帶邊框預制裝配式剪力墻關鍵技術研究進展

陳建偉，蘇幼坡，陳海彬，徐國強，高林

(河北聯(lián)合大學建筑工程學院，河北省地震工程研究中心，河北唐山063009)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加速，也伴隨著建筑結構設計和施工技術水平的提高，高層建筑在我國的發(fā)展十分迅速。近十年來，我國在裝配式混凝土建筑方面的研究也在逐漸升溫，中國建筑科學研究院、清華大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京工業(yè)大學等多家單位開展了相關技術研究，并與國家住宅產業(yè)化基地進行合作，在一些房地產開發(fā)項目中得到了一定規(guī)模的示范和應用。

在眾多結構體系中，剪力墻作為一種抵抗側向力的結構單元，其剛度大，承載力高，幾乎不可避免地要在大多數(shù)的高層建筑中進行應用。高層建筑結構中，水平地震作用下產生的層間剪力和水平位移在結構抗震設計中起到控制作用，其高度越高控制作用也就越強。大量的鋼筋混凝土高層建筑通常由梁、柱、樓板和剪力墻及筒體構成，剪力墻是高層建筑抗震的核心部分，其承擔了80%以上的水平地震作用［1］，所以剪力墻結構的抗震性能對于高層建筑的安全可靠有著至關重要的作用，是工程界十分關注和亟待解決的關鍵問題之一。

與普通的剪力墻結構相比，預制鋼管混凝土邊框剪力墻結構具有以下特點［2］:(1)有效發(fā)揮鋼和混凝土材料各自的優(yōu)勢;(2)鋼管混凝土具有后期承載力高，抗剪性能及延性好等特點;(3)鋼管邊框的約束作用可以提高墻板的抗剪能力;(4)改變抗震防線較為單一的狀況，提高結構整體抗震性能。相比現(xiàn)澆的帶邊框剪力墻結構，預制鋼管混凝土邊框剪力墻結構具有以下特點［3］:(1)可以工廠預制、現(xiàn)場裝配，實現(xiàn)剪力墻結構住宅產業(yè)化;(2)有效節(jié)約資源和能源，減少建筑垃圾和環(huán)境的不良影響;(3)減少現(xiàn)場施工場地等環(huán)境條件的要求。

從國內外的研究和應用經(jīng)驗來看，與裝配式框架結構相比，裝配式剪力墻結構中存在更大量的水平接縫、豎向接縫，這些接縫的受力性能直接決定結構的整體性能，因此，受力合理、方便施工的墻板節(jié)點和接縫設計是裝配式混凝土結構設計的關鍵技術，是決定該結構形式能否推廣應用的重要影響因素。預制裝配式剪力墻結構可以分為部分預制剪力墻結構和全預制剪力墻結構。部分預制剪力墻結構主要指內墻現(xiàn)澆、外墻預制的結構，該結構目前在北京萬科的工程中已經(jīng)示范應用。由于內墻仍為現(xiàn)澆，其預制化率較低［3］。全預制剪力墻結構是指全部剪力墻采用預制構件拼裝裝配。該結構體系的預制化率高，但拼縫的連接構造比較復雜、施工難度較大，難以保證完全等同于現(xiàn)澆剪力墻結構，目前的研究和工程實踐還不充分，尤其是在地震區(qū)的推廣應用還有待進一步的研究。

眾所周知，地震作用屬于動力荷載的范疇，會使結構或構件產生較高的應變率。當結構受到地震作用時，相對于靜力荷載，鋼筋和混凝土的動態(tài)力學行為都有顯著變化，而這一變化將會影響到整體結構的動力性能，因此應變率的影響不容忽視。當以周期為0.3s的正弦波對結構進行激振時，混凝土的應變率會達到0.03/s，強度增加近20%［4］。因此，目前地震作用下的結構設計只依賴于某一平均荷載速率的方法，不能完全真實地反映結構地震反應的本質。本文對帶邊框預制剪力墻研究的關鍵技術進行總結，結合國內外的相關研究成果，提出帶邊框預制剪力墻整體、構件受力性能、節(jié)點和接縫連接受力性能以及考慮加載速率影響的剪力墻受力性能等問題值得深入研究。

