預(yù)制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

孫 浩 文

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海　200092)

0　引言

在建筑工業(yè)化發(fā)展道路上，預(yù)制結(jié)構(gòu)體系是先進(jìn)的建筑工業(yè)化發(fā)展的重要結(jié)果。其主要核心在于以空間模塊為單位的預(yù)制裝配式構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化。相比于目前大量使用的現(xiàn)澆混凝土技術(shù)，預(yù)制混凝土技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、工業(yè)化生產(chǎn)對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，是一種有利于可持續(xù)發(fā)展的混凝土技術(shù)應(yīng)用[1,2]。近年來(lái)我國(guó)勞動(dòng)力市場(chǎng)日益緊縮，勞動(dòng)力價(jià)格不斷上漲；同時(shí)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)環(huán)境污染嚴(yán)重，資源消耗大，這與建設(shè)環(huán)境友好資源解決型社會(huì)格格不入，與綠色建筑的發(fā)展理念背道而馳。因此，建筑的綠色化、工業(yè)化要求越來(lái)越迫切，上海市更是直接出臺(tái)了《上海市綠色建筑發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃(2014—2016)》，要求2016年外環(huán)以?xún)?nèi)的新建民用建筑將全部采用裝配式建造。

本文將對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外預(yù)制結(jié)構(gòu)中的預(yù)制混凝土剪力墻研究現(xiàn)狀作出一些總結(jié)。

1　結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)

剪力墻結(jié)構(gòu)體系作為高層住宅樓與辦公樓的常用結(jié)構(gòu)形式得以廣泛應(yīng)用，現(xiàn)階段中國(guó)的剪力墻結(jié)構(gòu)主要為現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻。雖然現(xiàn)澆的剪力墻結(jié)構(gòu)提供了較好的抗震受力體系，但是其在工程應(yīng)用中暴露的問(wèn)題也越來(lái)越多。與現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)相比，預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)體系具有如下優(yōu)勢(shì)：

1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接部件在工廠統(tǒng)一制作，采用標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，與復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)施工相比，可以很大程度上提高構(gòu)件單元的質(zhì)量水平；

2)工廠統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)體系，能夠精簡(jiǎn)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件的組裝，減小大量的人工勞動(dòng)，縮短工期，大大提高生產(chǎn)效率；

3)不需要模板支撐，現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)少，施工噪聲小，大大減少資源浪費(fèi)及對(duì)環(huán)境的污染；

4)預(yù)制的墻體和樓板在工程完成時(shí)收縮縫隙已基本完成，工程完工后的維護(hù)和檢修成本較小。

預(yù)制剪力墻雖然具有許多現(xiàn)澆剪力墻不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際工程一直沒(méi)能得到廣泛應(yīng)用，主要原因有：

1)預(yù)制結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于節(jié)點(diǎn)連接的可靠性。良好的受力特性必須確保具有較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)連接，而現(xiàn)階段預(yù)制構(gòu)件節(jié)點(diǎn)連接還難以保證預(yù)制結(jié)構(gòu)形成完全有效的整體承載體系。

2)工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的精度還不夠高，不能保證工地現(xiàn)場(chǎng)的快速精確拼裝。隨著我國(guó)對(duì)預(yù)制結(jié)構(gòu)科研工作的不斷推進(jìn)，工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)水平與精度的不斷提高，預(yù)制結(jié)構(gòu)勢(shì)必會(huì)在建筑工程領(lǐng)域逐步推廣起來(lái)。

2　研究進(jìn)展

2.1預(yù)制混凝土大板結(jié)構(gòu)

最早的預(yù)制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在1875年，英國(guó)提出了一種新型的預(yù)制混凝土大板結(jié)構(gòu)[3]，并申請(qǐng)了專(zhuān)利。該結(jié)構(gòu)是通過(guò)許多墻板，以及墻板之間的連接縫拼裝成整體。但是其也表現(xiàn)出了和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的相比的劣勢(shì)：其整體的性能較差，應(yīng)力集中容易出現(xiàn)在連接縫中，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)的變形，所以墻板間的連接縫所能發(fā)揮出的整體性能直接影響結(jié)構(gòu)的抗震性能。

Wilson J L等[4]提出了采用能力譜法研究墻體與樓板通過(guò)鋼筋與套箍連接的低層大板結(jié)構(gòu)抗震性能的方法，具體采用子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)法與有限元數(shù)值模擬相結(jié)合，獲取能力曲線，以此評(píng)價(jià)其該體系抗震性能，結(jié)果表明大板結(jié)構(gòu)的連接處是結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位。

尹之潛等[5]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模擬一座14層和一座10層的高層裝配式大板結(jié)構(gòu)地震試驗(yàn)，結(jié)果表明此類(lèi)結(jié)構(gòu)在地震作用下以剪切破壞為主，板間連接處的破壞在剪力的作用下較為集中，連接接頭處鋼筋未伸直，鋼筋受力初期未發(fā)揮作用。

