钢框架－预制混凝土抗侧力墙装配式结构体系.pdf

第 3 0卷 第 3期 2 0 1 3年 9月 建筑科 学与 J o u r n a 1 o f Ar c h i t e c t u r e 工程 学报 a n d Ci v i l En g i n e e r i n g Vo 1 ． 3 0 Se pt ． NO． 3 2 01 3 文章编号 ： 1 6 7 3 — 2 0 4 9 ( 2 0 1 3 ) 0 3 — 0 0 0 1 — 0 6 0 钢框架一 预 制混凝 土抗侧力墙装配式结构体 系 周天华 ， 吴函恒 ， 白 亮 ， 蒋 路 ， 陈军武。 ( 1 ．长安 大学 建筑工程学院 ， 陕西 西安7 1 0 0 6 1 ； 2 ．宝 钢建筑 系统集成有 限公 司， 上海2 0 0 0 5 0 ； 3 ．西安有色冶金设计研究 院， 陕西 西安7 1 0 0 0 1 ) 摘 要 ： 介 绍 了新 型装 配式钢 结构 住 宅结构 体 系的基 本 构成 、 连 接 方 式和 构 造 关 系 ； 同 时归 纳和 评述 了该 结构体 系的特 点 ， 包括 预制 装 配化程 度 高 、 墙 体 可更 换 、 墙 体轴 力 小、 布 置 灵活 、 抗侧 力体 系与 维护一体化等 ； 阐述 了该结构体 系的设计理念 、 设计步骤 ， 并对 6 层和 1 8层该结构体 系房屋进行设 计 实例 分析 ； 最后 讨论 了该结构 体 系在应 用过 程 中存在 的主要 问题 和相 应对 策 。研 究结果表 明 ： 这 种新型结构体 系符合建筑产业化的进程 ， 具有广阔的应用前景。 关 键词 ： 钢 框 架 ； 预制 混凝 土抗 侧 力墙 ； 装 配式结构 ； 高层 建 筑 ； 抗侧 力体 系 中图分类号 ： T U3 9 2 ． 4 文献标志码： A Fa b r i c a t e d S t r u c t u r a l S y s t e m o f St e e l Fr a me - p r e f a b r i c a t e d Co nc r e t e La t e r a l Re s i s t a n c e W a l l Z HOU Ti a n — h u a ，W U Ha n — h e n g ，BAI Li a n g ，J I ANG Lu ，CHEN J u n — wu 。 ( 1 ． S c h o o l o f C i v i l En g i n e e r i n g，Ch a n g’ a n Un i v e r s i t y，Xi ’ a n 7 1 0 0 6 1，S h a a n x i ，Ch i n a ；2 ．Ba o s t e e l Co n s t r u c t i o n Sys t e m I nt e gr a t i o n Co ．，Lt d，S ha ng ha i 2 0 005 0，Ch i n a；3 ． Xi ’ a n Re s e a r c h I ns t i t ut e o f No nf e r r ous M e t a l l u r g y，Xi ’ a n 71 0 001，Sha a nx i ，Ch i n a) Abs t r a c t ：Ba s i c e l e me nt s，c o nn e c t i o n me t h o ds a nd s t r u c t u r e r e l a t i o ns of t he ne w t yp e s t e e l f r a me — pr e f a br i c a t e d l a t e r a l r e s i s t a n c e wal l s y s t e m we r e i nt r o du c e d． A s e r i e s o f c ha r a c t e r i s t i c s ，s u c h a s h i g h f a b r i c a t i o n d e g r e e ，r e p l a c e a b l e wa l l ，s ma l l e r a x i a l f o r c e o f wa l l ，c o n v e n i e n t a n d f l e x i b l e a r r a n ge m e nt a nd i n t e g r a t i on o f l a t e r a l r e s i s t a nc e s y s t e m a n d m a i nt e na n c e s y s t e m ， e t c ． we r e g e ne r a l i z e d a nd d i s c us s e d． De s i g n c on c e pt s a n d p r oc e d ur e s o f t h e f a br i c a t e d s t r uc t ur a l s y s t e m we r e e l a bo r a t e d a l on g wi t h t e n t a t i ve d e s i gn o f s i x a nd e i g ht e e n — s t o r i e d b ui l d i n gs ． Fi n a l l y，t he ma i n pr o bl e ms a nd c or r e s po nd i n g c ou nt e r m e a s u r e s i n t he a pp l i c a t i o n o f t hi s s t r u c t ur a l s y s t e m we r e d i s c us s e d．The r e s e a r c h r e s u l t s s h ow t ha t t he ne w t y pe s t r u c t u r a l s ys t e m s u i t s t he p r oc e s s o f c o ns t r uc t i o n i nd us t r i a l i z a t i on。S O i t ha s b r oa d a pp l i c a t i o n pr o s p e c t ． Ke y wo r d s ：s t e e l f r a me ；p r e f a b r i c a t e d c o n c r e t e l a t e r a l r e s i s t a n c e wa l l ；f a b r i c a t e d s t r u c t u r e ；h i g h — r i s e b ui l d i ng：l a t e r a l r e s i s t a nc e s y s t e m 引 言 预 制装 配式 钢结 构住 宅结 构体 系 的工业化 程 度 高、 施工周期短 、 不受季节限制、 现场湿作业少 、 材料 利用率高 、 绿色环保、 建筑节能性能好 ， 是 中国推进 住宅现代化的理想住宅建筑体系。在钢结构诸多类 型中， 钢框架结构具有建筑空间大、 布置灵活、 易于 标准化 、 定型化等优点 ， 目前在多、 高层建筑 中应用 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 5 — 0 9 基 金项 目： 中央高校基本科研业务费专项资金项 目( CHD2 0 1 2 T D 0 1 2 ) ； 国家 自然科学基金项 目( 5 1 2 0 8 0 5 8 ) 作者简介 ： 周天华 ( 1 9 6 3 一 ) ， 男， 陕西西 乡人 ， 教授 ， 博士研究生导师 ， 工学博士 ， E — ma i l ： z h o u t h l 6 3 @1 6 3 ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 周 天华 ， 等 ： 钢 框 架一 预 制 混凝 土抗侧 力墙 装 配式 结构体 系 3 ( a ) 初拧 lB 框架 梁 挠 曲变 形 栓 孔滑 移 == === = = ：== _二======二 == 十+} } } + t } 音量专 抗 侧 力墙 体 ( b ) 终拧 梁 变 高 强 f 终 垫板 面 图 3墙 体 顶 邵 连 接构 造 Fi g． 3 Co nn e c t i o n S t r u c t u r e s a t Top of W a l l s 浇缝与楼板面层混凝土一次浇筑。 形式 2 [ 针对 钢筋 ( P VA 纤维) 混凝 土抗侧 力 墙 ， 如图 4 ( b ) 所示] ： 墙 体底部设 置预埋钢板 ， 现场 安 装 时与框 架梁 焊接 ， 框架 梁 上设 置抗 剪栓钉 ， 混 凝 土墙体底部与框架梁预 留 1 5 0 mm 的后浇缝 ( 方便 楼板 钢筋 穿过 ) ， 待 预 制 楼 板 安装 完 毕 后 ， 后 浇 缝 与 楼 板 面层 混凝 土一 次浇 筑 。 形式 3 [ 针对钢筋 ( P VA 纤维) 混凝 土抗 侧力 墙， 如图 4 ( c ) 所示] ： 墙体底部设置小底梁 ， 小底梁 上翼缘设置抗剪栓钉、 锚 固钢筋 ， 与混凝土墙体同时 浇筑 ， 小底 梁下 翼缘 与框 架 梁 上 翼 缘 通过 高 强 螺 栓 连接 ， 小底 梁腹 板预 留孑 L 洞 ， 方便楼 板 钢筋穿 过 。 