预制装配式框架剪力墙结构设计与实践

预制装配式框架剪力墙住宅结构设计与实践
上海城建置业发展有限公司 张凯
国家科技支撑计划资助项目（2010bak69b28）
一、前言
装配整体式混凝土结构是由预制混凝土构件或部件通过钢筋，连接件或施加预应力加以连接并现场浇筑混凝土而形成整体的结构，又简称为预制装配式结构（precast concrete，PC结构），属于住宅工业化、住宅产业化的范畴。

上世纪50年代和70年代末，全国建筑业推行标准化、工业化、发展预制构件和预制装配建筑，兴起中国第一次PC建筑高潮，但由于初期技术不成熟，唐山地震中大量PC建筑遭到破坏，使人们对预制结构的应用更加保守，且当时外墙的防水防渗技术比较落后，造成其居住的质量和使用功能较差，业内也停止了对预制技术的研究，PC技术逐渐退出建筑市场。

国内停止发展PC建筑的同时，PC技术在境外得到了迅速发展和广泛应用，在地震频发的日本和台湾地区，PC建筑甚至表现出了较现浇结构更好的抗震性能。

在PC住宅的抗震问题得到解决的同时，防水、防渗等主要问题也得到了很好解决，而且工业化的生产方式使PC住宅在质量方面较现浇结构更具优势，PC住宅已成为品质住宅的代名词。

近年来，住宅工业化生产方式由于其可实现住宅建设的高效率、高品质、低资源消耗和低环境影响，具有显著的经济效益和社会效益，是当前住宅建设的发展趋势，因此国家高度重视住宅产业化的发展。

2006年建设部发布实施了《国家住宅产业化基地试行办法》，2011年，上海市相继出台了《关于本市鼓励装配政体是住宅项目建设的暂行办法》及《关于加快推进本事住宅产业化的若干意见》，对上海市未来五年的住宅产业化的主要任务和目标进行了详细规划。

上海城建集团积极响应国家住宅产业化号召，2010年启动住宅产业化工作，在集团内部组建了设计——构件预制——施工——开发的完整产业链，并于2011年开始在所承担的上海浦江保障房大型居住社区内建设预制率达50%‐70%的5万平方米的PC住宅示范工程，在设计、施工、制作、开发过程中，通过预制装配式建筑技术的综合运用，全面整合预制住宅技术各环节专业与资源，真正体现工业化住宅生产的优势，以实现“节能减排”、“提高品质”及“建筑工业化”的总体目标。

二、工程概况
浦江PC住宅示范工程（如图1）位于上海市闵行区浦江镇鲁汇基地内05-02地块，该地块占地面积为2.06万平方米，示范工程总建筑面积为5.15万平方米，建筑规划限高60米，由4幢18层（25#-28#楼）和1幢14层（29#楼）的高层住宅组成，全部为PC住宅，采用框架剪力墙结构体系。

本工程非结构构件如外墙、内墙、女儿墙等均采用PC构件，主要受力构件如梁、楼板、悬挑阳台等亦采用PC构件，25#-28#楼（18层）预制率为55%（见表1），29#楼（14层）住宅进一步将框架柱进行预制，预制率达70%（见表2）。

单体房型层数层高（米）建筑高度
（米）
预制率
25#~28#楼两单元双拼-1+（18+18） 2.8（地下3.0）50.85 55% 29#楼独立单元-1+14 2.8（地下3.0）39.65 70%
图1 浦江PC示范工程效果图
表1 浦江PC住宅标准层预制率统计（25#-28#楼）
构件 混凝土总量（m3）预制混凝土量（m3）
现浇柱 38.2 0
预制阳台 6.2 6.2
叠合楼板 55.6 27.8
楼梯 8 0 预制外墙 37 37
现浇剪力墙 47.9 0 叠合梁 50.6 33.8 预制内隔墙 68 68
总计 334.8 184.4
预制率 55%
表2 浦江PC住宅标准层预制率统计（29#楼）
构件 混凝土总量（m3）预制混凝土量（m3）
预制柱 25 25
叠合阳台 3.8 3.8
叠合楼板 38.7 19.4
楼梯 4 0 预制外墙 26.5 26.5
现浇剪力墙 21.5 0 叠合梁 23.2 15.5 预制内隔墙 34 34
总计 176.7 124.2 预制率 70.3%
三、结构体系选型
1.目前PC住宅主要的结构形式
结构体系的选择是实施PC技术的关键。

