鋼框架—預制混凝土抗側力墻裝配式結構體系
基金項目：中央高�；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目（CHD2012TD012）；國家自然科學基金項目（51208058）
作者簡介：周天華（1963），男，陜西西鄉(xiāng)人，教授，博士研究生導師，工學博士，Email：zhouth163@163.com。
摘要：介紹了新型裝配式鋼結構住宅結構體系的基本構成、連接方式和構造關系；同時歸納和評述了該結構體系的特點，包括預制裝配化程度高、墻體可更換、墻體軸力小、布置靈活、抗側力體系與維護一體化等；闡述了該結構體系的設計理念、設計步驟，并對6層和18層該結構體系房屋進行設計實例分析；最后討論了該結構體系在應用過程中存在的主要問題和相應對策。研究結果表明：這種新型結構體系符合建筑產業(yè)化的進程，具有廣闊的應用前景。
關鍵詞：鋼框架；預制混凝土抗側力墻；裝配式結構；高層建筑；抗側力體系
中圖分類號：TU392.4 文獻標志碼：A
0 引 言
預制裝配式鋼結構住宅結構體系的工業(yè)化程度高、施工周期短、不受季節(jié)限制、現(xiàn)場濕作業(yè)少、材料利用率高、綠色環(huán)保、建筑節(jié)能性能好，是中國推進住宅現(xiàn)代化的理想住宅建筑體系。在鋼結構諸多類型中，鋼框架結構具有建筑空間大、布置靈活、易于標準化、定型化等優(yōu)點，目前在多、高層建筑中應用最為廣泛，但鋼框架結構的抗側剛度小，需要與其他抗側力體系結合才能滿足工程應用的要求，常見的結構體系有鋼框架支撐、鋼框架鋼筋混凝土核心筒、鋼框架鋼板剪力墻等。上述抗側體系均能增加結構抗側剛度，但存在構造復雜、裝配化施工不便、維護成本高等缺點。
寶鋼Living Steel項目組、同濟大學等對鋼框架帶縫鋼板剪力墻結構體系在鋼結構住宅中的應用開展了專題研究[14]，并較大規(guī)模地應用在四川都江堰災后重建重點項目“興堰·逸苑”全鋼結構安居房中[5]，然而材料本身造價較高，加工工藝復雜，同時存在防火、防腐、外圍護、后期裝修等一系列問題。
研發(fā)構造簡單、成本低、綜合性能好的“完全裝配式鋼結構多、高層住宅結構體系”，是目前中國時代發(fā)展需要。在此背景之下，本文中筆者提出一種新型裝配式鋼框架預制混凝土抗側力墻結構體系（SPW體系），擬對這種新型裝配式結構體系做全面介紹。
1 SPW體系簡介
1.1 基本構成
SPW體系基本構成為：鋼框架、預制混凝土抗側力墻、預制混凝土組合樓蓋3個部分（圖1，2），主要構件在工廠制作，現(xiàn)場安裝，大幅度減少現(xiàn)場濕作業(yè)，節(jié)省人力，提高效率。
預制混凝土抗側力墻可采用型鋼混凝土墻體、鋼筋混凝土墻體以及PVA纖維混凝土墻體等多種類型，通過合理的構造形式可實現(xiàn)抗側力體系與鋼框架同步安裝；同時預制裝配式混凝土墻體可以較好解決鋼結構房屋維護體系的防火、防腐問題，實現(xiàn)抗側力體系與維護體系制作、施工一體化。
預制混凝土組合樓蓋可采用鋼筋桁架疊合樓蓋[6]，鋼筋桁架與底層混凝土板在工廠預制，現(xiàn)場安裝后可作為施工階段的模板，承擔面層混凝土以及施工荷載，同時鋼筋桁架作為混凝土樓板的配筋承擔使用荷載。鋼筋桁架疊合樓蓋具有經濟適用、施工便捷、質量可靠等優(yōu)點，作為SPW體系的樓蓋系統(tǒng)可實現(xiàn)設計標準化和制造工業(yè)化。
1.2 連接構造
抗側力墻體僅與鋼框架梁連接而不與框架柱連接，此種連接方式一方面可以根據(jù)結構整體剛度的需求，靈活地調整墻體寬度；另一方面可根據(jù)門窗洞口的布置，靈活地調整墻體的位置，實現(xiàn)建筑和結構的統(tǒng)一。墻體頂部、底部具體連接方式有以下幾個方面。
1.2.1 墻體頂部
設置在墻體頂部的預埋鋼板與框架梁下翼緣采用高強螺栓連接，栓孔采用長圓孔構造，實際施工安裝過程中，先初擰高強螺栓，待主體結構施工完畢，框架梁由于樓（屋）面恒荷載產生撓曲變形后，再終擰高強螺栓。以期預制裝配式抗側力墻體僅承擔使用階段的豎向活荷載，同時長圓孔也可調整安裝誤差，如圖3所示，其中，δ為變形量。
