一种新型绿色住宅体系_叠合板式剪力墙体系.docx

叠合板式剪力墙体系连 星 叶献国 蒋 庆 王德才( 合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥230009 )摘 要: 新型叠合板式剪力墙住宅体系与传统的剪力墙住宅体系相比，便于质量控制，建造速度快，对环境污染小，造价低，工业化生产水平高，是一种极具市场前景的绿色住宅体系。 通过对叠合板 式 剪 力 墙 与 普 通剪力墙的对比试验研究，较系统地分析叠合板式剪力墙的受力性能，并 为 编 制叠合板式混凝土剪力墙结 构技术规程的行业标准提供可靠的科学依据。 试验表明，叠合板式剪力墙与普通剪力墙的抗震性能无明显 差异。关键词: 叠合板式剪力墙; 绿色住宅; 抗震性能A NEW GREEN RESIDENT STRUCTURE SYSTEM :THE SUPERIMPOSED SLAB SHEAR WALLS SYSTEMLian Xing Ye Xianguo Jiang Qing Wang Decai( School of Civil Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009 ，China)Abstract : The superimposed slab shear wall system，as a new lateral force resisting system，was introduced. Thisstructural system possesses several advantages compared to normal shear wall system，such as good quality control， speedy construction，the low-cost of constructions and the high level industrialization of production. The superimposed slab shear walls system is a new green structure system with good market future. A systematically analytical study on the superimposed slab shear walls was carried out，which provided the reliable scientific basis for compiling the trade standards “Technical Specification for Superimposed Slab Concrete Shear Wall Structure ”，Comparative experimental studies on superimposed slab shear walls and general shear walls are carried out. The experimental results show the seismic behaviors of the superimposed slab shear walls are general shear walls are not obviously different.Keywords : superimposed slab shear walls; green house; seismic behavior构，从根本上扭转住宅建设高能耗、高污染、低产出的状况，发展绿色建筑的必由之路1 2 。经过多年的发展，在欧洲和其他工业发达国家 中，建筑预制构件的生产工艺和建造模式逐步完善， 建筑预制构件技术已相当成熟，工业化预制方式生 产的墙板、楼板、屋顶等占到很大市场份额，如预制 楼板已超过 90 % 的份额，而在我国建筑工业化生产 才刚刚起步。 为了探索住宅产业化的发展方向，确 立住宅产业化的建设框架，必须尽快改善目前建筑 行业的结构体系，使生产方式转换为以可持续发展伴随着当代科学技术进步和社会生产力的高速发展，人类社会也面临着一系列重大环境和发展问 题的严重挑战。 人口剧增、资源过度消耗、环境污染 和生态破坏等问题威胁着人类的生存和发展。 在严 峻的现实面前，绿色建筑的研究和实践迫在眉睫。