装配整体式剪力墙结构采用钢结构接头的探索

陈国春

(中元(厦门)工程设计研究院有限公司 福建厦门 361004)

0 引言

装配式建筑采取构件工厂预制，现场拼装，节省模板提高劳动生产率，减少劳动强度，提高构件精度及工程质量，减少建筑垃圾及粉尘排放，绿色环保。国务院《关于大力发展装配式建筑的指导意见》(国办发〔2016〕71号)，决定大力发展装配式建筑，推进建筑技术创新，促进建筑业转型升级和可持续发展，各地积极响应，纷纷出台政策，装配式建筑呈井喷现象。如何保证装配式连接的质量，关系到整栋建筑的安全。本文以龙海市某棚户区改造工程为例，探索剪力墙预制构件连接采用钢结构接头，通过详细分析验算，结果可行，值得推广。

1 案例工程概况

图1 总体鸟瞰图

龙海市月港新区棚户区改造工程(内楼点)位于龙海市海澄镇内楼村，总建筑面积69 235m2，其中地下室一层，地上面积52 835m2，由4栋9层和4栋13层住宅局部带一层商业裙房组成，为嘉庚风格建筑，总体鸟瞰图如图1所示。建筑场地土类别为Ⅲ类，抗震设防烈度7度，设计地震基本加速度0.15g，设计地震分组第二组，基本风压值0.70kN/m2，采用剪力墙结构，建设主管部门要求该工程均采用工业化方式建造，各栋单体建筑预制率均要求大于30%，即地上各栋预制混凝土体积与总混凝土体积比大于30%。

2 装配预制方案

该工程层数少、预制率高，加上建筑采用嘉庚风格，构造大样的混凝土多，竖向构件即剪力墙需要预制才能满足预制率的要求，依据闽建〔2015〕6号文《福建省工业化建筑认定管理(试行)办法》，该工程采用预制剪力墙、预制叠合板、预制梁、预制楼梯、预制大样等方案，确保预制率大于30%，如表1所示。

表1 案例工程装配预制方案预制率详况 %

3 问题的提出

装配式竖向构件连接的质量，关系到整栋建筑的安全，《装配式混凝土建筑技术标准》[1]和《装配式混凝土结构技术规程》[2]的预制构件间接缝处采用不小于20mm厚灌浆料填实，连接钢筋采用套筒灌浆连接，《装配式混凝土结构技术规程》第6.5.1条的条文说明指出：后浇混凝土、灌浆料或坐浆材料与预制构件结合面的粘结抗剪强度往往低于预制构件本身混凝土的抗剪强度。

剪力墙主要作用是承担水平力，连接处的抗剪强度比构件低，与“强剪弱弯，强节点、弱构件”的抗震理念矛盾，剪力墙预制构件间如何有效传递水平力让业界的许多专家、学者感到担忧。如何保证预制剪力墙构件连接处的抗剪、刚度、抗震性能，值得探索。利用成熟的钢结构焊接工艺，装配整体式剪力墙结构连接处采用钢结构接头，可有效解决连接处的抗剪强度大于构件的强度。

4 钢结构连接方案

钢结构采用工厂生产，现场拼装、焊接，其技术成熟，施工方便，质量可靠，在预制剪力墙连接处预埋钢板，现场采用焊接(图2)。重点抓好钢板与连接钢筋的可靠连接，预埋的钢板与混凝土间的抗剪强度，以及预埋的钢板与钢板之间焊接强度，均大于剪力墙墙体允许的抗剪强度；并于预制剪力墙构件连接处，采用灌浆料填实，则可确保竖向构件连接处的抗剪、刚度、抗震性能，有效解决“强剪弱弯，强节点、弱构件”的抗震理念，实现“等同现浇”结构。

图2 预制剪力墙及连接

5 连接处设计

预制剪力墙连接处，间隔一定距离设一个钢板焊接连接，墙底部两侧各预埋一块钢板，并设穿墙钢筋锚固于剪力墙；墙顶部预埋一个钢板(钢板位于后浇混凝土楼板上面)，钢板与预制剪力墙内的连接钢筋采用穿孔塞焊，墙顶部预埋的钢板下加设抗剪键用于传递水平力，如图2所示。现场拼装时，把墙底部两侧预埋的钢板与下一层剪力墙顶部预埋的钢板焊接成一体，如图2～图3所示。

