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浅述高层钢筋混凝土叠合剪力墙住宅结构设计

发布时间:2015-05-22

引言
  我国的住宅建设正在以前所未有的速度与规模迅猛发展。面对全球发展低碳经济的新趋势,我国经济增长方式面临结构性调整。房地产业的发展与建设也面临结构性的转变。绿色建筑、住宅产业化的发展已经日益受到政府及开发商的重视。
 
  最近几年,万科等大型房地产商在“像造汽车一样造房子”的理念指导下,率先开展了住宅产业化的试验性建设引进了日本、香港、新加坡等地的预制装配式混凝土结构技术。简称PC(Precast Concrete)技术。在深圳、上海、江苏等地的住宅开发项目中,应用PC技术建造了一批高层、小高层住宅。
 
  钢筋混凝土剪力墙结构是我国高层住宅广泛采用的一种结构形式。应用PC技术建造的钢筋混凝土剪力墙结构称为预制钢筋混凝土叠合剪力墙结构。这种结构的设计和建造尚未有成熟的配套规范。因此,开展PC建筑结构以及PC构件的设计、施工等方面的研究,对于推广住宅的产业化体系有着广泛的社会与经济效益。
 
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  1、工程概况
  某小区53、55幢楼是应用了PC技术的高层叠合剪力墙住宅工程。
 
  该工程为两幢18层住宅。建筑面积约为2.22万m2。其中1层为架空休闲绿化空间,2~15层为标准层,16~18层有局部退层。作为江苏省首个绿色建筑三星级住宅小区示范项目,结合建筑立面,PC技术的应用范围确定为53、55幢楼的3~15层标准层段,两幢楼共计26个标准层。PC技术应用内容如下:
 
  (1)外山墙采用预制钢筋混凝土剪力墙外模板即PCF(Precast Concrete Form)构件。
 
  (2)前后外墙采用预制钢筋混凝土外墙即PC(PrecastConcrete Form)+PCF混合构件。
 
  (3)预制钢筋混凝土楼梯。
 
  (4)预制悬挑板式阳台。
  
  注1:预制钢筋混凝土剪力墙外模板PCF是在工厂做好模板及外饰面。现场安装就位后作为现浇钢筋混凝土剪力墙的外模板,内侧再放置设计所需钢筋,支上另一侧内模,浇筑混凝土即形成预制钢筋混凝土叠合剪力墙。
  
  注2:预制外墙PC是将剪力墙结构外墙的填充墙部分,预制成外模,内侧可填充轻质材料。外模用钢筋与现浇的梁、墙连接。
 
  2、主体结构方案及设计方法
  该工程抗震设防烈度为6度,剪力墙抗震等级4级。两幢住宅楼平面、立面均较规则,竖向构件上、下连续。经方案比较决定采用钢筋混凝土剪力墙体系。建筑场地为Ⅲ类。设有1层地下室,采用预应力管桩加筏板基础。
  
  PC建筑的结构设计与传统的现浇钢筋结构设计有许多不同。也增加了一些新的设计内容。下面主要介绍我们在高层预制钢筋混凝土叠合剪力墙结构的主体结构设计中采用的设计方法。
 
  在遵守现有规范的前提下,我们对文献[3]进行了认真的研究。参考日本的相关资料,在主体结构设计中我们采用了两种方法:
 
  2.1方法一
  所有的竖向抗侧力构件均采用现浇钢筋混凝土剪力墙和柱。不考虑PC、PCF预制构件的刚度参与结构计算,将PC、PCF作为荷载加在结构上,用现行的规范及现行的软件进行结构整体分析及构件设计。但考虑由于PC、PCF的刚度存在对结构周期的影响,以其计算结果作为内力及配筋的依据。从文献[3]的试验结果看,此方法是偏于安全的。
 
  2.2方法二
  由于PC及PCF的存在对于剪力墙结构的刚度是有贡献的。文献[3]的试验结果也表明,在预制钢筋混凝土叠合剪力墙的弹性变形范围内,预制模板和现浇墙体的协同工作较好。因此我们在计算结构刚度控制建筑的位移时,将预制钢筋混凝土叠合剪力墙的厚度按实际考虑,即墙厚=预制模板厚+现浇剪力墙厚。对结构进行整体分析,其分析结果作为控制结构刚度、周期、位移的依据。强度设计仍以方法一的计算结果为依据。
 
  以上两种设计方法均以现行的结构设计规范为依据,同时参考了文献[1]、文献[2]、文献[3]。
 
  结构分析软件采用中国建筑科学研究院的SATWE。
 
  3、主要结构材料特征及计算分析结果(以53幢为例)
    主体结构设计小结
   计算分析表明,本工程所采用的设计方法将PC建筑的结构体系简化为适用于现行规范及现行计算软件的结构体系。在结构的分析及设计中考虑PC建筑的特点,PC及PCF构件刚度的影响,对计算模型及总体控制参数进行适当调整。其计算结果均满足现行的结构规范且能满足使用要求。
 
  通过计算比较可知,考虑PC及PCF刚度的贡献可以使结构的周期略微减短,位移略微减小,对于结构的整体计算,基本没有影响,但对于层数较高的建筑考虑PC及PCF的刚度,对控制结构的周期位移会有帮助。
 
  4、PC建筑结构设计中的其它设计问题
  PC建筑的结构设计除了主体的设计外,还要进行以下的构件设计及构造设计。
 
  (1)在PC及PCF构件的设计及构造上,要保证叠合剪力墙预制部分与现浇部分的共同工作,适当考虑PCF的作用对主体设计有优化的潜力。
 
  (2)PC及PCF构件在脱模、存放运输、安装就位以及现场浇筑混凝土等工况下的强度、刚度计算。
 
  (3)PC构件与主体建筑的连接方案,柔性方案和刚性方案各有利弊,本工程采用的是柔性方案。此问题还需进一步研究、实践。

  (4)由于其他部位预制构件的采用如楼梯、阳台以及叠合楼板等,对结构的导荷方式以及计算模型的假定均有影响,计算时应予以考虑。
 
  (5)施工时各结合部连接构件的设计。
 
  5、结论
  本文探讨了某小区53幢、55幢高层预制钢筋混凝土叠合剪力墙住宅中主体结构的设计方法。由于PC技术在我国应用的时间还不长,工程实例少,并且未经受过严重震害的检验,尚无可执行的设计、施工、验收标准。所以PC建筑的结构设计方法、构造细节等还有许多问题有待我们去研究、探索,我国的住宅产业化也需要我们的努力。