某超高层内藏钢混凝土剪力墙的应用研究

汪初令

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510010）

1 工程概况

广东某B 级高度的超高层建筑为公寓，地上41层，建筑高度为148.50 m，屋顶构架标高160.80 m，地下3 层，主要为商业、停车库及设备用房。建筑面积约8 万m2，平面为“L”型建筑，如图1所示，外轮廓尺寸为51.3 m×50.4 m，高宽比为6.08，长宽比为1.83。为满足业主对建筑使用的需求提高混凝土剪力墙抗侧刚度，主体结构底部某高度范围内的普通混凝土剪力墙设置内藏钢，内藏钢混凝土剪力墙总体上比普通混凝土剪力墙截面缩小200 mm。通过内藏钢混凝土剪力墙的引入，改善了高强混凝土材料的延性，较大地减少主体结构混凝土用料、结构总重，增加了建筑实用面积；内藏钢材料为Q345，钢材厚度为20～30 mm，混凝土强度等级最高为C60，其余按计算需要均匀递减变化，型钢采用标准模块设计，工厂加工制作，现场焊接拼装。通过用结构专业软件YJK、PKPM、ETABS 计算，结构主要计算指标均比较理想，主体结构各构件能满足设定的抗震性能目标[1]。

图1 超高层立面

2 内藏钢混凝土剪力墙计算

根据广东省《高层建筑钢-混凝土混合结构技术规程》（DBJ/T 15-128—2017），本工程采用分离式内藏钢板混凝土剪力墙截面形式设计[2]。

2.1 结构软件电算内藏钢混凝土剪力墙

2.1.1 多遇地震作用下电算

本工程结构抗侧力体系为内藏钢混凝土剪力墙体系，通过结构软件YJK、PKPM、ETABS 等自带钢板剪力墙功能进行结构模拟电算，并对该结构的整体抗震性能、关键构件设计、节点可靠性连接、构件变形差异、构件延性、弹塑性时程分析、施工过程模拟、施工拼装模板等关键技术进行专项讨论，结构计算考虑偶然偏心地震作用、双向地震作用、最不利地震作用、扭转耦联、施工模拟及弹性时程分析程序补充验算[3]。在多遇地震作用下，主体结构楼层位移、层间位移角和楼层侧向刚度呈现均匀变化，说明剪力墙计算刚度均匀。层间位移角和楼层侧向刚度变化分别如图2、图3所示。主体结构其余各项主要计算指标均能满足规范要求。

图2 层间位移角

图3 楼层侧向刚度变化

2.1.2 中震和大震作用下电算

本工程依据《高层建筑钢-混凝土混合结构技术规程》第3.11 节的要求进行结构抗震性能化设计。在中震作用下，剪力墙构件均满足抗剪和抗弯承载力验算。借用结构软件PKPM-SAUSAGE，在罕遇地震作用下，验算主体结构剪力墙混凝土和钢材的损伤程度。经过计算复核，混凝土和钢材组合协同受力较为理想，剪力墙混凝土未出现明显受压损伤，墙内钢材弹性状态也较为合理，大部分结构构件均在轻度损伤以下。对于承受弯矩和剪力较大的建筑端部剪力墙，剪力墙混凝土出现小范围中度损伤，同时墙内钢材部分进入塑性状态，但构件整体仍处于轻微到轻度损坏程度。结构连梁损伤程度较大，部分达到中度到重度损坏，起到一定的耗能作用。

2.2 依据国家和地区相关规范手算复核内藏钢混凝土剪力墙

本工程为“L”型超高层建筑，剪力墙墙体竖向承受比较大的重力，墙体角部承受到比较大的弯矩、剪力，局部引入内藏钢板混凝土剪力墙，有效解决以上问题。目前的结构专业软件PKPM、YJK 和ETABS 对内藏钢混凝土剪力墙的电算比较单一，未能满足实际施工需要。因此，在模拟电算的基础上，手工手算复核验算构件承载力问题尤为重要。

