固处理[J].住宅科技，2011(S1):224－225.

[8]【装配式住宅】日本装配式混凝土建筑结构考察报告.http://blog.sina.com.cn/s/blog_4ff95bbf0100n0ru.html

[9]陈远军.六度区多层剪力墙结构住宅中低配筋开洞剪力墙抗震性能研究[D].重庆:重庆大学，2010.

[10]黄际洸.关于我国发展大板住宅建筑的几个问题[J].建筑技术，1988(2):46－48.

[11]汪 亮.六度区低配筋不开洞剪力墙抗震性能试验与分析[D].重庆:重庆大学，2010.

[12]Christian Greifenhagen，Pierino Lestuzzi.Static cyclic tests on lightly reinforced concrete shear walls[J].Engineering Structures，2005(27):1703－1712.