1.2.2 墻體底部
形式1[針對型鋼混凝土抗側力墻，如圖4（a）所示]：預埋型鋼與框架梁焊接，框架梁上設置抗剪栓釘，混凝土墻體底部與框架梁預留150 mm的后澆縫（方便樓板鋼筋穿過），待預制樓板安裝完畢后，后
澆縫與樓板面層混凝土一次澆筑。
形式2[針對鋼筋（PVA纖維）混凝土抗側力墻，如圖4（b）所示]：墻體底部設置預埋鋼板，現(xiàn)場安裝時與框架梁焊接，框架梁上設置抗剪栓釘，混凝土墻體底部與框架梁預留150 mm的后澆縫（方便樓板鋼筋穿過），待預制樓板安裝完畢后，后澆縫與樓板面層混凝土一次澆筑。
形式3[針對鋼筋（PVA纖維）混凝土抗側力墻，如圖4（c）所示]：墻體底部設置小底梁，小底梁上翼緣設置抗剪栓釘、錨固鋼筋，與混凝土墻體同時澆筑，小底梁下翼緣與框架梁上翼緣通過高強螺栓連接，小底梁腹板預留孔洞，方便樓板鋼筋穿過。2 SPW體系的特點
2.1 預制裝配化
SPW體系的三大組成單元——鋼框架、預制混凝土抗側力墻、預制混凝土組合樓蓋均可進行工業(yè)化生產、現(xiàn)場安裝，具有施工周期短、不受季節(jié)限制、現(xiàn)場濕作業(yè)少等優(yōu)點，有利于實現(xiàn)設計標準化、制造工業(yè)化、安裝機械化，從而能夠促進建筑行業(yè)的產業(yè)化。
2.2 抗側力墻體可更換化
SPW體系是一種雙重抗側力結構體系，在風荷載及多遇地震作用下，鋼框架和抗側力墻體提供結構處于彈性階段的承載力和剛度的需求；在罕遇地震作用下，抗側力墻體作為第1道防線，通過自身的開裂實現(xiàn)能量耗散，對鋼框架提供保護，其退出工作后，鋼框架仍具有一定的承載能力，且結構體系延性好，可實現(xiàn)兩道設防，避免在罕遇地震作用下結構發(fā)生嚴重破壞甚至倒塌，同時采用預制墻體并加以合理的構造措施，可以實現(xiàn)抗側力墻體的災后維修和更換。 2.3 抗側力墻體施工階段零軸力化
預制混凝土抗側力墻體頂部螺栓孔采用長圓孔構造形式，并通過螺栓初擰→主體結構施工完畢→螺栓終擰的方式，使預制裝配式抗側力墻體在施工階段不承擔軸力，而僅在使用階段承擔少量的豎向活荷載，從而極大地減小了墻體的軸力，提高墻體變
形能力，使之與鋼框架在變形能力方面能夠較好地匹配。
2.4 抗側力墻體布置靈活化
抗側力墻體僅與鋼框架梁連接，此種連接方式一方面可以通過調整墻體寬度和數(shù)量來滿足結構不同的抗側剛度需求；另一方面可根據(jù)門窗洞口的布置，靈活地調整墻體位置，實現(xiàn)建筑和結構的統(tǒng)一，如圖5所示。
體系的`設計方法
3.1 兩道設防的理念
SPW體系是一種雙重抗側力結構體系，設計時可按照多道設防的設計方法，由于抗側力墻體剛度較大，可作為結構的第1道防線，在設防地震、罕遇地震下先于鋼框架破壞，并實現(xiàn)能量耗散，對鋼框架提供保護，其退出工作后，鋼框架作為第2道防線。由于塑性內力重分布，鋼框架部分按側向剛度分配的剪力比多遇地震時大，基于上述原因，可參照中國現(xiàn)行《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）[7]。對于其他雙重抗側力體系的類似方法，通過放大鋼框架部分地震力（按剛度分配得到）的方法加以考慮，具體放大數(shù)值待后續(xù)研究確定。
3.2 設計步驟
步驟1：按照豎向荷載設計鋼框架，并綜合抗震構造要求、樓層荷載、樓層數(shù)和跨度等因素初步確定框架柱、梁的尺寸。
步驟2：對步驟1中確定的鋼框架進行結構計算，并由層間位移角以及每層總剛度確定抗側力墻體需要提供的剛度。
步驟3：依據(jù)抗側力墻體剛度（后續(xù)研究確定）設計每層所用墻體的尺寸及數(shù)量，并綜合建筑布置及結構布置等因素確定抗側力墻體的位置。
步驟4：對鋼框架抗側力墻體系進行結構計算，并進行必要的調整，以保證結構計算結果能夠滿足各項要求。
步驟5：放大鋼框架部分地震力，以確保兩道設防的要求，并對其進行二次設計。4 SPW體系試設計
以文獻[5]中的鋼結構住宅為工程背景，參考其結構平面布置（圖6）。