2.2.1 钢板混凝土受剪截面承载力验算

（1）持久、短暂设计状况计算如式（1）、式（2）所示。

（2）地震设计状况。

当剪跨比λ 大于2.5 时，计算如式（3）所示。

当剪跨比λ 小于2.5 时，计算如式（4）、式（5）所示。

式中：V——钢板混凝土剪力墙截面承载力的剪力设计值；Vcw——仅考虑钢筋混凝土截面承担的剪力设计值；λ——计算截面的剪跨比，当λ＜1.5 时，取λ=1.5，当λ＞2.2 时，取λ=2.2；当计算截面与墙底之间的距离小于0.5 hwo时，λ 应当按距离墙底0.5 hwo处的弯矩值与剪力值计算；fa——剪力墙端部暗柱中所配型钢的抗压强度设计值；Aa1——剪力墙一端所配型钢的截面面积，当两端所配型钢截面面积不同时，取较小一端的面积；fsp——剪力墙墙身所配钢板的抗压强度设计值；Asp——剪力墙墙身所配钢板的横截面面积。

2.2.2 钢板混凝土剪力墙斜截面承载力验算

钢板混凝土剪力墙偏心受压时的斜截面受剪承载力应按式（6）、式（7）验算。

（1）持久、短暂设计状况计算如式（6）所示。

（2）地震设计状况计算如式（7）所示。

式中：N——剪力墙承受的轴向压力设计值，当大于0.2 fcbwhw时，取为0.2 fcbwhw。

2.3 混凝土剪力墙内藏钢的构造要求

①内藏钢混凝土剪力墙轴压比需满足规范要求。②内藏钢混凝土剪力墙在楼层标高处宜设计钢骨暗梁，纵向钢筋拉通。③内藏钢混凝土剪力墙保护层厚度和剪力墙分布筋抗震锚固长度需满足规范要求。④内藏钢混凝土剪力墙分布钢筋配筋率需满足最小配筋率构造和施工缝计算配筋要求。⑤内藏钢混凝土剪力墙钢材的厚度和规格等要求需满足规范要求。⑥内藏钢混凝土剪力墙钢材的其他构造要求尚需满足超限审查意见的要求。⑦内藏钢混凝土剪力墙需满足规范设置栓钉要求外，尚需根据刚度分配原则计算单个栓钉剪力[4]。

3 主要材料用量

3.1 抗震构造措施的影响

根据我国《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）和广东省《高层建筑钢-混凝土混合结构技术规程》（DBJ/T 15-128—2017），结构抗震受力构件应符合相应的计算和构造措施要求。

在不同抗震等级条件下，剪力墙结构的抗震构造措施，如表1所示。

3.2 结构主要用料统计

本工程借用结构专业软件YJK 计算，为直观表示内藏钢混凝土剪力墙的材料用量，通过用普通混凝土剪力墙参与计算对比，在主体结构主要计算指标接近且满足规范的条件下，统计剪力墙结构和结构梁的材料用量，计算结果如表2所示。

表2 不同抗震设防烈度的结构变化量

4 结语

对于超高层建筑高强混凝土材料，内藏钢混凝土剪力墙不仅能改善材料延性，还能提高构件的抗侧刚度和承载力。

“L”型超高层剪力墙结构角部和端部易出现拉应力，且弯矩和剪力较大，配筋需复核。

目前各结构软件YJK、PKPM 等模拟钢板剪力墙布置条件与规范的内藏钢混凝土剪力墙布置条件还有些差距，内藏钢混凝土剪力墙还需人工手算验算，必要时组织专家论证。

内藏钢混凝土剪力墙在超高层剪力墙结构中虽较大地节省混凝土用料，减低环境污染，但针对不同结构形式钢板剪力墙的制作采取不同的施工工艺，建议用高强螺栓连接提高钢板剪力墙的加工精度[5]。

内藏钢混凝土剪力墙结构与普通混凝土剪力墙结构的梁钢筋用料增加约3.9%，剪力墙钢筋用料减少20%，混凝土用料减少6%，但是增加了1450 t 的型钢，主要因为结构材料替换，钢材与混凝土剪力墙组合受力，解决剪力墙结构承载力问题。

内藏钢混凝土剪力墙结构比普通混凝土剪力墙混凝土结构理论上用料节省约8000 t，钢筋节省300 t，但是型钢增加了1457 t，在未考虑对基础造价的影响下，土建结构材料增加了费用。

内藏钢混凝土剪力墙结构体系的主体结构各项指标满足规范要求，亦能满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标。