曹路大基地南扩区B13-04地块和B13B-14地块位于上海市浦东新区, 属于保障性住房中的动迁安置房。两个地块项目总建筑面积为182 650m², 其中包括8栋11层住宅、1栋10层住宅、8栋18层住宅、2栋17层住宅、3栋16层住宅。住宅建筑100%为装配式建筑, 单体预制率达到40%以上, 为上海地区率先达到40%预制率的装配式项目。

　　 高层住宅均设一层地下室, 基础采用PHC管桩+平板式筏基。抗震设防烈度为7度 (0.1g) , 设计地震分组为第一组, 场地类别为Ⅳ类 (上海) , 特征周期为T_g=0.90s, 抗震设防类别为丙类。地面粗糙度B类, 50年一遇的基本风压w₀=0.55k N/m², 塔楼整体位移和承载力计算将采用50年重现期的风荷载计算。项目于2016年9月通过抗震超限审查, 2016年10月通过施工图审查。本文以B13B-14地块中的1号楼为例进行叠合剪力墙结构的抗震超限设计, 地上建筑面积10 723m², 地下建筑面积628m², 结构高度50.850m。结构标准层平面图见图1。

　　 根据文献[1]附件一中表4和表5判断, 1号楼仅存在扭转不规则一项一般不规则, 但由于采用了双面叠合板式剪力墙结构体系, 属于超规范设计, 涉及新技术, 因此根据有关规定, 对其进行超限高层建筑抗震设防专项设计。

　　 叠合剪力墙结构体系是由叠合式墙板和叠合式楼板或现浇楼板, 并辅以必要的现浇剪力墙、边缘构件、梁、板等共同形成的结构体系, 见图2, 3。该体系采用工业化生产方式, 将工厂生产的主体预制构配件运到项目现场, 使用起重机械将构配件吊装到位, 然后浇筑现浇部分混凝土, 将结构连为整体。预制结构部分采用工厂集中加工, 一方面采用工业化的生产方式加强了钢筋工程质量的控制, 另一方面大大减轻了工地现场的作业, 减少了劳动力的投入, 同时预制结构通过现浇结构进行连接, 预制结构与现浇结构接触面具有一定粗糙度, 从而保证了结构体系的整体性。这种叠合剪力墙结构体系在德国等发达工业国家已经得到广泛应用^[2,3]。

　　 结合我国的实际情况, 近年来国内学者对叠合剪力墙结构体系进行了大量的试验研究。同济大学针对这种结构体系进行了双面叠合剪力墙抗震性能试验、预制夹心叠合剪力墙模拟地震振动台试验等研究。结果表明, 双面叠合剪力墙的破坏形态为约束边缘构件中的竖向受压钢筋和受拉钢筋屈服, 受压区混凝土压碎;叠合试件的极限承载能力与现浇试件相差很小;滞回曲线包围面积均较大, 骨架曲线下降端比较平缓, 总体耗能能力较好;正截面受弯承载力、斜截面受剪承载力和接缝受剪承载力均具有较大的安全系数, 可满足《装配式混凝土结构技术规程》 (JGJ 1—2014) 、《装配整体式混凝土公共建筑设计规程》 (DGJ 08-2154—2014) 、《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) 和《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) (简称混凝土规范) 的设计要求^[4]。

　　 合肥工业大学叶献国等人在文献[5]中提出叠合剪力墙在水平拼缝部位采用强连接, 可以使塑性部位由水平拼缝上升至墙板内部, 抗震性能接近现浇钢筋混凝土剪力墙。

　　 目前双面叠合剪力墙在国内已应用于上海市惠南镇宝业万花城、上海青浦区宝业爱多邦、上海嘉定南翔星信综合体项目、合肥长宁家园等项目, 总建筑面积达200多万平方米。

　　 分别采用YJK和MIDAS/Building两种软件进行整体结构计算, 分析时考虑扭转耦联影响的振型分解反应谱法并考虑偶然偏心, 周期折减系数取0.90, 梁刚度增大系数按照混凝土规范5.2.4条执行。

　　 YJK分析结果为:T₁=1.317 0s, T₂=1.215 9s, T₃=0.950 8s, 周期比T₃/T₁=0.70, 小震作用下结构X, Y向最大层间位移角分别为1/1 273, 1/1 100。MIDAS分析结果为:T₁=1.371 8s, T₂=1.220 1s, T₃=0.923 8s, 周期比T₃/T₁=0.68, 小震作用下结构X, Y向最大层间位移角分别为1/1 330, 1/1 126。

　　 YJK和MIDAS两种软件的计算结果偏差在5%以内, 计算结果均满足规范要求, 且两者基本吻合。

　　 利用PKPM V3.1系列软件中的PUSH进行弹塑性静力推覆分析, 对应罕遇地震性能点, X, Y向Pushover分析得到的最大层间位移角分别为1/181, 1/210, 均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) 第3.7.5条中1/120的限值要求, 且有较大的余量, 见图4。

　　 采用PUSH对主体结构进行分析, 多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下基底剪力如表1所示。从表1可以看出, 在设防烈度地震作用下, 主体结构基本处于弹性状态;罕遇地震作用下, 结构刚度开始退化, 进入塑性。

