0 引言

　　为解决PC剪力墙构件竖向拼接不可靠、钢框架结构住宅户型适应性差、纯钢结构住宅用户体验差等问题，除应用现有技术进行改善外，有必要研发新型结构或构件，如部分包覆钢-混凝土组合剪力墙结构(PEC剪力墙结构)。

　　1 预制装配式PEC剪力墙结构截面形式

　　PEC结构于20世纪80年代被提出，国内外学者^{[1,2,3,4,5,6,7]}开展了大量研究工作，相应的规范编制工作已开展。笔者结合国内外研究成果，于2018年采用图1所示窄翼缘部分包覆钢-混凝土柱(PEC柱)设计了2栋5层住宅楼。由于PEC柱与隔墙等厚，且防火构造简单，取得了良好的示范效果。但窄翼缘PEC柱面外稳定性差，难以适应高层住宅。因此，通过进一步研究提出新型剪力墙结构，如图2所示，该结构由多个H型钢空腔内浇筑混凝土制成。由于采用预制构件，且每个空腔构造类似PEC柱，因此称之为预制装配式PEC剪力墙结构。常用截面形式包括一字形和L形(见图3)，组立方式均为型钢与钢板焊接，生产工艺较简单。

　　图1 窄翼缘PEC柱 

　　图2 预制装配式PEC剪力墙结构  

　　图3 截面形式  

　　2 预制装配式PEC剪力墙结构构造

　　预制装配式PEC剪力墙结构构造主要包括:(1)采用弯钩钢筋或扁钢条作为系杆，以一定间距焊接各腔体H型钢翼缘(见图4a);(2)为实现混凝土单面浇筑、双面成型，在各腔体钢腹板上开设直径150mm、间距500mm的圆孔(见图4b)，一次浇筑成型，可缩短制作周期。

　　图4 结构构造  

　　3 预制装配式PEC剪力墙结构特点

　　3.1 力学性能

　　预制装配式PEC剪力墙结构利用混凝土受压性能好、钢材受拉性能好的特点，使混凝土承受约50%的受压荷载，从而减小钢板受压荷载。各腔体混凝土三面受钢板约束，开敞面受系杆约束，可与H型钢形成稳定的组合作用，被混凝土完全或部分包裹的钢板稳定性得到提高。因此，预制装配式PEC剪力墙结构具有较高的刚度、承载力和良好的抗震性能。

　　已有研究表明^[8]，系杆在钢板受压屈曲后起到延缓钢板急剧变形的作用，使结构不会快速丧失承载力，进而提高延性。

　　3.2 耐火性能

　　预制装配式PEC剪力墙结构构件由于表面大部分被混凝土包裹，相比钢结构或钢管混凝土结构，在耐火性能方面具有天然优势，防火构造做法更简单，仅需在翼缘粘贴加气混凝土片材或涂抹厚型防火涂料，如图5所示。为验证防火构造的可行性，开展3.75m长足尺PEC柱耐火性能试验研究，施加900kN轴向荷载。试验结果表明，PEC柱满足3h耐火要求。

　　图5 防火构造  

　　3.3 节点连接性能

　　节点连接的可靠性对于装配式建筑至关重要。PEC剪力墙与钢梁及上下剪力墙间竖向节点均采用传统栓焊混合的方式连接(见图6a)，具有构造简单、传力明确、连接可靠、施工方便等优点。PEC剪力墙按2～3层/节预制，每节预制墙两端预留一段安装空隙，待现场栓焊工作完成后浇筑高性能混凝土(见图6b)。

　　图6 PEC剪力墙竖向拼接节点  

　　预制装配式PEC剪力墙结构在楼板处的节点做法如图7所示，支座处楼板负筋可穿过剪力墙腹板预留孔洞，保证结构受力连续，且后浇混凝土层能较好地连接楼板与剪力墙，使结构整体性良好。施工过程中避免出现冷缝，减少楼板在剪力墙处的渗水隐患。

　　图7 连接节点做法示意  

　　3.4 所建住宅舒适性能

　　住宅对舒适性能的要求高，预制装配式PEC剪力墙结构使构件刚度提高约50%，不仅有利于控制房屋过大的振颤感及层间变形引起的不舒适感，且有利于防止配套围护体系因主体结构层间变形较大引起的开裂、渗水。空腔内混凝土有利于挂网抹灰及吊挂重物，从而方便装修。

　　3.5 构件制作简易性

　　预制装配式PEC剪力墙结构钢骨架平放后可作为混凝土浇筑时的底模和侧模，降低模具成本。骨架焊接可采用自动化设备，效率高。

　　4 实际应用

　　4.1 工程概况

　　浙江省嘉兴市海盐县新城·吾悦广场12号住宅楼采用预制装配式PEC剪力墙结构，装配率高达91%，地下1层，地上16层，标准层层高3m，总高49m，总建筑面积4 500m²，抗震设防烈度为6度。

　　4.2 计算分析

　　由PEC梁(部分为纯钢梁)、PEC柱、PEC剪力墙形成的结构如图8所示，其中梁、柱、墙厚度分别为180,200,180mm。应用盈建科结构分析软件建模，PEC梁、PEC柱采用工字形截面(翼缘外侧混凝土厚度设为0)模拟，将PEC剪力墙按刚度等代原则转化为混凝土墙。

　　图8 结构平面布置  

　　建模完成后进行弹性计算，通过多次调整构件断面，使结构满足有关规范要求。计算得结构x,y向基底剪力分别为647,740kN,x,y向剪力系数分别为0.95%,1.09%,x,y向弹性层间位移角分别为1/646,1/615。弹性层间位移角限值根据专家评审意见取为1/600，实际层间位移角均<1/600。

　　应用ABAQUS软件进行罕遇地震作用下动力弹塑性时程分析，结果如图9所示。由图9可知，本工程弹塑性层间位移角远小于规范要求。

　　4.3 施工效果

　　对PEC构件制作、运输及安装全过程进行跟踪监测，可知本工程总体上达到预期效果，实现主体结构(包括楼板)4d/层的施工速度。PEC构件型钢骨架制作过程中的翻转、运输过程中的装卸车及安装过程中的起吊与钢构件类似，操作方便(见图10)。

　　图9 弹塑性层间位移角  

　　图1 0 PEC剪力墙构件起吊及安装  

　　5 结语

　　提出预制装配式PEC剪力墙结构，详细介绍该结构基本组成和构造特点。工程应用效果表明，预制装配式PEC剪力墙结构受力合理，解决了目前钢结构住宅和PC结构住宅存在的部分技术问题。后续仍需验证该结构在多参数(不同轴压比、墙肢长度、材料强度、系杆形式和疏密等)下的抗震性能;验算方法需考虑刚度取值、极限破坏模式及预测等;需考虑翼缘面及沿翼缘厚度裸露处的防火构造;考虑混凝土浇筑便利性和经济性，应尽量采用一字形构件，但规范对混凝土短肢一字墙的使用规定了诸多限制，需研究一字形构件的适用性。