目前PC住宅常用的有预制剪力墙结构、叠合剪力墙结构、异型柱结构、框架结构(框架剪力墙结构)四种结构形式。

剪力墙结构体系的优点是室内规整，无外露的梁柱，比较能适应目前中国内地的住房消费习惯。

但剪力墙单块自重大，节点处工程量较多，连接比较复杂；外墙为受力结构，与保温材料预制一起难度较大；户型内部无法后期调整，无法形成可变住宅，不符合可持续性发展要求。

目前国内预制装配式剪力墙结构在高层建筑中的应用技术还不成熟，大量钢筋连接套筒的使用也导致成本居高不下。

叠合剪力墙将700-800mm左右的预制外墙作为外模板，并参与结构整体受力，与剪力墙整体现浇，但由于技术本身的限制，预制率无法进一步提升，预制率最高只能达30%左右。

异型柱结构解决了室内的凸出梁柱问题，同时避免了剪力墙结构的某些缺点，但框架剪力墙异型柱结构在7度区仅适用于40m以下的建筑，高度限制使其无法在更大范围内得到广泛应用。

2.框架结构（框架剪力墙结构）的特点
综合比较国内外应用情况，结果国内目前的应用实际，我们认为框架体系具有如下优点：（1）更具灵活性，较易实现大空间，承重墙体的减少，有利于用户个性化室内空间的改造;
（2）结构是点与线之间的关系，与剪力墙结构体系面与面的关系相比，结构构造简单，节点容易处理。

（3）梁、柱等预制构件为线性构件，可以控制自重，有利于现场吊装，节点连接处工程量小，比较适合装配。

且预制率较高，可达70%以上甚至更高。

（4）与剪力墙等可自由结合，形成框架剪力墙结构、框架核心筒等多种结构形式，适用高度较高。

（5）结构应用范围广，不仅可应用于住宅，还可广泛应用于商业楼、办公楼、工业厂房等建筑。

（6）为国际主流的预制结构形式，技术相对成熟。

但同时，框架结构室内凸出的梁柱，也成为其主要缺点。

经过分析和调研，我们认为凸出的柱子对住宅建筑面积有限，浦江PC住宅室内凸柱对建筑面积的影响仅为0.5%-1%左右。

且可结合全装修或简装修等对凸梁凸柱加以遮掩。

在调研国内外应用情况的基础上，综合比较各结构体系的优缺点，确定了在浦江PC保障房中采用框架剪力墙结构，推动高预制率PC技术的实际应用。

四、结构主要预制部位和主要构件尺寸
本工程25#~29#楼均为装配整体式钢筋混凝土框架-剪力墙结构，结构按照等同现浇原则进行设计。

25#~28#楼：框架柱（600x600mm 、700x700mm ）、剪力墙为现浇；屋面层梁、板，地下室顶板以下（包括基础、地下室外墙、剪力墙、框架柱、一层梁、板）均为现浇；标准层（即二~十八层包括二层）框架梁为叠合梁（截面为300x500mm 、300x600mm 、400x600mm ，叠合层厚度为160mm ），楼板为叠合楼板（板厚均为160mm ，叠合层厚度为80mm ）；其他如悬挑阳台为叠合阳台板、外墙为预制混凝土外墙板（厚度150mm ，不参与结构受力）、女儿墙为预制女儿墙。

