SGBL 装配式剪力墙的力学性能与一体化建造研究

刘海静

（张家口市住房和城乡建设局，张家口 075000）

1 前言

随着碳中和、碳达峰战略在建筑产业的逐步落实，为大力发展绿色建筑，提升建造的绿色环保水平，装配式剪力墙结构逐步开始发展起来。由于装配式剪力墙结构具有模数统一、可在工厂内统一预制，其生产过程的碳排放水平明显较低，是建筑节能的主要发展方向。目前，我国的装配整体式剪力墙结构主要采用剪力墙身在工厂预制，运输到现场之后，通过预埋的套筒与下层剪力墙之间建立灌浆套筒连接，并在现场浇筑剪力墙边缘构件。大量的实践已经证明装配式剪力墙结构的可行性与优越性。然而，装配式剪力墙上下层钢筋之间的连接在实际施工中存在着两大难点：

（1）下层钢筋与预埋套管之间的对接难度较大，很难一次性对准，同时对工人的施工工艺要求也较高。

（2）灌浆连接的质量难以得到有效保障，从而导致剪力墙结构的整体性存在缺陷，严重时甚至会影响剪力墙结构的抗侧刚度，从而造成安全事故。为了解决这些问题，学术界、工程界也展开了大量的研究，并先后提出了机械连接等新型连接方法，但是由于传统装配式剪力墙墙身钢筋多而细、施工空间狭小等因素，一直难以从根本上解决这一问题。

近年来，随着混凝土材料的发展以及有限元仿真计算精确性的提升，陆续有学者提出可以直接将传统剪力墙墙身竖向分布钢筋在楼面处直接截断，并加大边缘构件配筋，从而从根本上解决施工难题。随着研究的逐步拓展，在同济大学、中建八局等单位的协同配合下提出了一种剪力墙竖向分布筋不连续的装配整体式剪力墙结构（SGBL 装配式剪力墙），并已经被应用在实践中，但应用规模尚不足10 万平方米。为了进一步验证此种结构形式的有效性，在本文的研究当中采用“理论+实践”的方式对SGBL 装配式剪力墙结构的力学性能进行了分析。此外，为了提升SGBL 装配整体式剪力墙建造的绿色节能水平，还对其一体化建造技术进行了分析，以期通过管理技术的创新来降低生产能耗。

2 SGBL 装配整体式剪力墙的力学性能分析

2.1 SGBL 装配整体式剪力墙的力学设计原理

剪力墙结构由墙身与边缘构件两部分组成，在竖向荷载作用下，二者均受压力，但由于钢筋的抗压强度并不明显强于混凝土，因此，在墙身内部配置大量的钢筋并不合理。在水平地震力作用下，剪力墙为压弯构件，两边的边缘构件形成抵抗弯矩，剪力墙墙身对于结构的抗侧力也没有明显的作用。因此，从理论上来看，剪力墙墙身的分布钢筋对于结构的承载力并不存在突出贡献，因此，适当削弱墙身分布筋配置在理论上具有可行性。但考虑混凝土开裂、收缩徐变等因素，完全取消剪力墙墙身分布筋也是不合理的。为解决装配式剪力墙竖向钢筋灌浆套筒等连接方式的不便性，考虑将墙身竖向分布筋在楼层拼接处截断，并采用坐浆连接剪力墙墙身，同时加大边缘构件配筋的方式来建造一种新型剪力墙结构，此种结构即为SGBL 装配整体式剪力墙结构。

2.2 SGBL 装配式剪力墙构件承载力分析

关于剪力墙墙身竖向分布筋的连接问题，我国现行规范没有对此给予明确的说明，只有《高层建筑混凝土技术规程（JGJ 3-2010）》第7.2.8 条中在计算剪力墙墙身承载力时对剪力墙分布筋的配置提出了一定的要求，但也没有明确要求竖向必须搭接。为了对SGBL 装配式剪力墙的承载力进行分析，基于anasys 软件建立了有限元分析模型，对竖向分布筋连续与不连续两种剪力墙的受压承载力进行了计算，结果如下图1 中所示，从中可以发现，SGBL 装配式剪力墙与传统装配式剪力墙的竖向承载力没有被明显削弱。

图1 SGBL 装配整体式剪力墙承载力分析

2.3 SGBL 装配式剪力墙结构的性能分析

实际上，在剪力墙结构中，剪力墙构件作为主要的抗侧力构件，是影响结构性能的重要因素。为此，不仅需要从承载力的角度出发来分析构件性能，还需要对结构的整体进行多全面评价。在本文的研究当中以某一传统装配式剪力墙结构有限元模型为基础，基于盈建科的装配式设计模块将剪力墙的连接改为竖向分布筋不连接，从而对两个模型的计算结果进行对比分析。该工程项目为抗震设防烈度为7 度（0.1g），层高2.9m，共计11 层，建筑高度31.9m，体型规则性满足《高规》中的相关规定，均未发生超限，相关计算结果如表1 中所示。

表1 抗震性能对比分析

从下表中的统计数据中可以发现，在三阶段抗震设防设计中，将传统灌浆套筒连接装配式剪力墙方式改为SGBL 装配式剪力墙，其层间位移比并未发生明显增大，这说明结构的抗侧力水平基本保持不变，即SGBL 装配式剪力墙与传统采用灌浆套筒连接的装配式结构在抗侧力性能方面并未发生明显削弱。