框架 梁 ： ： ： + + + + + ： ： 、 高 强 螺 且且Ⅱm且且 长圆孔构 ＼ 抗剪 栓 钉 型钢 预制 墙 体 二二二二 、 仁二 l B B I 抗 剪栓 钉 胡子筋 ＼ ＼ ：： ／| 后洛 缝 — 崖 【 【 【 【 l I l 1 H r 框 架粱 2 S P W 体 系的特点 2 ． 1预制 装配化 S P W 体系的三大组成单元——钢框架 、 预制混 凝土抗侧力墙、 预制混凝土组合楼盖均可进行工业 化生产 、 现场安装 ， 具有施工周期短、 不受季节 限制 、 现场湿作业少等优点 ， 有利于实现设计标准化 、 制造 工 业化 、 安 装 机 械 化 ， 从 而 能 够 促 进 建 筑 行 业 的 产 业 化 。 2 ． 2抗侧 力墙体 可 更换化 S P W 体系是一种双重抗侧力结构体系， 在风荷 载及多遇地震作用 下， 钢框架和抗侧力墙体提供结 构 处于 弹性 阶段 的 承载 力 和 刚 度 的需 求 ； 在 罕 遇地 震作用下， 抗侧力墙体作为第 1 道防线 ， 通过 自身的 开裂实现能量耗散 ， 对钢框架提供保护 ， 其退出工作 后 ， 钢框架仍具有一定的承载能力 ， 且结构体系延性 好 ， 可实 现两 道设 防 ， 避 免在 罕遇地 震作 用下 结构发 生严重破坏甚至倒 塌， 同时采用预制墙体并加以合 理的构造措施 ， 可 以实现抗侧力墙体的灾后维修和 更 换 。 2 ． 3抗侧 力墙 体施 工 阶段 零轴 力化 预制混凝土抗侧力墙体顶部螺栓孔采用长圆孔 构 造形 式 ， 并 通过 螺 栓初 拧 一 主 体 结 构施 工 完 毕一 螺栓终拧的方式 ， 使预制装配式抗侧力墙体在施工 阶段不承担轴力 ， 而仅在使用 阶段承担少量 的竖 向 活荷载 ， 从而极大地减小了墙体的轴力 ， 提高墙体变 } 框 架 梁 ： ： ： + + + + + ： ： ＼ 高 强 螺 I 1 J 长 圆 孔 植 锚 筋 预 制 墙体 二== 仁二二二二 lC C 锚 筋 后 浇 缝 L L Ⅲ J_ ⋯Ⅱ ⋯ 【 Ⅱ } 框 架 梁 框架 梁 ： ： ： + + + + ： ： ＼ 高 强 螺 ⋯ ⋯ 长 圆 孔 锚 筋 预 制墙 体 二二二 仁===二 ID ／ 锚筋 D I 小 底梁 ⋯ 高 强 螺 桂 ! l ：： I ：： l ： l ! 框 架梁 B — B 截 面 ( a ) 形 式1 C ． C 截 面 f b ) 形式2 图 4墙体底部连接构造 Fi g ． 4 Co nn e c t i on St r u c t u r e s a t Bo t t o m o f W a l l s D ． D截面 ( c ) 形 式3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 周天华， 等： 钢框架一 预制混凝土抗侧力墙装 配式结构体 系 5 表 1 结构 自振周 期 Ta b． 1 St r u c t u r a I Na t u r a l Pe r i o ds 层数 Tl T2 T3 6 0 ． 5 7 7 ( z方向平动) 0 ． 4 9 1 ( 方向平 动) o ． 4 3 7 ( 扭 转) 1 8 1 ． 8 4 8 ( 方向平动) 1 ． 7 3 0 ( 方向平 动) 1 ． 5 1 5 ( 扭转 ) 《 建 筑抗 震设 计 规范 》 的要 求 。 4 ． 2反应 谱分 析 对 S P W 体系 6层和 1 8层模 型进行弹性反应谱 分 析 ， 结 果见 表 2 。从表 2 可 以看 出 ， 水 平 地 震 作用 下 ， 结构体系剪重比、 最大层间位移角均满足《 建筑 抗 震设 计规 范 》 的要求 。 表 2 地 震 反 应 谱 分 析 结 果 Tab ． 2 An al y s i s Re s u l t s o f S e i s mi c Re s po n s e S pe c t r u m 层数 6 1 8 方向 2 2 5 6 2 4 8 5 基底剪力／ k N 方 向 2 5 5 5 2 6 3 2 -z方向 0 ． 2 6 4 0 ． 0 9 7 剪重 比 方 向 O ． 2 9 9 0 ． 1 O 0 方 向 1 ／ 3 7 7 1 ／ z 9 6 最大层间位移角 方 向 1 ／ 4 7 2 1 ／ 3 5 0 4 ． 