1 我國住宅產業(yè)化的研究現(xiàn)狀

2010年我國竣工的城鎮(zhèn)住宅建筑面積超過10億m2，2011—2030年城鎮(zhèn)新建住宅建筑面積年均增長將超過4%，由于我國人均建設用地的限制，高層住宅所占比例將顯著增加。長期以來，我國混凝土建筑主要采用現(xiàn)場施工的傳統(tǒng)生產方式，工業(yè)化程度低，水耗、能耗、人工、垃圾和污水排放量大，不符合國家的節(jié)能、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展政策。住宅產業(yè)化，采用預制裝配式施工方式，是實現(xiàn)建筑節(jié)能減排的重要途徑之一。據(jù)測算，綠色施工方式每平方米能耗可以減少20%，水耗可以減少63%，木模板消耗量減少87%，產生的施工垃圾量減少91%。

住宅產業(yè)化是我國住宅建設的發(fā)展方向，國內對這方面的研究逐漸加大。1999年，國務院辦公廳頒發(fā)了《關于推進住宅產業(yè)現(xiàn)代化提高住宅質量的若干意見》。2005年11月30日，《住宅性能評定技術標準》由建設部和國家質量監(jiān)督總局發(fā)布，2006年3月1日開始施行。2006年6月21日，建設部頒布《國家住宅產業(yè)化基地實施大綱》。萬科工業(yè)化實驗1號是萬科住宅產業(yè)化的第一個實驗項目，采用全預制方式的一套工業(yè)化住宅，是國內第一個采用裝配整體式方式建造的預制混凝土住宅實體［5］。

張季超，楚先鋒，邱劍輝等［6］(2008年)首先分析了住宅產業(yè)化的必要性和意義，指出我國科技進步對住宅產業(yè)發(fā)展的貢獻率剛過30%，而歐美主要發(fā)達國家均在70%～80%以上。我國住宅產業(yè)的產業(yè)化率僅為15%，美國、日本達70%～80%。按國際通行標準，集約型發(fā)展的產業(yè)要求科技進步對產業(yè)的貢獻率超過50%。文中對一種新型裝配式預制鋼筋混凝土結構體系節(jié)點的受力特性、抗震性能及其破壞模式等方面進行了試驗研究。

姜陣劍［7］(2004年)總結了住房產業(yè)化的概念和特點，對國外住宅產業(yè)化的發(fā)展方向以及我國住宅產業(yè)化的發(fā)展現(xiàn)狀進行了詳盡論述。

陳彤，郭惠琴，馬濤等［8］(2011年)介紹了一棟裝配整體式剪力墻結構的高層住宅建筑設計，其抗震設防烈度為8度。指出基于性能目標的設計是裝配整體式混凝土結構設計的一種有效方法，預制構件與現(xiàn)澆構件不必一律采用等強連接的方式。通過試點工程的設計實踐，文中給出了住房產業(yè)化的一些總結與思考。

21世紀前20年，是我國建筑業(yè)發(fā)展的鼎盛時期，每年建成的房屋面積將高達16～20億m2［3］?？梢灶A見，隨著國家建筑政策的進一步完善，建筑材料性能的逐步改進和施工工藝水平的不斷提高，預制混凝土結構將具有廣闊的發(fā)展與應用前景。

2 預制裝配式混凝土剪力墻研究

國內已有中國建筑科學研究院、清華大學、東南大學、哈爾濱工業(yè)大學、合肥工業(yè)大學、安徽建筑工業(yè)學院等多家單位開展了預制剪力墻的部分技術研究。通過試驗研究，在結構體系的連接構造、抗震性能、設計方法、施工方法等方面取得了很多成果，并編制了部分地方標準，在萬科集團、南通建筑工程總承包有限公司、上海瑞安集團、黑龍江宇輝集團等的開發(fā)項目中開展了部分工程應用［3］。

朱張峰，郭正興［9］(2011年)對2個現(xiàn)澆和2個預制裝配式足尺比例試件進行低周反復荷載試驗。結合非線性分析手段，從試件的承載能力、變形能力、受力機理及破壞模式等方面綜合分析了其抗震性能，并初步探討了墻板連接鋼筋的合理直徑。文獻［10］以江蘇海門中南世紀城33號樓的1/2縮尺模型，試驗研究全預制裝配整體式剪力墻結構的抗震性能。