29#楼：剪力墙为现浇；框架柱为预制（600x600mm ，采用多螺箍柱）；屋面层梁、板，地下室顶板以下（包括基础、地下室外墙、剪力墙、框架柱、一层梁、板）均为现浇；标准层（即二~十八层包括二层）框架梁为叠合梁（截面为300x500mm 、400x500mm ，叠合层厚度为160mm ），楼板为叠合楼板（板厚均为160mm ，叠合层厚度为80mm ）；其他如悬挑阳台为叠合阳台板、外墙为预制混凝土外墙板（厚度150mm ，不参与结构受力）、女儿墙为预制女儿墙。

图2 预制结构体系示意图（29#楼）
大小梁：梁底至板底预制 楼板：叠合板 柱：板顶至 梁底预制
图3 浦江PC工程现场施工图
五、针对超限情况的计算考虑和抗震措施
25#~28#楼总高为50.85米，超过上海市《装配整体式混凝土住宅体系设计规程》（DG/TJ08-2071-2010）5.1.2条“本规程中装配整体式混凝土框架结构总高度不应大于50m”的要求，29#楼采用预制柱技术，因此，应通过合理计算分析及采取有效抗震设防措施保证结构安全可靠。

1.在结构整体布置上都尽量做到符合抗震概念设计要求，遵循“强柱弱梁、强剪弱弯、强连接弱构件、节点更强”的理念。

建筑的竖向体形规则、均匀，避免有过大的外挑和内收，结构的侧向刚度下大上小，逐渐均匀变化；平面宜规则、对称，避免过大凹凸以及楼板不连续。

2.整体计算采用和现浇结构相同的方法，另外考虑到装配整体式框架‐剪力墙结构特点，补充框架梁端竖缝结合面抗剪计算，叠合梁斜截面抗剪计算，梁板水平缝抗剪计算，框架梁柱节点抗剪计算，叠合梁挠度及裂缝验算等。

3.针对装配整体式框架‐剪力墙结构的特点，设计中力求计算模型符合结构实际受力情况，在计算中采取以下措施：
（1）次梁采用牛担板与主梁连接，接触面小，计算模型按铰接考虑；
（2）预制外墙板与结构连接，上下采用铰接，自重由上部连接悬挂承重，外墙板底在墙平面内可水平滑动，因此整体计算中不考虑外墙板对其支撑梁的刚度贡献。

（3）楼板采用双向叠合板，预制部分通过粗糙面及桁架钢筋与现浇部分连为整体共同受力，梁刚度按T型截面，板厚取叠合板总厚，框架梁端负弯矩调幅系数取0.8，对梁下部钢筋适当增加。

计算模型中对楼电梯开洞口周边的楼板设置为弹性楼板。

（4）地下室顶板作为上部结构嵌固部位，地下室顶板板厚取为180mm，双层双向配筋，并适当提高配筋率，同时满足地下室结构的楼层侧向刚度（剪切刚度）大于结构地上一层的
楼层侧向刚度（剪切刚度）的1.5倍，地下室周边均布置与地下室顶板相连的抗震墙。