图3 预制剪力墙连接大样

6 连接处验算

6.1 墙体允许最大抗剪承载力

按200mm厚剪力墙间隔中心距离L=150+600=750mm设一个钢结构连接,剪力墙混凝土强度C40，钢筋为三级钢，验算该长度L混凝土墙体允许的最大抗剪承载力。

(1)根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[3]第7.2.10条规定，取最不利λ=1.5、N=0.2fcbwhw,则间隔距离L=750剪力墙永久、短暂设计状况下斜截面受剪承载力V：

V≤0.5ftbwhw0+0.13NAw/A+fyhAsh/shw0=311.82kN

(2)根据《混凝土设计规范》[4]第6.3.21和第6.3.22条规定，偏心受压取最不利λ=1.5、N=0.2fcbh,偏心受拉取最不利λ=1.5、N=0,则间隔距离L=750墙肢混凝土斜截面受剪承载力V：

偏心受压时：

fyvAsh/Svh0=339.1kN

偏心受拉时：

fyvAsh/svh0=164.6kN

综上可见，允许最大抗剪强度取上述最大剪力值339.1kN验算。

6.2 墙底部预埋验算

底部墙两侧各预埋一块钢板200mm×250mm，并设穿墙钢筋锚固于剪力墙。

(1)根据《混凝土设计规范》第9.7.2条规定，锚筋即穿墙筋的截面面积：

穿墙筋采用4Φ16，As=804mm，满足要求。

(2)根据《钢结构设计标准》[5]第6.1.3条规定，预埋钢板厚度：

取8mm厚即两侧钢板截面为200×8，满足要求。

6.3 墙顶部预埋验算

墙顶部预埋一个钢板，钢板截面同墙底部两侧预埋钢板，其下加设两个抗剪键用于传递水平力。根据《钢结构设计标准》第6.1.3条规定，抗剪键钢板厚度[5]：

取12mm厚即设两个抗剪键125×12，满足要求。

6.4 墙上下钢板焊接验算

根据《钢结构设计标准》第11.2.2条规定，两个侧面角焊缝的最小厚度[5]：

取8mm厚两侧两条角焊缝，满足要求。

6.5 小结

上述连接处验算可见，采用预埋钢板现场焊接(无焊接处暂按断开考虑)的钢结构接头方案，其水平承载力可满足现浇钢筋混凝土剪力墙墙体允许的最大抗剪承载力要求，即装配整体式剪力墙结构连接处采用钢结构接头能达到“等同现浇”结构的要求，可确保剪力墙预制构件连接处的抗剪、刚度、抗震的性能，有效解决“强剪弱弯，强节点、弱构件”的抗震理念。

该连接做法用于龙海市月港新区棚户区改造工程(内楼点)，该工程设计图纸于2018年4月通过福建省建科院施工图审查有限公司审查合格，该连接做法于2018年10月在漳州市建设局组织的装配式认定专家论证会上，3位结构专家给予认定通过。本文每个钢结构接头的用钢量统计为8.62kg。

7 结构加强措施

为了实现预制剪力墙构件连接处“等同现浇”结构的抗震性能设计目标，确保结构的可靠连接，结构设计还采取以下相应的加强措施。

(1)剪力墙的边缘构件采用现浇。

(2)剪力墙连接处混凝土表面设置粗糙面，接缝处采用专用的灌浆料填实，以便上下剪力墙完全连成一体，其作为连接处承载力的储备，实现“强剪弱弯，强节点、弱构件”的抗震理念。

(3)剪力墙顶部预埋钢板的中间开孔形成凹口，加强上下剪力墙灌浆连接质量。

8 结论

装配整体式剪力墙结构连接处采用钢结构接头的方案可行，实现连接处的抗剪强度大于构件本身，有效地解决了“强剪弱弯，强节点、弱构件”的抗震理念，实现“等同现浇”结构，可推广使用。