绿色建筑体系追求建筑与环境的协调和平衡发 展，提倡环保、高效、节能而又可持续发展的建筑技 术。 发展绿色建筑所涉及的专业领域甚广，不仅仅 是目前普遍关注的建筑、规划及园林专业，结构专业 同样与绿色建筑密切相关。以工业化生产的方式建造建筑物，即将建筑物 的构件进行工业化、预制化、模数化，快速建造高质 量住宅。 工业化生产与现浇施工相比较，可大量减 少模板的使用，同时可减少施工时带来的粉尘、噪音 及光污染，对环境保护意义重大。 通过技术创新走 新型工业化的发展道路是构建节约型的住宅产业结* 国家自然科学基金重大研究计划 (90715016 ) ;建设部科学技术项 目计划(2008 K3 2 ) 。第一作者:连星，女，1982 年出生，博士。E mail: linkstar8363 163 . com收稿日期:2010 03 15Industrial Construction Vol. 40 ，No. 6 ，201079工业建筑 2010 年第 40 卷第 6 期为核心的工业化产业。叠合板式住宅在欧洲和其他工业发达国家中广 泛使用，该结构体系的优点在于设计简单，施工方便 快捷且对环境影响小，可极大地提高住宅建设的工 业化程度。 为发展绿色建筑，实现住宅产业化，安徽 省合肥国家住宅产业化基地引进了德国混凝土叠合 板式住宅预制构件生产工艺技术和生产线。 该项目 将极大地推进住宅产业化速度，促进住宅产业化推 广发展。逐层拼装外 墙 板 ( 已 安 装 窗 框、开 好 门 洞) 、内 隔 墙及楼板;最后安装整套的成品屋面。 多层住宅的主 体结构安 装 可 在 几 周 内 完 成。 在 主 体 结 构 完 成 之 后，对地下室部分进行防水施工;外墙体做保温和抹 灰、粉刷;屋顶做防水和保温处理;最后安装门窗、进 行室内装饰和外墙面装饰。技术优势预制墙板和钢筋混凝土叠合楼板的技术在德国 已相当成熟，在欧洲和其他工业发达国家中广泛使 用，钢筋混凝土叠合板式住宅具有自身的特点及优 势:1 ) 叠合板式住宅从建筑图纸输入、结构设计到 建筑预制件工厂化流水线生产全程由计算机自动控 制。 结构部件运至施工现场后，快速吊装、拼接，多 层住宅的主体结构安装可仅在几周内完成，造价优 势极为明显。2 ) 建造高质量的住宅，要求精确度高，误差小， 只有工厂化的生产方式可以满 足 这 样 高 标 准 的 要 求。 叠合板在钢筋保护层控制、钢筋定位控制、混凝 土的配比控制、混凝土的密实度控制、混凝土的养护 条件控制等方面较好，可以有效地避免现浇混凝土 住宅建造中常见的质量问题，大大提高结构的耐久 性。由于格构钢筋的存在，与普通混凝土叠合板相 比，预制板件具有更好的整体工作性能。 格构梁的 使用也同时大幅减少现场钢筋绑扎工作量。叠合板可以自成体系，不仅可用于墙体，还可用 于楼层屋面板。 这样，可以实现在一个项目中只有 一种施工工艺，便于施工的管理，提高建造效率，降 低成本。 叠合板式住宅主体结构预制件可根据各种 建筑功能和结构要求，量身定做，具有品质高、生产 周期短、外观尺寸和平整度好、施工不受气候影响。 楼板下表面平整，便于作饰面处理，符合用户对室内 顶板的感观要求。叠合板式住宅的建造周期短、现场施工方便，不 仅大大提高了施工速度、降低现场施工强度和费用， 还减少了大量模板的使用，现浇墙复合木模板基价 为 31. 18 元 / m2 ，现 浇 板 复 合 木 模 板 基 价 为 41. 42 元 / m2 ，在混凝土结构施工中，需要消耗大量的模板 材料，施工企业需一次性投入大量的资金购买模板， 并且施工时因周转率等原因，占用量很大，劳动力消 耗多，工期长。 据统计模板造价约占混凝土结构工 程造价的三分之一，劳动量的二分之一和工期的一 半。 普通混凝土建筑使用模板工作内容繁复，一般21结构体系叠合板式结构体系是融合预制叠合构件 ( 叠合墙板、叠合楼板，见图 1 ) 、全现浇构件 ( 墙体约束边缘构件、暗柱、连梁、异形柱、楼梯、阳台、雨棚、挑檐 等) 于一体的结构体系。 叠合楼板和叠合墙板在应 用中使用标准化预制构件。 现场安装预制楼板，以 其为模板，辅以配套支撑，设置与竖向构件的连接钢 筋和必要的受力钢筋及构造钢筋，再浇筑混凝土叠 合层，与预制板共同受力。 预制墙板由两层预制板 与格构梁钢筋制作而成，现场安装就位后，在两层板 中间浇筑混凝土，共同承受竖向荷载和水平力作用。 在受力比较复杂、施工工艺复杂的部位，可用现浇混 凝土代替。图 1 预制墙板和楼板Fig. 