錢稼茹［11-12］，張薇敬［13］等(2011年)分別進行了5個剪跨比為2.25和3個剪跨比為2.32的預制鋼筋混凝土剪力墻試件擬靜力試驗。墻體豎向鋼筋采用了不同的連接方法，對其破壞特征、耗能能力等抗震性能進行分析，并且給出預制裝配式剪力墻可靠連接的一些建議。

陳再現(xiàn)［14］，姜洪斌［15］等(2011年)分別進行了預制鋼筋混凝土剪力墻結構的擬動力子結構和擬靜力試驗。試驗模型均為足尺模型，研究該結構在地震作用或反復周期荷載作用下的破壞過程和變形能力，給出了該結構的滯回曲線、骨架曲線、剛度退化曲線等詳細數(shù)據(jù)。

郭正興，董年才，朱張峰等［16］(2011年)在已有全預制裝配整體式剪力墻試驗基礎上，結合有限元方法，對各影響參數(shù)進行計算，比較不同參數(shù)條件下的單調荷載-位移曲線，分析各個參數(shù)對該節(jié)點抗震能力的影響規(guī)律，并根據(jù)分析結果探索更為合理且經(jīng)濟的構造措施。

國外對預制鋼筋混凝土剪力墻的連接構造及抗震性能也進行了一些相關研究。

Arturo［17］(1994年)對預制剪力墻板之間豎向連接的抗震性能進行試驗研究，旨在通過豎向節(jié)點的設計改進墻板之間水平力的傳遞，增強整體剛度來提高預制剪力墻結構的抗震性能，文中給出試件和試驗裝置的設計、節(jié)點的細部設計。

Adajar和 Yamaguchi［18］(1996 年)提出了一種新的預制剪力墻主筋的連接方法，如圖1所示，通過四個系列的試驗，考察了最大受拉荷載和抗粘結性能的影響。試驗表明影響節(jié)點抗拉性能的三個主要因素是搭接長度、混凝土約束水平以及約束筋的用量。

Schultz、Erkmen 和 Magana［19］(2004 年)基于DRAIN-2DX對預制剪力墻抗震設計中的兩個因子進行參數(shù)分析，即響應修正因子R和位移系數(shù)Cd。由于該因子是針對現(xiàn)澆剪力墻的(R=4－6，Cd=4－4.5)，工程師在實際工程中設計預制剪力墻時仍采用上述取值，然而現(xiàn)澆和預制剪力墻受力性能有很大不同，文中對兩個因子的合理取值進行了數(shù)值分析。

圖1 搭接節(jié)點細部構造

雖然目前對預制裝配式混凝土結構的研究和應用已經(jīng)取得了一定的進展，但是應用中還存在關鍵技術不完備、不系統(tǒng)，缺乏支撐規(guī)?；瘧玫募杉夹g及技術標準，規(guī)?；茝V受到很大限制［3］。

3 帶邊框組合剪力墻研究

采用帶邊框的組合剪力墻，是將不同形式的邊框和墻板結合起來可以發(fā)揮組合效應，進一步提高剪力墻的抗震能力［20］。目前有很多學者投入研究，采用的邊框形式主要包括鋼管混凝土邊框、勁性鋼筋混凝土邊框［21］等。

錢稼茹，江棗，紀曉東［22］(2010年)對6個剪跨比大于2.0的高軸壓比鋼管混凝土剪力墻試件和1個鋼筋混凝土剪力墻試件進行試驗研究，分析了鋼管混凝土剪力墻的破壞形態(tài)、承載能力及耗能能力等性能，研究了軸壓比和約束邊緣構件的箍筋量對其抗震性能的影響，并提出了鋼管混凝土剪力墻的相關設計建議。

曹萬林，王敏，張建偉等［23］(2008年)對不同軸壓比、不同強弱抗剪連接鍵的矩形鋼管混凝土邊框剪力墻進行了低周反復荷載下抗震性能試驗研究，試驗模型采用1/4縮尺，鋼管內和墻體采用同批商品混凝土現(xiàn)澆，通過4個剪力墻試件的試驗，分析了各剪力墻的承載力、延性、剛度及其滯回性能、破環(huán)特征，并建立了該型剪力墻的承載力N和水平承載力F計算公式:

Driver等［24］(2006年)進行了一個4層單跨的帶鋼管混凝土邊框的鋼板剪力墻的低周反復荷載試驗。對試件加載30個周期，其中20個周期處在非彈性階段，結果表明試件失效之前的最低層變形是屈服變形的9倍，經(jīng)歷大變形和周期荷載后表現(xiàn)出良好的延性、耗能及穩(wěn)定性，同時文中給出了試驗裝置、加載步驟以及試件性能的說明。