萬(wàn)墨林和曾兵[6]進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，研究了大板結(jié)構(gòu)的連接縫處的剛度以及強(qiáng)度。垂直的連接縫一方面?zhèn)鬟f了剪力墻單元間的力，另一方面決定了結(jié)構(gòu)的耗能能力；水平接縫不僅傳遞著上層墻板的壓力，同樣也影響著結(jié)構(gòu)的變形。

宋國(guó)華、柳炳康等[7]進(jìn)行了反復(fù)的荷載下18榀試件相關(guān)試驗(yàn)，總結(jié)和歸納了豎向接縫的受力原理及其相關(guān)的抗震性能，并提出了考慮接縫寬度影響的豎縫受剪承載力設(shè)計(jì)公式。

2.2無(wú)粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土剪力墻20世紀(jì)90年代，PRESSS項(xiàng)目(由美日聯(lián)合展開(kāi))提出了一種新的預(yù)制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)：無(wú)粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力剪力墻結(jié)構(gòu)。這種新型的剪力墻結(jié)構(gòu)有很好的自復(fù)位能力，罕遇地震下能形成較大側(cè)移，連接節(jié)點(diǎn)往往優(yōu)先破壞，地震后可修復(fù)度較高。

Kurama Y C等[8]考慮體系在水平側(cè)向荷載作用下的影響，評(píng)價(jià)其能量的耗散與位移能力等指標(biāo)，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)體系在側(cè)向荷載作用并發(fā)生大非線性往復(fù)變形下仍能夠保證穩(wěn)定的抗力。

Kurama Y C[9]和Marriott D J等[10]在該類(lèi)結(jié)構(gòu)體系中采用粘滯阻尼器和軟鋼阻尼器，這些阻尼器均有效提高了結(jié)構(gòu)耗能能力，并達(dá)到了降低結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的目的。

呂西林等[11]分析了影響此類(lèi)結(jié)構(gòu)自復(fù)位能力的參數(shù)，主要有預(yù)應(yīng)力、豎向恒荷載、低碳鋼含量、端部墻體構(gòu)造等。

黨像梁等[12]利用ABAQUS軟件建立了底部水平縫搖擺剪力墻的有限元模型并進(jìn)行推覆分析和滯回性能分析，結(jié)果表明底部水平縫剪力墻與普通剪力墻相比，初期承載力有所降低，但延性明顯提高且殘余變形較小。

2.3預(yù)制疊合剪力墻結(jié)構(gòu)

Lee B J等[13]通過(guò)相關(guān)預(yù)制空心板的剪力墻的有限元分析，提出了其可以增大墻體的保溫性能和受力特性。

連星和葉獻(xiàn)國(guó)等[14]對(duì)擬靜力試驗(yàn)下的預(yù)制疊合板式剪力墻作了相關(guān)非線性分析和研究，得出以下結(jié)論：疊合面具有足夠的抗剪強(qiáng)度，能夠保證疊合板的整體工作性能；設(shè)置不同邊緣約束構(gòu)造措施的預(yù)制疊合板式剪力墻其抗震性能無(wú)明顯的差異。

章紅梅和呂西林等[15]進(jìn)行了半預(yù)制鋼筋混凝土疊合墻(PPRC-CW)的非線性研究。通過(guò)對(duì)兩片構(gòu)件進(jìn)行相關(guān)的低周反復(fù)試驗(yàn)，證明了PPRC-CW抗側(cè)移性能良好，混凝土之間的協(xié)同工作性能良好。

2.4其他的預(yù)制剪力墻體系結(jié)構(gòu)

錢(qián)稼茹和張微敬等[16,17]對(duì)將單片的預(yù)制圓孔板剪力墻在往復(fù)水平力，同時(shí)軸向抗下的試驗(yàn)條件下進(jìn)行了研究。試驗(yàn)研究證明，按照剪切破壞或彎曲破壞設(shè)計(jì)的構(gòu)件，墻體底部截面均開(kāi)裂，水平裂縫沿著高度分布在各邊緣構(gòu)件中，剪力墻面大部分呈現(xiàn)斜裂縫，雙片墻試件較單片墻試件，其可承受的最大荷載以及開(kāi)裂荷載均有明顯的提高，證明設(shè)置現(xiàn)澆邊緣構(gòu)件的預(yù)制圓孔板剪力墻可以作為房屋建筑的抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

3　結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，研究進(jìn)程作了概要的梳理。預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)尤其是節(jié)點(diǎn)的有效連接是至關(guān)重要的。一些復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)還需要后人作出努力，希望本文能給致力于預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)研究的學(xué)者一些參考。相信隨著建筑工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)以及一些關(guān)鍵技術(shù)的解決，預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)體系將成為今后我國(guó)建筑體系中不可或缺的一環(huán)。

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