1 The precast superimposed walls and floor slabs在预制墙板的两层之间、预制楼板的上面，设置格构梁钢筋。 格构梁钢筋由三根截面成等腰三角形 的上下弦钢筋组成，弦杆之间有斜向腹筋相连。 格 构梁钢筋既可作为施工时起吊构件的吊点，同时又 增加平面外刚度，防止起吊时开裂。 在使用阶段，格 构梁钢筋作为连接墙板的两层预制片与二次浇筑混 凝土之间的拉接筋，对提高结构整体性和抗剪性能 具有重要作用。德国叠合板式住宅从建筑图纸输入、结构设计 到建筑预制件工厂化流水线生产全程由计算机自动 控制，内外墙板、楼板、屋顶、楼梯、阳台板等钢筋混 凝土结构部件均采用预制。 结构部件运至施工现场 后，快速吊装、拼接;整体地下室部分安装在地基上; 钢筋混凝土叠合楼板铺设后一天现场浇筑完成;再80工业建筑 2010 年第 40 卷第 6 期包括:木模板制作;模板安装、拆除、整理堆放及场内外运输;清理模板粘结物及模内杂物、刷隔离剂等。 而叠合板式住宅在施工阶段，预制板件可作为施工 操作平台和叠合层混凝土的底模，取消了繁琐的模 板工程。叠合板式住宅可减少现场建筑材料的使用和浪 费及施工 现 场 环 境 的 污 染。 根据相关统计资料显 示，工业化生 产 大 约 可 减 少 工 地 现 场 废 弃 物 30 % ， 减少施工空气污染 10 % ，减少 5 % 的建材使用量，对 保护环境具有积极的意义。性能，并为叠 合 板 式 钢 筋 混 凝 土 剪 力 墙 结 构 技 术规程安徽省地方行业 标准提供可靠的科 学 依 据， 合肥工业大学分别进行了钢筋混凝土叠合拼缝板的 试验研究及带不同边缘约束措施墙板的抗震性能试 验研究。 详细的试验过程及各项技术参数可参见文 献3 。3. 1 带不同边缘约束措施墙板的试验研究试件 W 1 和 W 4 为普通全现浇混凝土剪力 墙，试件 W 2 、W 5 、W 3 和 W 6 均为叠合混凝 土剪力墙，前二者包含现浇端柱，后者边缘约束措施 则由暗柱组成，各试件的详细配筋形式如图 2 所示。试验内容与性能研究为进一步了解叠合板式剪力墙结构体系的抗震6 片 剪力墙截面尺 寸 相 同，宽 1. 83. 2 m。m，厚 0. 2 m，高3a 试件 W 1 ，W 4 ;b 试件 W 2 ，W 5 ;c 试件 W 3 ，W 6 ;1 6 600 ，梅花形布置;2 格构钢筋;3 6 600 600 ，梅花形布置;4 加载垫 为预制混凝土。图 2 剪力墙配筋示意Fig. 2 Reinforcement details of the shear walls现浇剪力墙试件采用 C30 混凝土及 HRB400 钢筋。 叠合板式剪力墙试件的预制部分在德国生产， 其混凝土德国强度等级为 C35 /45 ，现浇部分为国产 C30 混凝土，C35 /45 混凝土实测立方体抗压强度为53. 0 MPa，C30 混凝土实测立方体抗压强度为 30. 3MPa。 预制墙板内受力钢筋及基础插筋采用德国生 产的 BSt500 钢筋。 直径 10 mm 的 HRB400 钢筋实测屈服强 度 为 479. 6 MPa，直 径 12mm 的 HRB400钢筋 实 测 屈 服 强 度 为 503. 8 MPa，直 径 8 mm 的BSt500 钢 筋 实 测 屈 服 强 度 为 589. 2 MPa，直 径 10 mm 的 BSt500 钢筋实测屈服强 度 为 560. 5 MPa，直 径 12 mm 的 BSt500 钢 筋实测屈服强度为 556. 0MPa。试验为在恒定竖向荷载下施加水平低周反复荷一种新型绿色住宅体系 叠合板式剪力墙体系 连 星，等81载的拟静力试验4 。 竖向加载装置由反力梁、千斤顶和锚杆构成，水平加载装置由反力墙、电液伺服作 动器、匀载钢板和拉杆构成。 电液伺服作动器水平 安装在反力墙上，作用于墙体顶部加载梁端部的中 心位置。 剪力墙加载装置如图 3 所示。试验的加载制度按照 JGJ 101 96建筑抗震试 验方法规程的相关规定实行。 W 1 、W 2 、W 3试验时，首先在墙体顶部施加 730 kN 的竖向荷载，W 4 、W 5 、W 6 试验时不施加竖向荷载。 水 平 加载方式为双向反复加载，加载分两个阶段。 第一 阶段采用力控制，第二阶段采用位移控制，按屈服时 顶点位移的倍数逐级加载，每级循环三次，直至试件 承载力下降到最大承载力的 85 % 为止。