装配整体式剪力墙结构设计初探

陈伟 彭敏

装配式混凝土结构设计作为装配式混凝土建筑设计的一个重要部分，其在实践过程中所遇到的问题越来越多，既要满足装配率的要求，也要协调建筑、机电等专业解决装配式的标准化问题，同时还要做到安全适用、技术先进、经济合理。从预制剪力墙布置、外墙窗洞墙的简化处理和连接设计3个方面对高层装配整体式剪力墙结构的设计进行简要分析和探讨。

建筑工业化; 装配式建筑; 装配整体式剪力墙

TU741.2 A

［定稿日期］2022-03-11

［作者简介］陈伟（1980—），男，硕士，高级工程师，从事建筑结构设计工作。

1 预制剪力墙布置

装配整体式剪力墙的结构的剪力墙布置原则与传统的现浇剪力墙结构并无太大区别，结构平面形状宜简单、规则、对称、刚度分布均匀；结构竖向布置应连续、均匀，避免抗侧力构件的侧向刚度和承载力突变。但考虑到在结构方案阶段需要计算建筑的装配率，以便计算主体结构的得分是否满足预期的装配率要求，因此对装配整体式剪力墙结构、预制剪力墙的布置及数量统计是装配整体式剪力墙前期结构方案设计的重要一环，预制剪力墙的布置既要保证结构的安全可靠，又要遵循装配式建筑所要求的“少规格、多组合”的原则，还要实现构件生产、运输和施工的可行性，以实现规范所要求的安全适用、技术先进、经济合理、确保质量的目标。

从结构受力上看，高层剪力墙结构的底部加强区对结构整体抗震性能尤为重要，JGJ1-2014《装配式混凝土结构技术规程》［1］（以下简称为《规程》）第6.1.8条规定了底部加强部位的剪力墙宜采用现浇混凝土。对于楼电梯间集中布置具有明显筒体形状的剪力墙结构，一方面其核心筒往往是连接平面各突出端保证结构整体性传递水平力的重要结构构件;另一方面楼梯间是地震火灾时逃生的重要通道，消防电梯是消防人员救援的重要竖向交通，因此对楼电梯周边的井筒剪力墙，在整个结构高度上也不宜采用预制。

从现场施工技术层面，由于目前灌浆套筒连接技术是预制剪力墙连接的关键核心技术，是形成装配整体式混凝土结构的重要基础，因此保证预制剪力墙的连接质量尤为重要。根据项目经验，未采用管线分离的工程，需要在剪力墙下部（图1）预留线槽，导致后期施工时封仓困难，影响构件的连接性能。而采用了管线分离的工程，可以很好地避免剪力墙开槽，便于后期封仓和灌浆。故在装配式方案策划时，应尽可能采用管线分离的设备管线系统。如果确实无法采用管线分离方案，则在管线线盒布置较多的客厅电视墙位置不设置主体剪力墙，避免墙端下部开槽对预制剪力墙的影响。

2 外墙窗洞墙的简化处理

2.1 窗洞下墙的构造处理

目前关于窗洞下墙的简化处理GB/T 51129-2017《装配式建筑评价标准》给出了3种做法：

（1）预制连梁向上伸出竖向钢筋并与空口下墙内的竖向钢筋连接，洞口下墙、后浇圈梁与预制连梁形成一根叠合连梁，见图2（a）。该处理方式施工较为复杂，而且洞口下墙与预制连梁形成一根叠合连梁、预制连梁组合在一起形成的叠合构件受力性能没有经过试验验证，受力和变形特征不明确，不建议采用此做法。

（2）预制连梁与上方的后浇混凝土形成叠合连梁；洞口下墙与下方的后浇混凝土之间设置销键以防止裂缝开裂并抵抗必要的平面外荷载，见图2（b）。洞口内设置纵筋和箍筋，作为单独的连梁进行设计，即洞口上下形成双连梁构造，此构造可以大大提高结构的抗侧刚度，但也会引起连接连梁两端的暗柱纵筋配筋增加。

（3）将洞口下墙采用轻质填充墙，在计算中仅作为荷载，洞口下墙与下方的后浇混凝土及预制连梁之间不连接，墙内设置构造钢筋，见图2（c）。此构造方式最为简单，结构计算和普通的现浇混凝土单连梁相同，但对于飘窗洞口，由于窗下墙无法提供所需要平面外的弯矩，此方案不能保证窗下墙面外的稳定，故仅用于普通窗洞口的处理。

2.2 飘窗洞侧墙的构造处理

对于带飘窗的预制外墙，由于其体积大且属于三维空间立体构件，无论是设计还是制作、吊装均尤为重要。飘窗洞口两侧紧邻的外墙是设计为受力的边缘构件还是非承重的混凝土墙板也是一个值得讨论的问题。根据已有项目经验，目前可以采用双連梁+梁间挂板和预制暗柱+双连梁2种方式来简化处理，如图3所示。

