钢管束混凝土剪力墙在装配式建筑中的应用

刘 永 珍

(大同市二院建筑设计研究有限责任公司，山西 大同 037004)

0 引言

国务院总理李克强在2016年9月14日主持召开的国务院常务会议中，谈到关于推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的要求，要大力推广钢结构以及混凝土装配式建筑，提高建筑的安全性能，大力发展具有节能环保的新型产业，推动去产能等一系列措施。在此大环境下，杭萧钢构股份有限公司和浙江大学高性能材料与结构研究所在现有钢结构基础上，根据国家《高层混凝土技术规程》的理论原理，研究发明了钢管束混凝土剪力墙结构技术，填补了钢结构承重构件只有梁、柱，没有剪力墙的空白，拓宽了钢结构在建筑工程中的使用范围，使得装配式建筑在使用钢结构建造时结构更合理，安全系数更高，舒适性更好，空间利用更合理。

1 钢管束混凝土剪力墙的组成及形状

钢管束混凝土剪力墙是由一个方钢管和若干个U形钢组合在一起，形成钢管束。并在钢管束的空腔内浇筑自密式混凝土后形成墙体。平面形状一般有一字形，T字形，L形等形状，一般一片墙的安装高度为2层～3层层高，约为9 m～12 m。各片连接组装成全高剪力墙，钢管束钢材厚度为4 mm～8 mm。空腔尺寸有130×24×4,150×240×6等多种类型。钢管束混凝土剪力墙与H型钢梁联结形成建筑物的承重骨架，取消了普通钢结构梁柱系统中的柱间支撑杆件，使二次结构砌筑安装更方便，二次结构墙体的整体性更好。钢管束混凝土剪力墙平立面图形状见图1，图2。

2 钢管束混凝土剪力墙与钢筋混凝土剪力墙的力学性能比较

钢管束混凝土剪力墙是钢管束和管内混凝土组合而成的。混凝土在钢管内是三向受压状态，受压承载力明显提高。在地震荷载作用下普通钢筋混凝土剪力墙保护层最先开裂，脱落墙断面急剧减小，承载力降低。而钢管束混凝土剪力墙最终破坏前的断面不会减小，承载力不会降低，抗震性能优越。以下就几个方面的性能通过和钢筋混凝土的比较，简单介绍一下钢管束混凝土剪力墙的力学性能。

2.1 钢管束混凝土剪力墙厚度与钢筋混凝土剪力墙厚度的比较

1)钢管束混凝土规格按照U240×130×20×4,Q235混凝土标号C35计算见图3。

2)计算参数。

混凝土Ac=28 633 mm2,钢材截面面积As=2 487 mm2。

Ac+As=3 114≈240×130=31 500 mm2,AcFc=28 633×16.7=478.17 kN,Asfs=2 481×205=508.62 kN。

混凝土抗压承载力承担的分担率为αc=Acfc/Acfc+Asfs=0.485﹤0.7。

3)抗压强度等效混凝土墙厚。

bc′=Ac+Asfs/240×fc=246.21 mm。

所以130厚钢管束混凝土剪力墙抗压强度等效混凝土墙厚度为246 mm。

4)轴压刚度等效混凝土墙厚度。

EsAc=Ec×31 500=901.94 kN,EsAs=511.098 kN,EcAc+EsAa=1 413.04 kN。

h′=EcAc+EsAs/EcAc=1 413.04/31 500Ec=186.9 mm。

所以130厚钢管束混凝土剪力墙轴压刚度等效混凝土墙厚度为186 mm。

通过以上计算可知在相同条件下钢管束混凝土剪力墙厚度比钢筋混凝土墙厚度减小20%。在实际工程当中可增加装配式建筑的使用面积。

2.2 钢筋混凝土剪力墙和钢管束混凝土剪力墙在不同轴压比下的滞回曲线比较

1)钢筋混凝土剪力墙在往复水平荷载拟地震作用下的滞回曲线见图4，图5。

2)钢管束混凝土剪力墙在往复水平荷载拟地震作用下的滞回曲线见图6，图7。

经过滞回曲线的比较，钢管束混凝土剪力墙的滞回曲线更丰满，变形能力更强，抗震性能更好。

3 钢管束混凝土剪力墙结构在装配式建筑中的应用

3.1 钢管束混凝土剪力墙在新建大同市体育运动学校项目的应用

3.1.1工程概况

新建大同市体育运动学校位于大同市御东新区文瀛湖湖畔，总建筑面积1.3万m2。建筑单体为3号,4号,5号宿舍楼。采用钢管束混凝土剪力墙结构，其中3号楼为5层建筑面积为4 831 m2。建筑高度为22.6 m，采用独立柱基，钢筋混凝土外包柱脚。