表 1 各试件骨架曲线特征点的荷载、位移延性系数Characteristic load，displacement and coefficient of displacement ductility of the specimensTable 1开裂点屈服点峰值点极限点延性系数编号方向P cr / kN cr / mmP y / kN / y / mmP pk / kN pk / mmP u / kN u / mm u / y正向反向 正向 反向 正向 反向 正向 反向 正向 反向 正向 反向W 121021020020021021090901109090903. 344. 043. 554. 902. 725. 011. 192. 291. 831. 862. 142. 1343040032032035035025023020020022020014. 1515. 2410. 4210. 2010. 4711. 1610. 049. 567. 689. 408. 998. 2851847942942440640226725824020723922146. 6844. 5330. 6430. 0630. 0030. 0030. 2629. 2020. 0220. 3415. 3318. 7640040032032032328522121020318020517265. 0065. 0040. 0040. 0040. 0040. 0040. 0040. 0030. 0030. 0033. 0334. 584. 594. 273. 843. 923. 823. 583. 984. 183. 913. 193. 674. 18W 2W 3W 4W 5W 5的受力主 筋 出 现 压 屈 外 鼓 现 象。 在 整 个 试 验 过 程中，试件的现浇部分与叠合板之间的竖向接缝处没 有出现任何的裂缝，说明叠合板与现浇部分的粘结 良好，能够有效地共同工作。各试件的力 位移骨架曲线各特征点5 7 见表1 。 与全现浇混凝土剪力墙相比，叠合板式剪力墙相 应的变形能力较差，延性系数值较小。 而采用不同 边缘约束措施的叠合板式剪力墙试件，其位移延性 和变形能力并未表现出明显的差别。试验时在各试件受力主筋、分布筋和插筋上粘 贴应变片，量测钢筋在试验过程中的应变。 各试件 荷载相同时，同一截面处靠近受拉边缘的钢筋应变 较内侧应变值大。 试件中受力主筋在受拉时最终均 达到屈服应变，而在受压时最外侧的主筋也达到了 屈服应变。 根据试验结果提出了叠合板式剪力墙的 正截面抗弯承载力计算公式、斜截面抗剪计算公式 和墙板水平接缝受剪承载力计算公式，与实测值吻 合较好，并编 入叠 合 板 式 混 凝 土 剪 力 墙 结 构 技 术 规程。 矩形偏心受压叠合板式剪力墙的正截面抗 弯承载力8 9 见表 2 ，由表 2 可知，如果配筋形式相 同，现浇剪力墙与叠合板式剪力墙的抗弯承载力相 差不大。图 3 剪力墙加载装置Loading set-up of the shear wallsFig. 3所有剪力墙均配置较强的抗剪钢筋，在发生破坏之前 均 未 发 生 剪 切 破 坏。6 片 墙 的 破 坏 过 程 相 似，首先在墙 体 边 缘 出 现 水 平 裂 缝，随 着 荷 载 的 加 大，墙体边缘水平裂缝数目逐渐增多，已有裂缝逐渐 加宽，一些水平裂缝逐渐延伸发展成弯剪斜裂缝，在 试件中部逐渐出现 X 形交叉斜裂缝。 试件破坏时， 剪力墙中几条主要裂缝延伸开展，墙中受力钢筋屈 服，底部截面受压区混凝土逐渐压碎，受压区边缘处82工业建筑 2010 年第 40 卷第 6 期表 2 抗弯承载力计算值与试验实测值对比Table 2 Comparision of flexural capacity between calculated values and test results 钢筋混凝土叠合拼缝板的试验研究B 1 、B 2 为 基 准 整 浇 板，试 件 尺 寸 为600 mm 200 mm 4 100 mm、混 凝 土 强 度 等 级 为3. 2墙体编号计算值 / kN实测值 / kN计算值 / 实测值C40 。 B 3 为拼 缝 板，由 2 块 600mm 50 mm 2W 1W 2W 3W 4W 5W 6482. 43417. 55430. 79272. 00255. 53257. 38518. 28429. 28406. 36267. 21239. 83239. 250. 930. 971. 061. 021. 071. 