3弹 塑性 时程 分析 采用 E 1 C e n t r o波 、 Ta f t波和上海人 工波分别 对 6层 和 1 8层 S P W 体 系 进行 罕遇 地 震 下 时 程 分 析， 并按文献 [ 7 ] 对加速度时程最大值进行 比例调 幅， 结构弹塑性层间位移角如图 8所示 ， 满足《 建筑 抗震设计规范》 对多、 高层钢结构弹塑性层间位移角 。≤ 1 ／ 5 o的要 求 。 5 S P W 体 系在 实 际应 用 中存 在 的 问 题及对策 5 ． 1 连接构 造 的可 靠性 抗侧力墙体与框架梁连接处是保证钢框架与抗 侧力 墙体 协 同工作 、 共 同 承担 荷 载 的关 键 部 位 g ， 应保 证 连 接 破 坏不 先 于墙 体 破 坏 ， 针 对 本 文第 1 ． 2 节 中提 出的 3种连 接方 式 ， 后 续可 设计 模 型试件 ， 并 开展 水平 低周 反 复加 载 试 验 研究 ， 测试 其 连接 的可 靠性 ， 并结合试验研究结论给出合理化的改进措施。 5 ． 2 抗侧 力墙体 的变形 能力 S P W 体 系属 于钢 与混凝 土混 合 结构 ， 由于 钢材 变形能力优予混凝土材料 ， 因此 ， 应提高墙体变形能 力 ， 使之与钢框架能够较好匹配， 可通过 以下措施 ： ①降低墙体的轴压比， 如采用第 1 ． 2节中所述长 圆 孔的构造形式， 可大幅度减小墙体的轴压 比； ②在墙 体边缘约束区设置型钢或采取分段 约束箍筋等措 弹 塑 性层 间 位移 角 ( a ) 6 层 弹 塑 性层 间 位移 角 ( b ) 1 8 层 图 8 结 构 弹 塑 性 层 间 位移 角 Fi g ． 8 El a s t o - p l a s t i c St or y Dr i f t Ang l e s o f St r u c t u r e 施 ， 可提高墙体变形能力； ③采用变形性能较好 的新 型混凝土材料 ， 如 P VA纤维混凝土等。 5 ． 3 抗侧 力墙体 刚度 与承 载力 计算 方法 本文中提 出的抗侧力墙体 刚度、 承载力 的计算 方 法 是 S P W 体 系结 构 内力 分 析 和 构 件 设 计 的前 提 ， 抗侧 力墙 体仅 与框 架梁 相连接 ， 框架 梁 为墙体 传 递荷载并作为其支撑边界 ， 使墙体的受力特点异于 普通的混凝土剪力墙。后续研究可结合墙体变形特 性建立考虑框架梁约束效应作用的刚度计算公式 ； 同时基 于墙 体不 同破 坏 模 式 ( 后 续 试 验研 究 确 定 ) ， 提出考虑墙体尺寸、 材性、 轴压 比、 配筋率和连接强 度的承载力分析模型 ， 并建立承载力计算公式。 5 ． 4 钢框 架 与抗侧 力墙体 的刚度 匹配 对于 S P W 体系， 若墙体 的刚度较小 ， 无法起到 提高结 构整 体 刚度作 用 ； 若 墙体 的刚度 较 大 ， 则可 能 造 成 钢框架 先行 破 坏 ， 因 此 二者 适 宜 的 刚度 匹配 对 于实 现结构 延性 破坏 机制尤 为重 要 。后 续研 究 同时 通 过 改变墙 体厚 度 及 高宽 比调 整 墙体 的抗 侧 刚度 ， 实现墙体与钢框架刚度相适应 ， 使整体结构反应满 足预设 的性 能 E 1 标 。 5 ． 5弹 ( 塑 ) 性层 间位移 角 限值的 确定 目前世界各 国抗震规范所采用主流方法是基于 变形的抗震设计方法 ， 弹性 、 弹塑性层间位移角限值 是关键参数 。可参照其他相似结构的限值 ， 结合后 续试验研究结论， 并在借鉴 国外已有 的研究和经验 的基础上 ， 给出合理的取值。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑科学与工程学报 2 0 1 3生 鉴于上述原因 ， 本项 目将对 S P W 体系 的抗震 [ 4 ] 性 能 、 连接 构造 可靠性 等方 面开展 系列试 验研 究 ， 并 结合 中国规范 的相关规 定 ， 提 出切 实可行 的分 析 、 设 计和计算建议 ， 具体内容将另文专题介绍 。 6 结语 本文中提出一种新 型装配式钢框架一 预制混凝 土抗侧力墙结构体系( S P W 体系) ， 从 基本构成 、 连 接构造、 体系特点、 设计方法和应用研究等方面进行 全面的介绍 ， 并对 6层和 1 8层 S P W 体系房屋进行 设计实例分析 ， 验证了该结构体系的可行性。S P W 体系是一种构造简单 、 成本低 、 综合性能较好的装配 式钢结构多、 高层住宅结构体系 ， 符合装配式结构体 系 的发展 和建筑 产业 化 的进 程 。 参 考文 献 ： Re f e r e n c e s ： [1] 蒋路 ， 陈 以一 ， 汪文辉 ， 等． 足尺带 缝钢板 剪力墙 低 周往复加载试验 研究 I E J ] ． 