方案一为双连梁+梁间挂板方案，该方案预制飘窗仅通过上下梁两侧出筋与剪力墙现浇段相连接，两侧的短墙段设计为梁间挂板，参照填充墙拉结筋的方式出筋，以尽量减小挂板对主体结构刚度的影响，下方梁与楼层仅需设置20 mm厚的座浆料。该方案的传力路径为飘窗板—上下双连梁—两侧现浇剪力墙后浇段，该方案优点是两侧一定宽度的墙板作为非承重墙来设计，省去套筒灌浆连接工序，结构造价较经济，缺点是窗下连梁出筋处剪力墙力墙后浇段浇边缘构件箍筋绑扎困难，施工时需要采取措施来保证箍筋约束效果。

方案二为预制暗柱+双连梁方案，该方案飘窗板的传力路径为上下飘窗板—上下连梁—两侧预制剪力墙。优点是飘窗部位受力更安全可靠，由于下方连梁钢筋可以直接锚固在预制暗柱内，避免了后浇暗柱区域连梁纵筋的出筋，对两侧剪力墙现浇段箍筋的绑扎较为有利，缺点是增加了主体剪力墙的长度，同时也增加了墙柱纵筋和灌浆套筒用量，造价较高；同时由于整个建筑外围除了窗洞位置均为受力的剪力墙，全部落地到对地下室停车位和设备用房的布置影响非常大，因此在不影响地下室车位和设备用房布局的情况下，窗洞两侧预制边缘构件的全部或部分范围可能因建筑停车位的布置必须将地下室顶板进行转换。

3 连接设计

连接设计是装配式结构设计的一项关键工作，在工厂生产制作的预制构件其本身的精度、质量等均要优于在工地现浇构件，但预制构件的现场的拼接质量往往受施工质量的影响相差较大，施工质量的优劣很大程度上决定了装配式结构的节点性能。预制构件的拆分就是保证装配式建筑结构节点连接性能的重要一环，这里主要讨论一下预制剪力墙和叠合板的拆分和连接设计。

3.1 竖向拆分与连接

目前楼层内相邻预制剪力墙之间的竖向连接采用整体式接缝连接，楼层之间设置水平后浇带或后浇圈梁来保证结构的整体性。确定剪力墙竖向接缝位置的一个主要原则是构件标准化，并保证结构连接的可靠性。《规程》规定当接缝位于纵横墙交接处的约束边缘构件区域时，约束边缘构件区域宜全部采用后浇混凝土，并在后浇段内设置封闭箍筋；当接缝位于纵横墙交接处的构造边缘构件区域时，构造边缘构件宜全部采用后浇混凝土。关于剪力墙的拆分设计，《规程》只是给了一个整体的原则，实际设计过程中，预制构件的拆分具有很大的灵活性，需要设计人员根据剪力墙的位置、受力情况和现场最大吊重等多方面考虑，反复优化以达到相对最优的结果。根据已有的工程经验，预制剪力墙的长度不宜太短，预制剪力墙太短会导致吊装的构件太多，增加现场吊装的工作量，但也不宜过长，太长会导致构件过重，施工机械租赁成本过高，经济性差。目前单个预制剪力墙板的长度以控制在1.0～3.0 m为宜，当建筑内部墙肢太短时，考虑剪力墙墙身和剪力墙暗柱一起预制，这样可以大大提高装配效率。

目前国标图集15G310-2给出了预制剪力墙的竖向接缝连接构造，主要包括了预制墙和后浇暗柱接缝构造及预制墙间的竖向接缝构造。预制墙间的竖向接缝构造主要用在剪力墙较长时，由于构件重量太大不得不拆分成2个重量较小的预制构件，图集给出了无附加连接钢筋和有附加连接钢筋2种构造形式，图4为无附加连接筋的连接构造，因为预制剪力墙在吊装就位过程中水平方向不能移动，无论是直线钢筋搭接（图4（a））还是预留弯钩钢筋连接（图4（b））在后期安装过程中均存在一定困难，不能保证构件现场安装的顺利实施。因此在此笔者建议采用规范的有附加筋连接构造，具体可参见15G310-2第22～23页。

关于预制墙和后浇边缘暗柱的接缝构造，根据后浇边缘暗柱形状的不同又分为了一字型、“L”型、“T”型及带端柱等多种接缝构造形式，限于篇幅这里仅就一字型进行讨论。目前一字型的接缝构造主要如图5所示的3种形式，从箍筋对混凝土的约束效果来看，左侧2种构造方式明显能够为端部暗柱混凝土提供更好的约束效果，但其箍筋绑扎困难，实际施工过程中应采取有效措施保证后浇暗柱箍筋绑扎的顺利实施。图5最右侧接缝方案的优点是后浇边缘构件的箍筋绑扎简单，但对端部后浇暗柱混凝土约束效果较差。在实际应用过程中，為减小预制剪力墙的出筋长度，图4最右侧的搭接方式也可以替代为采用预留钢筋和附加连接钢筋末端带90°弯钩的做法，预制剪力墙的出筋长度可以减小为1.0LaE，各种情况对应的出筋长度详见表1。