08000 mm 预制板构成，拼缝宽 100 mm，拼缝处放置 4根直径 12 mm 连接钢筋，伸入两侧预制部分锚固长 度 430 mm。 B 4 为 加 强 拼 缝 板，尺 寸 与 B 3 相 同，拼缝处放置 4 根 直 径 14 mm 连 接 钢 筋，伸 入 两 侧预制部分锚固长度 490 mm。 叠合拼缝板的详细 配筋形式如图 4 所示。所有试件均采用两点对称集中力加载形式。 为 避 免 拼 缝 处 承 受 集 中 荷 载，加 载 点 距 支 座1 300 mm。用千斤 顶 分 配 梁 系 统 实 现 加 载，加 载 设 备重1 kN，加载值用荷载传感器控制，试验加载装置 如图 5 所示。结构耗能能力是评价结构抗震性能的一个重要指标10 11 。 用等效黏滞阻尼系数 h 来比较墙体在e不同阶段时 的 耗 能 能 力，并作 为 墙体的耗能指标。试件 的 等 效 黏 滞 阻 尼 系 数 h e 见 表 3 表 8 。 由 表3 表 8 可知，现浇剪力墙与叠合板式剪力墙的耗能 能力相比较好。 两种采用不同边缘约束措施的叠合 板式剪力墙耗能能力无明显差别。表 3 W 1 的等效黏滞阻尼系数 h eTable 3 The equivalent viscosity damping coefficients of the wall W -1荷载 / kN 100 150 200 250 300 350 400 512. 71518. 580. 16h e0. 08 0. 07 0. 07 0. 08 0. 08 0. 09 0. 09 0. 12表 4 W 2 的等效黏滞阻尼系数 h eTable 4 The equivalent viscosity damping coefficients of the wall W -2a B 3 ;b B 4图 4 叠合拼缝板配筋示意Fig. 4 Reinforcement details of the superimposed slabs荷载 / kN 50 110 150 200 250 300 350404. 90320 h e 0. 10 0. 08 0. 07 0. 08 0. 08 0. 09 0. 09 0. 15 0. 16 表 5 W 3 的等效黏滞阻尼系数 h eTable 5 The equivalent viscosity damping coefficients of the wall W -3荷载 / kN 50 110 150 200 250 300 350 405. 93323. 200. 16h e0. 12 0. 08 0. 07 0. 07 0. 09 0. 09 0. 09 0. 15表 6 W 4 的等效黏滞阻尼系数 h eTable 6 The equivalent viscosity damping coefficients of the wall W -41 分配梁;2 百分表图 5 拼缝板加载装置Fig. 5 Loading set-up of the superimposed slabs荷载 / kN 507090 110 150 200 250265. 350. 14267. 210. 15h e0. 06 0. 10 0. 10 0. 10 0. 09 0. 10 0. 12试件 B 1 B 2、B 3 B 4 均表现为典型的受弯构件受力形态。 拼缝板试件典型的最终破坏 形态见图 6 。 带有拼缝的试件 B 3 、B 4 在开裂前 与整浇板 B 1 、B 2 基本一致。 主要试验结果 见 表 9 和表 10 。与整浇板比较，叠合加强拼缝板受弯承载力略有 降低，其数值较整浇板降低了 6. 2% 。 叠合加强拼缝 板在使用状态下跨中挠度有小幅降低，这是由于预制板中有格构筋的存在，大大提高了叠合板的刚度之故。拼缝处连接钢筋截面加大，锚固长度加长，在一表 7 W 5 的等效黏滞阻尼系数 h eTable 7 The equivalent viscosity damping coefficients of the wall W -5荷载 / kN507090130150200 239. 83203 h e 0. 08 0. 07 0. 08 0. 09 0. 09 0. 12 0. 15 0. 15 表 8 W 6 的等效黏滞阻尼系数 h eTable 8 The equivalent viscosity damping coefficients of the wall W -6荷载 / kN507090130150200 239. 