建 筑结构 学报 ， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 5)： 5 7 — 64 ． J I ANG Lu， CHEN Yi - y i ， W ANG We n - h u i ， e t a 1 ． Ex — p e r i me n t a l St u dy on Fu l l Sc a l e St e e l Pl a t e Sh e a r W a l l wi t h S l i t s Un d e r L o w— f r e q u e n c y C y c l i c L o a d s ： Pa r t I I- J ] ． J o u r n a l o f B u i l d i n g S t r u c t u r e s ， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 5 ) ： 5 7 — 6 4． [2] 蒋路 ， 陈 以一 ， 卞宗舒． 足尺带缝 钢板剪力墙低 周往 复加载试验研究 1 I t- J ] ． 建筑结 构学报 ， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 5 ) ： 65 — 71 ． J I ANG Lu， CHE N Yi — y i ，B I AN Z o n g - s h u ．E x p e r i — me n t a l S t u d y o n F u l l S c a l e S t e e l Pl a t e S h e a r W a l l wi t h S l i t s Un d e r L o w- f r e q u e n c y Cy c l i c L o a d s ： Pa r t l I [ J ] ． J o u r n a l o f B u i l d i n g S t r u c t u r e s ， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 5 ) ： 6 5 — 71 ． [3] 陈 以一 ， 蒋路． 带缝钢板 剪力墙 的承载力 和开缝 参 数研究[ J ] ． 建筑 科学 与工程 学报 ， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 3 ) ： 1 0 9 — 11 4 ． CHEN Yi — y i ， J I ANG Lu ． Re s e a r c h o n Be a r i n g Ca p a c i — t y a nd Sl i t Par a me t e r s o f St e e l Pl at e S he a r W a l l wi t h S l i t s [ J ] ． J o u r n a l o f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r — i n g， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 3 ) ： 1 0 9 — 1 1 4 ． [ 5] [ 6] [ 7] [ 8] [ 9] [ 1 O ] [ 1 1 ] 蒋路 ， 陈以一 ， 王伟栋． 带缝钢板剪力墙 弹性抗 侧刚 度及简化模型研究 [ J ] ． 建筑科 学与工 程学 报 ， 2 0 1 0 ， 27 (3 )： 11 5 - 1 20 ． J I ANG Lu ， CHE N Yi — y i ， WANG We i — d o n g ． Re s e a r c h o n El a s t i c La t e r a l St i f f n e s s a nd Si mpl i f i e d M o de l of S t e e l P l a t e S h e a r wa l 1 w i t h S l i t s [, J ] ． J o u r n a l o f Ar c h i — t e c t u r e a n d Ci v i l E n g i n e e r i n g， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 3 ) ： 1 1 5 — 1 2 0 ． 蒋路． 带缝钢板剪力墙应用技术分析[ J ] ． 建 筑科学 与工程学报 ， 2 0 1 2 ， 2 9 ( 2 ) ： 1 1 8 — 1 2 2 ． J I ANG L u ．