3.1.2使用钢管束混凝土剪力墙的优点

1)竖向承重结构构件布置基本和框架结构相同。但是截面尺寸更小，与二次结构的隔墙厚度一致。避免了框架结构柱子截面尺寸较大进入室内较多，不利于室内空间利用的缺点。

2)施工进度快，主体承重构件为钢管束混凝土剪力墙，钢梁，桁架式楼层板等。钢构件部分可在工厂预制。现场组装，在土建施工基础的时候，工厂即可按照上部结构构件预制，待基础施工结束后，即可进行主体结构组装。避免了现场大量支模工作，及混凝土浇筑，振捣，有效缩短了工期。

3.2 钢管束混凝土剪力墙在包头市万郡大都城三期18号住宅楼项目中的应用

3.2.1工程概况

18号住宅楼位于包头市青山区，建筑面积3 374 m2，每层建筑面积382 m2，楼长22.68 m，楼宽14.88 m。地下1层，地上34层(2层夹层，33层为住宅)，地下室层高3.1 m，夹层以上每层层高2.9 m。建筑总高度为95.58 m。地下室采用钢框架结构，主体采用钢管束混凝土剪力墙结构体系。

3.2.2钢管束混凝土剪力墙结构的优缺点

1)本工程采用钢筋混凝土剪力墙结构低层部分混凝土墙厚度预计为250 mm～300 mm。而采用钢管束混凝土剪力墙结构，墙厚仅为150。墙体部分面积减小30%。使得室内空间使用面积增大，提高出房率，性价比较传统的钢筋混凝土剪力墙结构体系要好很多，让居住户用的实惠。

2)钢管束混凝土剪力墙结构中的水平承重梁均为钢梁。截面面积较小，自重轻。层数越高主体结构自重较钢筋混凝土剪力墙结构减小的越多。层数30层左右主体结构自重即可减小30%，地基基础的造价降低10%～20%。自重减轻的同时使得地震作用减小。同等条件下钢管束混凝土剪力墙结构体系本身的抗震性能就优于钢筋混凝土结构。所以综合两方面的因素，采用钢管束混凝土剪力墙结构的建筑物抗震性能优越，在高烈度地区使用效果更为明显。

3)钢管束混凝土剪力墙结构施工速度快，工期短，钢管束混凝土剪力墙构件在工厂预制，现场组装。传统钢筋混凝土剪力墙结构施工时只有一个工作面。而钢管束混凝土剪力墙构件，每件高度为9 m～12 m。一次安装即可完成3层～4层。能同时提供3个～4个工作面。而楼板采用自承重式桁架楼层板，楼板不需要支模。能同时在3个～4个工作面上进行钢筋绑扎，电线管敷设，各种预留孔洞的施工及混凝土的浇筑施工。所以工期缩短了2倍～3倍。

4 钢管束混凝土剪力墙结构技术在装配式建筑中推广使用的可行性

1)钢管束混凝土剪力墙结构符合国家装配式建筑对主体结构装配率的要求，是装配式建筑中的一种优势结构形式，主体装配率得分高。更容易达到装配式建筑的指标要求。

2)钢管束混凝土剪力墙结构抗震性能好。一方面钢管束混凝土剪力墙结构自重较传统钢筋混凝土剪力墙结构轻20%～30%，自重轻，地震作用力减小；另一方面，钢管束混凝土剪力墙结构的变形能力强，在承受往复横向荷载的作用下，钢管束混凝土剪力墙横截面面积不会像钢筋混凝土剪力墙那样减小。所以钢管束混凝土剪力墙结构在承受往复地震荷载的作用下，滞回曲线饱满，抗震性能较好。

3)造价方面。

a.钢管束混凝土剪力墙结构钢材用量大。以包头万郡大都城项目为例，含钢量约为80 kg/m2～90 kg/m2，而一般钢筋混凝土剪力墙结构含钢量为55 kg/m2～60 kg/m2，则钢材用量提高造价约10%。

b.钢管束混凝土剪力墙结构自重轻，基础筏板厚度减小，配筋量减小，基础部分造价可降低10%左右。

c.钢管束混凝土剪力墙结构梁为H型钢，楼板采用桁架式自承重楼层板，不需要支架模板，同样可以降低造价。

d.施工工期短。主体结构工期可节省1/2时间，减小了管理及其他人工成本。

e.钢管束混凝土剪力墙结构安装完成后工人在内部施工，不需要外维护钢管架或爬架，这也可降低成本。

综合以上各项，钢管束混凝土剪力墙结构造价略高于现浇钢筋混凝土剪力墙结构，低于装配式钢筋混凝土剪力墙结构。

总之，根据以上论述，推广使用钢管束混凝土剪力墙结构利大于弊。这种结构形式有推广使用的可行性和必要性。