利用有限元軟件ABAQUS分別建立6層和18層的SPW體系模型，模型層高為3 m，樓板厚為100 mm。擬定柱截面采用箱型截面，截面尺寸為350 mm×350 mm×20 mm×20 mm，梁型號為HN400×200×8×13，材質為Q235B級鋼；預制的鋼筋混凝土抗側力墻體墻寬1 800 mm，厚100 mm，混凝土強度等級為C30，采用梁單元建立框架梁、柱，通過分層殼單元[8]建立帶鋼筋層的抗側力墻體和樓板。SPW體系有限元模型如圖7所示。
4.1 結構的自振周期
采用Lanczos法分別提取6層和18層結構的前3階振型和對應的周期T1，T2，T3，如表1所示，其中扭轉周期與第1階平動周期之比為0.82，滿足
《建筑抗震設計規(guī)范》的要求。
4.2 反應譜分析
對SPW體系6層和18層模型進行彈性反應譜分析，結果見表2。從表2可以看出，水平地震作用下，結構體系剪重比、最大層間位移角均滿足《建筑抗震設計規(guī)范》的要求。
4.3 彈塑性時程分析
采用El Centro波、Taft波和上海人工波分別對6層和18層SPW體系進行罕遇地震下時程分析，并按文獻[7]對加速度時程最大值進行比例調幅，結構彈塑性層間位移角如圖8所示，滿足《建筑抗震設計規(guī)范》對多、高層鋼結構彈塑性層間位移角θp≤1/50的要求。
5 SPW體系在實際應用中存在的問題及對策5.1 連接構造的可靠性
抗側力墻體與框架梁連接處是保證鋼框架與抗側力墻體協(xié)同工作、共同承擔荷載的關鍵部位[911]，應保證連接破壞不先于墻體破壞，針對本文第1.2節(jié)中提出的3種連接方式，后續(xù)可設計模型試件，并開展水平低周反復加載試驗研究，測試其連接的可靠性，并結合試驗研究結論給出合理化的改進措施。
5.2 抗側力墻體的變形能力
SPW體系屬于鋼與混凝土混合結構，由于鋼材變形能力優(yōu)于混凝土材料，因此，應提高墻體變形能力，使之與鋼框架能夠較好匹配，可通過以下措施：①降低墻體的軸壓比，如采用第1.2節(jié)中所述長圓孔的構造形式，可大幅度減小墻體的軸壓比；②在墻體邊緣約束區(qū)設置型鋼或采取分段約束箍筋等措施，可提高墻體變形能力；③采用變形性能較好的新型混凝土材料，如PVA纖維混凝土等。
5.3 抗側力墻體剛度與承載力計算方法
本文中提出的抗側力墻體剛度、承載力的計算方法是SPW體系結構內力分析和構件設計的前提，抗側力墻體僅與框架梁相連接，框架梁為墻體傳遞荷載并作為其支撐邊界，使墻體的受力特點異于普通的混凝土剪力墻。后續(xù)研究可結合墻體變形特性建立考慮框架梁約束效應作用的剛度計算公式；同時基于墻體不同破壞模式（后續(xù)試驗研究確定），提出考慮墻體尺寸、材性、軸壓比、配筋率和連接強度的承載力分析模型，并建立承載力計算公式。
5.4 鋼框架與抗側力墻體的剛度匹配
對于SPW體系，若墻體的剛度較小，無法起到提高結構整體剛度作用；若墻體的剛度較大，則可能造成鋼框架先行破壞，因此二者適宜的剛度匹配對于實現(xiàn)結構延性破壞機制尤為重要。后續(xù)研究同時通過改變墻體厚度及高寬比調整墻體的抗側剛度，實現(xiàn)墻體與鋼框架剛度相適應，使整體結構反應滿足預設的性能目標。
5.5 彈（塑）性層間位移角限值的確定
目前世界各國抗震規(guī)范所采用主流方法是基于變形的抗震設計方法，彈性、彈塑性層間位移角限值是關鍵參數(shù)。可參照其他相似結構的限值，結合后續(xù)試驗研究結論，并在借鑒國外已有的研究和經驗的基礎上，給出合理的取值。 鑒于上述原因，本項目將對SPW體系的抗震性能、連接構造可靠性等方面開展系列試驗研究，并結合中國規(guī)范的相關規(guī)定，提出切實可行的分析、設計和計算建議，具體內容將另文專題介紹。6 結 語
本文中提出一種新型裝配式鋼框架預制混凝土抗側力墻結構體系（SPW體系），從基本構成、連接構造、體系特點、設計方法和應用研究等方面進行全面的介紹，并對6層和18層SPW體系房屋進行設計實例分析，驗證了該結構體系的可行性。SPW體系是一種構造簡單、成本低、綜合性能較好的裝配式鋼結構多、高層住宅結構體系，符合裝配式結構體系的發(fā)展和建筑產業(yè)化的進程。
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