　　 从侧推过程来看, 结构的部分连梁和底部加强区的部分剪力墙出现了塑性铰, 剪力墙出现的塑性铰主要是墙体受拉引起的。底部加强区采用现浇工艺, 设置约束边缘构件, 并适当增加配筋提高剪力墙的延性和耗能能力。从总体上看, 结构在大震作用下的弹塑性反应及破坏机制合理, 符合结构抗震工程的概念设计要求, 可以判断主体结构能够实现7度 (0.1g) 罕遇地震作用下不倒的设防要求。

　　 (1) 墙与墙连接处节点

　　 双面叠合剪力墙拼缝处采用双排插筋连接, 插筋与预制墙板内侧净距控制在10~15mm之间, 以保证插筋与后浇混凝土之间足够的握裹力。为保证接缝的强连接的要求, 插筋需满足承载力的要求, 且间距不大于200mm, 水平插筋直径不小于8mm, 竖向插筋直径不小于10mm (图5~7) 。

　　 (2) 楼板与墙连接处节点

　　 楼板钢筋伸入叠合墙空腔内与叠合墙连接 (图8) 。

　　 (3) 洞口连梁

　　 双面叠合剪力墙结构的洞口处连梁宜采用双面混凝土叠合连梁 (图9) , 也可采用现浇混凝土连梁。连梁配筋及构造应符合混凝土规范和《装配式混凝土结构技术规程》 (JGJ 1—2014) 的有关规定。

　　 双面叠合剪力墙结构体系叠合墙之间采用现浇层插筋连接, 一方面施工简单, 容易控制施工质量, 避免了传统全预制剪力墙套筒连接;另一方面因为现浇层的存在, 不仅结构整体性更好, 而且防水性能更好。

　　 小震作用下, 双面叠合剪力墙水平拼缝处不考虑预制板贡献的抗剪承载力验算, 参照文献[6]中式 (6.5.1-2) 和式 (8.3.7) , 设计中仅考虑竖插筋的抗剪承载力, 其中叠合层之间的现浇部分混凝土的抗剪承载能力作为安全储备考虑。计算公式为:

　　 式中:V_{jd E}为地震设计状况下接缝剪力设计值;V_{u E}为地震设计状况下梁端、柱端、剪力墙底部接缝受剪承载力设计值;f_y为垂直穿过结合面的钢筋抗拉强度设计值;A_sd为垂直穿过结合面的抗剪钢筋截面面积;N为与剪力设计值V相应的垂直于结合面的轴向力设计值, 压力时取正, 拉力时取负;γ_RE为构件承载力抗震调整系数。

　　 选取8.350m标高处双面叠合剪力墙墙底水平拼缝为例, 取最不利工况内力, 计算结果见表2 (墙编号见图10) 。由表2可知, 水平缝处配置插筋可满足受剪承载力要求, 并保证有一定量的安全储备。

　　 大震作用下水平拼缝处受剪截面按文献[7]中3.11.3条 (式3.11.3-4) 进行计算, 计算结果如表3所示。由表3可知, 计算结果均满足要求。文献[7]中3.11.3条 (式3.11.3-4) 如下:

　　 式中:V_GE为重力荷载代表值作用下的构件剪力;V^*_EK为地震作用标准值得到的构件剪力, 不需考虑与抗震等级有关的增大系数;f_ck为混凝土轴心抗压强度标准值;b为矩形截面的宽度;h₀为截面的有效高度。

　　 (1) 仅非底部加强区采用叠合墙, 叠合墙轴压比计算方式同现浇混凝土剪力墙结构, 控制叠合墙肢最大轴压比不大于0.4。

　　 (2) 参照文献[6], 施工图设计中对同一层内既有全现浇墙肢也有双面叠合墙肢的情况, 全现浇墙肢的水平地震作用弯矩、剪力乘以不小于1.1的增大系数验算配筋。

　　 (3) 对位移比大于1.2的楼层及其上下一层的房屋两侧剪力墙墙体采用现浇钢筋混凝土工艺, 其余楼层单元两侧的剪力墙设置约束边缘构件, 且纵筋配筋率不小于1%, 以解决扭转不规则的不利影响。约束边缘构件可按图11设置。约束边缘构件核心连接区域 (图11中阴影区域) , 采用现浇混凝土。特别部位采用约束边缘构件以提高叠合剪力墙结构的抗震能力。

　　 双面叠合剪力墙结构体系兼具了全预制剪力墙工业化生产施工和现浇剪力墙结构整体性、抗渗和防水性能好的优点。因此该体系具有实现建筑工业化的独特的先天条件, 这种结构体系在欧洲已经普遍应用, 在国内定会得到越来越广泛的应用。

　　 根据工程的具体情况, 采用YJK, MIDAS等软件进行相关计算分析, 结合试验成果和相关规范对关键节点和水平拼缝处等结构薄弱部位采用相应设计加强措施。通过这些措施来保证叠合剪力墙结构体系具有足够的安全性。