总而言之，预制剪力墙出筋长度和出筋的方式及后浇段箍筋类型有关，每种接缝构造方式均有其优缺点，在设计中采用何种出筋构造应根据结构的抗震等级、设防烈度、接缝位置、受力重要性等诸多因素综合确定。笔者建议对8度以上的高烈度区以及抗震等级为三级以上的7度区，由于地震剪力较大，宜采用图5（a）、图5（b）约束效果较好的2种接缝方案；对6度、7度区的多层剪力墙结构由于地震剪力较小，

从方便施工角度出发可考虑采用图5（c）的接缝方案。

目前国标图集15G310-2对于后浇暗柱区域的纵筋连接推荐采用Ⅰ级接头机械连接，但目前市场上仅提供直径D≥16的机械连接接头，后浇暗柱区域的纵筋直径很难去匹配这一直径要求，直接放大后浇暗柱区域的纵筋直径又会造成结构成本的大幅增加，因此目前实施的工程中后浇暗柱区域纵筋的连接方式还是采用传统的搭接或焊接方式。这就造成了竖向接缝处后浇暗柱的箍筋绑扎困难，对于三边均有预制构件相连的T形现浇接头处的影响最为明显（图6）。

根据现有的工程经验，目前可以被接受的处理方式就是在竖向纵筋连接高度范围内采用图7的方式来替代原有的封闭箍，并对箍筋的间距适当加密，以保证箍筋对后浇暗柱区混凝土的约束效果。当然这是目前针对预制构件复杂节点区段钢筋绑扎施工的一种迫不得已的被动解决方式，作为设计人员还是应该从方案设计、拆分设计着手，提前预判后期的现场施工可能出现的现场施工问题，尽可能避免“T”型接头，多采用一字型或“L”型接头的后浇暗柱。

3.2 水平向拆分与连接

预制剪力墙板的水平接缝同样重要，目前上、下层预制剪力墙板的连接方式有灌浆套筒连接、浆锚搭接连接和挤压套筒连接3种，其中灌浆套筒连接为装规推荐的主要连接方式。灌浆套筒连接的水平接缝位置通常设置楼层标高处，接缝高度为20 mm，接缝处后浇混凝土上表面应设置粗糙面。预制剪力墙水平接缝的连接关键在于保证钢筋连接灌浆套头接头的施工质量，目前灌浆套筒按结构型式可分为全灌浆套筒和半灌浆套筒。2种类型的套筒对比见表2，由于全灌浆套筒的筒体两端均采用灌浆方式连接钢筋，而半灌浆套筒仅筒体一端采用灌浆方式连接，另一端采用常规直螺纹连接，因此全灌浆套筒需要更多的灌浆料。需要说明的是，对于预制暗柱的纵筋尽可能设计为相同直径，如果确需采用不同直径，则需要确保同一连接区的上、下层连接钢筋相差不能超过一级，这是因为灌浆套筒的直径规格对应了连接钢筋的直径规格，工程中不得采用直径规格小于连接钢筋的套筒，但可采用直径规格大于连接钢筋的套筒，但相差不宜大于一级。

4 结束语

国家目前正在大力发展装配式建筑，装配整体式剪力墙结构作为住宅建筑常用的结构体系，其在今后的应用会越来越多，预制剪力墙的布置对装配整体式剪力墙的结构设计尤为重要，既关系到建筑装配率的计算，也关系到结构构件的标准化程度。作为结构工程师要不仅应在建筑施工图前期阶段就和内部建筑、机电专业密切配合，而且还应和总包单位、生产厂家深度沟通，从建筑抗震概念和现有的生产安装工艺出发，以期得到既安全可靠又经济合理的预制剪力墙布置方案。基于施工便利和经济性的双重原因，装配整体式剪力墙结构的外墙通常全部采用预制，住宅的外墙窗洞较多，且很多窗户为飘窗，本文给出了窗下墙的3种处理方式以及优、缺点，同时从连接可靠性、施工便利性和建造经济性等方面分析了紧邻预制飘窗洞两侧的部分墙体的处理方式，为设计提供了很好的参考。

连接设计是装配式结构设计的主要内容。本文结合目前的国标图集15G310-2，分析了常规的预制剪力墙竖向接缝构造的优、缺点，并对不同抗震等级和设防烈度下的连接方式给出了建议，同时对全灌浆套筒和半灌浆套筒在经济性和适用性方面给出了对比，可供设计参考。

参考文献

［1］ 装配式混凝土结构技术规程： JGJ1-2014［S］.

［2］ 装配式混凝土建筑技术标准： GB/T 51231-2016［S］.

［3］ 钢筋套筒灌浆连接应用技术规程： JGJ 355-2015［S］.

［4］ 装配式建筑评价标准： GB/T 51129-2017［S］.