25 219. 19 h e 0. 07 0. 09 0. 12 0. 10 0. 10 0. 13 0. 15 0. 16 一种新型绿色住宅体系 叠合板式剪力墙体系 连 星，等83定程度上可以提高拼缝板的承载能力12 13 。表 9 拼缝板承载能力的比较Table 9 Comparision of bearing capacity of the slitted slabs的多层、高层住宅建筑。高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经 济合理性的宏观控制。 本规程针对叠合板式剪力墙 结构受力、变形性能较现浇混凝土剪力墙结构略差 的特点，对建筑高宽比的规定比 JGJ 3 2002高层 建筑混凝土结构技术规程对现浇混凝土剪力墙结 构的规定有所加严。对结构弹性层间位移的限制，目的是保证多遇 地震作用下，主体结构不受损坏，非结构构件没有过 重破坏，保证建筑的正常使用功能。 考虑到叠合板 式剪力墙结构自身的特点，并根据试验结果，对这种 结构的弹性层间位移角的限值，比一般的现浇剪力 墙结构有所加严，规定在风荷载、多遇地震作用下， 结构按弹性方法计算的楼层最大层间位移角不应大 于1 /1 100 。由于叠合板式剪力墙结构的特点，地震作用对 结构薄弱部位影响较大，对平面和竖向不规则的规 定较现行国家标准严格。叠合板式剪力墙为装配整体式剪力墙结构，其 整体性较现浇结构略差，对防震缝的宽度要求也较 我国现行标准严格，防震缝最小宽度应符合下列要 求:房屋，高度不超过 15 m 的部分，可取 70 mm;超 过 15 m 的部分，6 度和 7 度相应每增加高度 5 m 或4 m，宜加宽 15 mm。 当相邻结构的基础存在较大沉 降差时，宜增大防震缝的宽度。试件号B 1B 2B 3B 4特征破坏标志整浇板挠度达l0 /5048. 51. 0000. 0整浇板挠度达l0 /47541. 113+ 11. 3叠合拼缝板裂缝宽1. 8 mm340. 701 29. 9叠合加强拼缝板裂缝宽 1. 5 mm极限荷载 / kN相对值承载力降低 / %45. 50. 938 6. 2表 10拼缝板挠度的比较Table 10Comparision of the slitted slabs deflection试件号B 1B 2B 3B 4挠度 / mm相对值15. 441. 00015. 491. 00326. 9511. 74514. 150. 916图 6试件最终破坏形态Fig. 6The failure mode of specimens at end of test本试验所完成的叠合拼缝板在受弯破坏前均未出现沿叠合面的水平剪切破坏，说明试验所采用的预 制板叠合面作法及其格构钢筋可以保证叠合面有足 够的抗剪能力。在实际设计中宜避开拼缝设在跨中， 这样更有利于板的受力，减小挠度和裂缝宽度14 15 。5 结 语叠合板式住宅推广的意义在于将大大改善本地 区民用建筑，特 别 是 住 宅 建 设 的 工 业 化、产 业 化 程 度，改善住宅的建造质量、使用寿命、降低现场施工 强度和费用，提 高 施 工 速 度，安 全 经 济 地 设 计 和 施 工，减少对环境的影响。 叠合板式住宅是一种极具 市场前景的绿色住宅体系，对实现我国住宅产业化 具有十分重要的现实意义。体系设计试验表明，叠合板式剪力墙试件与全现浇剪力 墙试件的破坏形态类似，但极限承载力、延性和变形 能力较全现浇剪力墙试件稍差。 两种不同边缘约束 措施的叠合板式剪力墙的抗震性能无明显差异，在 设计时可优先采用施工更为方便的暗柱形式。 叠合 楼板与整浇楼板的比较可以看出，只要保证拼缝处 连接钢筋的用量及其锚固长度适当，二者的承载能 力相当，而且可以节省大量模板和支撑，提高施工进 度，可实际工程中广泛推广。为在安徽地区合理应用叠合板式混凝土剪力墙 结构，叠合板式混凝土剪力墙结构技术规程规定 叠合板式剪力墙结构适用于抗震设防烈度为 7 度及 以下地震区和 非 地 震 区，高 度 不 超 过 60 m，层 数 在18 层以内的多 层、高 层 住 宅;不 适 用于框支剪力墙 结构、大底盘多塔楼剪力墙结构和连体结构剪力墙4参考文献王有为. 实施绿色建筑对环境保护的重要意 义J. 浙 江 建 筑，2008 ，25 (9 ) :1 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