（5）对个别轴压比较大的框架柱，沿柱全高采用井字复合箍且箍筋肢距不大于200mm、间距不大于100mm、直径不小于12mm，并适当提高柱配箍率，提高框架柱延性。

（6）悬挑阳台板采用叠合板，悬挑阳台板支座负筋延伸至楼板内41d并和板通长钢筋焊接，整体浇注。

对悬挑阳台进行单独计算复核，严格控制裂缝、挠度，并适当加大配筋。

阳台板下方设置一组支撑架（同济大学试压25T，以15T当容许载重，但阳台板少有超过4T，能确保支撑可靠）。

（7）预制构件施工阶段均设置可靠支撑，对预制叠合构件进行两阶段受力验算，并对支撑进行验算。

（8）框架节点采用现浇（混凝土强度等级提高一级），保证结构的整体性。

六、主要节点构造
1.梁柱接头处理
预制梁采用闭合箍筋，在工厂铺设梁上部主筋，将两侧预制梁端部钢筋上弯，吊装放入接头处，再将梁柱节点与楼板整体现浇，如图4所示。

图4 梁柱接头示意
2.预制柱连接技术
预制柱钢筋采用填充式钢筋续接器进行连接，从柱底灌入无收缩水泥砂浆。

如图5-7所示。

图5 预制柱钢筋续接器
图6 预制柱‐柱筋 图7 预制柱‐承口
3.预制外墙板连接
外墙板均为预制生产，预制外墙板与结构连接采用上下端铰接连接，墙板上部预留钢筋，插入梁内，与梁一起现浇固定，自重由上部连接悬挂承重，下部利用预留铁件将上下两块墙板焊接连接，为限位连接（外墙板可沿墙水平方向平动），如图8-10所示。

4.叠出钢
附加 图8 预叠合楼板预制由于预制梁
钢筋，则楼板
加补强钢筋的预制外墙板连部分采用四边梁采用闭合箍板吊装就位比较
的方式，如图连接详图 图10 浦边均不出钢筋箍筋，梁上部较困难。

因此11-13：
浦江PC 住宅外筋的方式
部钢筋预先穿
此采用叠合楼图9 浦江PC 外墙实景
穿好后吊装就
楼板预制部分住宅外墙板位，如果板预
分采用四边均板现场装配图
预制部分端部
均不出钢筋，
部伸
采用
图11 叠合楼板预制部分端部预留钢筋时，吊装就位困难
图12 叠合楼板预制部分四边均不预留钢筋，采用附加补强钢筋
图13 浦江PC住宅预制楼板铺设图
5.悬挑叠合阳台板
构造
性， 七、震性 采用
预制
应通预制叠合阳造方式既保证满足结构上 结构设计
框架-剪力墙性能优异，建1. 装配整体用工厂化加工制的装配整体2. 装配整体
通过合理的节阳台板设计采证上部现浇混上的强度和刚 计建议 墙结构为双重建议在预制装体式住宅围护工的标准预制体式建造方式体式结构的节
节点与连接构采用桁架式配混凝土的钢筋刚度要求，如 图 图15 浦重抗侧力体系装配式框架剪护结构系统、制构件。

根据预式。

节点与连接的构造，
保证构件筋，粗糙面与位置准确，又图14‐15所示14 叠合阳台浦江PC 住宅系，具有刚度力墙结构设计以及公共楼预制装配住宅的设计应注重
件的连续性和与下部预制部又能保证预制示。

台连接详图宅叠合阳台
度大，能提供计中注意以下楼梯、阳台、宅生产和施工重概念设计，重
和结构的整体部分结合成一制部分和现浇供抗震第二道下几点：
隔墙、空调板工条件，采用重视连接节点体稳定性，
使一体，这种配浇部分结合的
道防线的优点板等配套构件用部分现浇、点的选型和设
使整个结构具配筋和整体
点，抗件宜部分设计，
有必
要的承载能力、刚性和延性，以及良好的抗风、抗震和抗偶然荷载的能力；并避免结构体系出现连续倒塌。

3. 装配整体式混凝土结构的节点和连接除应同时满足使用阶段和施工阶段的承载力、稳定性和变形的要求；在保证结构整体受力性能的前提下，应力求连接构造简单，传力直接，受力明确。

4. 预制构件应对其脱模、起吊和运输安装等施工阶段进行承载力、变形及裂缝控制验算，并应对安装运输过程中可能出现的受力工况进行验算。

5. 装配整体式结构宜通过可靠的节点接缝的连接方式和合理的构造措施使装配整体式混凝土结构成为现浇同等型混凝土结构。

当节点构造不能使装配整体式混凝土结构成为现浇同等型时，应根据结构体系的受力性能、节点和连接的特点采取合理准确的计算模型，并应考虑连接和节点刚度对结构内力分布和整体刚度的影响；并应设置连续的连系钢筋。