夏漢強，劉嘉祥［25］(2005年)提出了矩形鋼管混凝土柱邊框剪力墻設計中面臨的問題，采用SAP2000對帶方鋼管混凝土邊框剪力墻進行了有限元彈性分析，對《矩形鋼管混凝土結構技術規(guī)程》》(CECS159:2004)中結構分析假定的合理性進行了驗證。

廖飛宇，陶忠，韓林海［26］(2007年)基于ABAQUS有限元平臺中建立了鋼管混凝土柱邊框RC剪力墻的三維非線性有限元模型，對剪力墻在恒定軸力和水平荷載共同作用下的受力性能進行分析。結果表明:RC剪力墻受力機制類似于斜壓桿的機制，主要發(fā)生剪切破壞，在極限荷載時，剪力墻承擔了大部分剪力而鋼管混凝土邊框承擔了大部分彎矩。

成錕，張延慶［27］(2009年)通過有限元分析軟件ABAQUS對方鋼管混凝土約束端柱組合剪力墻進行非線性分析，其中忽略了鋼管和核心混凝土的粘結滑移作用。在驗證了計算模型的基礎上，分析了混凝土強度等級、水平分布筋配筋率、鋼管強度及軸壓比等參數(shù)對組合剪力墻力學性能的影響。

文獻［28-33］對鋼管混凝土邊框組合剪力墻在高軸壓比、高強混凝土、不同連接鍵工作性能、圓鋼管、多重組合、內藏桁架等影響因素作用下的試驗研究和理論分析。

2004年中國工程建設標準化協(xié)會頒布了《矩形鋼管混凝土結構技術規(guī)程》［34］(CECS159:2004)，該規(guī)程給出了帶矩形鋼管混凝土邊框的剪力墻承載力計算假定和構造要求。另外1990年頒布的《鋼管混凝土結構設計與施工規(guī)程》［35］(CECS28:90)中給出了鋼管混凝土結構設計與施工的要求，推薦給工程建設有關單位在設計和施工時使用。在我國，鋼管混凝土組合剪力墻已經(jīng)應用在深圳72層賽格廣場大廈和杭州瑞豐商業(yè)大廈等結構中［36］。

4 節(jié)點、接縫連接技術研究

預制裝配式混凝土結構依靠節(jié)點及拼縫將預制構件連接成為整體，構件之間的可靠連接，是保證結構整體性及其抗震能力的關鍵。在保證結構整體受力性能的前提下，應力求連接構造簡單、受力明確。其中鋼筋、鋼管的灌漿套筒連接技術得到了迅速的發(fā)展與應用［37］。

韓瑞龍，施衛(wèi)星，周洋等［37］(2011年)介紹了灌漿套筒連接技術作為一種新型鋼管結構連接方式的原理與優(yōu)勢。以某近海風力發(fā)電工程為例，列舉了兩種灌漿套筒連接形式，同濟大學針對這兩種連接節(jié)點，分別在偏心受壓與軸心受壓作用下以及偏心受壓和偏心受拉的循環(huán)作用下的承載力、變形等性能進行的試驗研究。

張莉若，湯中發(fā)，王明貴［38］(2005年)利用ANSYS軟件分析了套筒式鋼管混凝土梁柱節(jié)點的承載性能，同時進行了力-位移混合加載控制的節(jié)點承載力低周反復荷載試驗。

錢稼茹，彭媛媛，張景明等［39］(2011年)通過5個剪跨比為2.25的剪力墻試件的擬靜力試驗，研究了豎向鋼筋套筒漿錨連接預制剪力墻的抗震性能。試驗結果表明，采用套筒漿錨連接和套筒漿錨間接搭接均能有效傳遞豎向鋼筋應力。套筒漿錨連接能夠有效傳遞豎向鋼筋的應力，預制墻試件的破壞形態(tài)與現(xiàn)澆墻試件的破壞形態(tài)相同。

姜洪斌，張海順，劉文清等［40］(2011年)設計制作了108個預制混凝土結構插入式預留孔灌漿鋼筋搭接試件，考慮鋼筋直徑、混凝土強度、搭接長度等不同影響因素，完成了試件的單向拉伸試驗，得到了插入式預留孔灌漿鋼筋搭接連接的破壞模式及各因素的影響規(guī)律，計算分析并給出合理的搭接長度。