此外，从结构的破坏形态来看，SGBL 装配整体式剪力墙的延性与灌浆套筒连接的装配式剪力墙并无明显差异，从理论上来看，剪力墙身混凝土的塑性破坏可能更有利于提升的耗能，从而保障结构在地震力作用下的变形。

3 SGBL 装配整体式剪力墙的一体化建造

装配式剪力墙由于采用工厂预制、现场拼接施工等方式，不仅提升了结构的成型质量，同时工厂内的规模化生产有效降低了生产成本与能耗，从而实现了绿色建造的重要目标。SGBL 装配式剪力墙由于通过调整约束边缘构件配筋的方式解决了传统装配式剪力墙灌浆套筒连接方式的缺陷，提升了项目的装配率，其一体化建造技术也更为复杂，同时绿色建造水平也能得以大幅度提升。为进一步探索SGBL 装配式剪力墙一体化建造技术，在本文的研究当中以某一具体项目为例展开了研究与分析。

3.1 标准化设计

装配式结构生产能耗较低的根本原因在于工厂内的流水线化构件制造能够更好地控制成本，提升质量。采用工业化的生产方式来替代现场施工，其环保效能与工业化规模密切相关，只有装配式剪力墙构件的预制规模越大，则其成本与能耗就越低。

在建筑产业中，设计是生产的起点，SGBL 装配式剪力墙结构设计应遵循“少规格、多组合”的基本设计原则，减少构件的规格数量，尽量通过组合的方式来构建完整的剪力墙墙肢，从而达到提升模板利用率、降低人工成本的目标。具体而言，结构工程师在进行SGBL 装配式剪力墙结构设计中应全面贯彻构件的模数化、通用化、标准化设计方法，提升构件的通用性，降低构件的种类数量。

下图2 为该SGBL 装配式剪力墙预制构件布置图，该项目的结构体系在方案设计阶段就强调了标准化设计思路，充分考虑了设计、施工等多方面的要素，遵循了模数化设计的根本思路。从中可以发现，该项目的预制墙板规格只有3 种，门窗规格则有6 种，整体规格相对较少，从而在一定程度上降低了工厂预制的难度与成本。从图3 中也可以发现，通过拼接的方式也能有效组合出与初始结构设计相匹配的剪力墙墙身布置。在该项目当中预制墙体共计需要132 块，预制门窗为265 块，构件的连接应按照标准化的节点连接方法。

图2 剪力墙预制构件布置图

3.2 自动化生产

SGBL 装配整体式剪力墙由于竖向分布筋只分别在两侧保留两根，这就导致剪力墙预制构件的工厂预制效率也能得以大幅度提升。在该项目当中，为了进一步提升生产以及后期现场预制拼装施工的难度，还强化了信息编码、物联网等现代化信息技术应用，以自动化理论为基础对预制墙体工艺进行分解，并通过RFID 技术等进行自动识别，从而提升自动化生产水平。由于SGBL 装配式剪力墙相较于传统的预埋套管的剪力墙构件更为简单，可以直接对传统的预制剪力墙生产线进行改造升级即可直接使用。

3.3 装配化施工

便捷的装配化施工是装配式剪力墙结构最大的特征，由于取消了竖向分布筋的连接，SGBL 装配式剪力墙只需要在两侧将下层预留插筋插入到上层剪力墙墙身底部的预留盲孔之中即可，底部连接则采用坐浆连接，从而大幅度降低了施工难度。由于预制构件吊装会造成应力集中以及荷载偏置，从而导致构件的受力方式发生突变，因此，应按照设计要求完成吊装运输。在进行装配施工之前，应制定完善的施工方案与流程，并对具体的施工参数进行完善与修订，并要求施工技术人员必须在现场监督并给予工人必要的指导，确保套筒与钢筋对接的精准性与坐浆连接的可靠性。为了确保预制剪力墙墙身的精准定位，在该项目当中还设计了一套智能化调直设备，通过该设备能够精准定位墙体、调直钢筋，从而加速装配施工效率。

4 结论

随着建筑产业升级的不断发展，装配式剪力墙结构在高层建筑，尤其是居住类住宅建筑中的应用将得以进一步提升，SGBL 装配式剪力墙解决了传统剪力墙竖向钢筋连接施工的难题，也符合剪力墙结构的基本力学性能要求，可以在实践中进行大力推广，从而推动绿色建筑产业的转型升级。从绿色建筑深化发展的需求来看，SGBL 装配式剪力墙结构还存在进一步发展的空间，从目前来看主要包含如下几个方面：

4.1 BIM 技术的深度融合

SGBL 装配整体式剪力墙与结构由于预制化程度较高，且具备信息化施工需求，加强BIM 技术的应用能进一步提升生产建造效率。

4.2 预制范围的深度拓展

目前，SGBL 装配式剪力墙的预制构件使用范围依然集中在主体结构方面，未来应进一步加大外部节点、线条构造以及给排水、暖通预留管道等预制预埋一体化施工技术应用。

4.3 加快装配式构件拼接设备研发与应用

鉴于装配式剪力墙施工拼接的难题，应以机械、自动化等专业为引领，加快施工辅助装置设计研发。