An a l y s i s o f Ap p l i c a t i o n Te c h n i q u e s o f S t e e l P l a t e S h e a r wa l l w i t h S l i t s [ J ] ． J o u r n a l o f Ar c h i — t e c t ur e a n d Ci v i l En gi ne e r i n g， 2 01 2， 2 9( 2)： 1 1 8 - 1 2 2． 同济大学 ， 宝 钢建筑 系统集成 有限 公司． 钢筋桁架 叠 合楼板试验研究[ R ] ． 上海 ： 同济大学 ， 2 0 1 3 ． To n g j i Un i v e r s i t y ， B a o s t e e l Co n s t r u c t i o n S y s t e m I n t e — g r a t i o n Co．，Lt d．Expe r i me nt Re s e a r c h on S t e e l Ba r Tr u s s C o mp o s i t e S l a b [, R] ． S h a n g h a i ： To n g j i Un i v e r s i — t y， 2 01 3． GB 5 0 0 1 1 —2 O 1 O ， 建筑抗震设计规范[ s ] ． GB 50 01 1 — 2O1 O． Cod e f o r S e i s mi c De s i gn of Bui l d — i n g s [, S ] ． AB AQUS I n c ．ABAQUS An a l y s i s Us e r ’ S Ma n u a l Ve r s i o n 6 ． 1 O [ M] ． wa r i c k ： AB AQUS I n c ， 2 0 0 9 ． 郭彦林 ， 周 明． 钢板 剪力墙 的分类及 性能 r J ] ． 建 筑 科学与工程学报 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 3 ) ： 1 - 1 3 ． GUO Ya n - l i n， ZHOU M i n g．Ca t e g0 r i z a t i on a nd Pe r — f o r ma n c e o f S t e e l P l a t e S h e a r Wa l l [, J ] ． J o u r n a l o f Ar — c h i t e c t u r e a n d Ci v i l En g i n e e r i n g， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 3 )： 1 1 3 ． 石雄伟 ， 袁卓 亚， 马毓泉 ， 等． 钢板一 混凝土组合加 固预 应力混凝 土 箱 梁 I- J ] ． 长 安 大学 学 报 ： 自然 科 学版 ， 20 12， 32( 3 )： 5 8 — 6 2， 9 O． SHI Xi on g — we i ， YUAN Zhu o— y a， M A Yu — qu a n， e t a 1 ． Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e B o x Gi r d e r S t r e n g t h e n e d wi t h C o mp o s i t i o n o f S t e e l P l a t e a n d C o n c r e t e [ J ] ． J o u r n a l of Ch a ng’ a n Uni v e r s i t y：Na t ur a l Sc i e n c e Edi t i on， 2 0 1 2 ， 3 2 ( 3 )： 5 8 — 6 2， 9 O ． 黄琪． 波形 钢腹 板设计 方法 [ J ] ． 长安大学 学报 ： 自 然 科 学 版 ， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 3 )： 7 3 — 7 6 ． HUANG Qi ．De s i g n S t u d y o n t h e Co r r u g a t e d S t e e l We b s [ J ] ． J o u r n a l o f C h a n g ’ a n Un i v e r s i t y ： N a t u r a l Sc i e nc e Ed i t i o n， 2 0 09， 2 9( 3)： 73 — 7 6． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m