王愛軍［41］(2010年)介紹了一種新型結構灌漿接頭，即鋼筋灌漿直螺紋連接技術，該技術采用灌漿-直螺紋連接組合結構、鋼制連接套筒和接頭、專用高強灌漿料。并將這項技術應用于北京“中糧萬科假日風景”13層的工業(yè)化住宅樓，該住宅為裝配式剪力墻結構。

Zhao，Grundy和Lee［42］(2002年)對大變形周期荷載作用下的預應力灌漿套管連接進行一系列試驗研究?？疾炝酥芷诤奢d作用下峰值荷載、耗能以及摩擦系數(shù)等因素的影響，依據(jù)累計滑移長度、灌漿長度和預應力大小推導出耗能及有效摩擦系數(shù)的計算公式。研究得出周期荷載作用下摩擦產生的熱能有助于連接節(jié)點的抗震性能。

灌漿套管連接作為一種新型鋼管結構連接形式具有施工方便、造價低廉等優(yōu)點，是一種應用前景極佳的技術。日本、英國、澳大利亞等國家都對灌漿套管技術進行了較系統(tǒng)的研究，研究結果已經(jīng)應用于工程實踐中［43］。

5 考慮加載速率的剪力墻抗震性能研究

雖然地震反應過程中的應變率效應問題已經(jīng)引起了人們的注意，但是目前國內外關于混凝土結構或構件動態(tài)加載的研究成果尚不多見。

張皓，李宏男［4］(2010年)基于有限元軟件ABAQUS中的顯式動力分析模塊ABAQUS/Explicit，分別對鋼筋混凝土剪力墻準靜態(tài)和高應變率動力荷載作用下的響應進行了數(shù)值模擬，通過比較高應變率與準靜態(tài)加載下的分析結果，探討了地震作用下應變率對鋼筋混凝土剪力墻動態(tài)性能的影響。

陳俊名［44］(2010年)通過兩片鋼筋混凝土剪力墻構件的快速加載試驗研究了加載速率對鋼筋混凝土剪力墻構件水平承載力和滯回性能的影響，同時基于有限元軟件ABAQUS的損傷塑性模型并考慮應變率效應，建立了剪力墻構件的有限元模型，對不同加載速率下的力學性能進行了模擬。

Shimazaki和Wada［45］(1998年)提出了一種考慮應變速率影響的鋼筋混凝土剪力墻簡化分析方法，即采用拉壓桿簡化模型組成的三單元Maxwell模型。當以周期為0.3s的正弦波對結構進行激振時，混凝土的應變率會達到0.03/s，強度增加近20%。

Fumiya和Masayuki［46］(2001年)采用不同加載速率對鋼骨混凝土剪力墻的受力性能進行試驗研究。試驗模型為1/3縮尺，邊柱采用H型鋼，試件作用往復周期荷載和變化的軸向荷載，加載速率分為0.01cm/s和1cm/s兩種類型。所有試件均發(fā)生填充墻板的剪切滑移破壞，邊柱沒有發(fā)生剪切破壞，動態(tài)荷載情況下的初始水平剛度和水平承載力相對于靜載情況均提高10%左右。

在動力荷載作用下，由于應變率效應的影響，屈服后鋼筋和混凝土的強度均有不同程度的增加，屈服強度的增加較極限強度更為明顯，承載能力得到顯著提高［4］。因此在鋼筋混凝土結構抗震分析中，應適當考慮應變率的影響，可以為完善建筑結構的抗震設計理論提供一定的理論基礎和技術參數(shù)。

6結語預制帶邊框剪力墻結構是一種新的高層住宅建筑裝配式混凝土結構體系。作為一種新的建筑結構形式，其設計理論、構造措施以及抗震設計等關鍵技術問題均需要進行深入系統(tǒng)研究與解決，尤其文中綜述的整體抗震性能、節(jié)點和接縫連接技術及考慮加載速率影響的抗震性能等問題的研究。通過研究帶邊框預制裝配式剪力墻，將有效改善目前預制裝配式剪力墻單一的抗震防線，同時對于增強建筑節(jié)能減排和加快住宅產業(yè)化發(fā)展具有重要意義。

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