裝配式混凝土剪力墻研究現(xiàn)狀

肖志凡，王小平，曾華益，張啟華

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070)

在2016年住建部發(fā)布了《建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展綱要》，明確了未來10年建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展目標(biāo)：到2020年，我國建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)體系基本成熟，裝配式建筑占新建建筑的比例20%以上。到2025年，建筑品質(zhì)全面提升，節(jié)能減排、綠色發(fā)展成效明顯，創(chuàng)新能力大幅提升，裝配式建筑占新建建筑的比例50%以上，保障性安居工程采取裝配式建造的比例達到60%以上。同年，國務(wù)院辦公廳也提出了《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》(國辦發(fā)〔2016〕71號)，其工作目標(biāo)為：因地制宜發(fā)展裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)等裝配式建筑，力爭用10年左右的時間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%。上述國家和省市層面的政策信息充分反映了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)等裝配式建筑在我國建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要性和迫切性。

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是由預(yù)制混凝土構(gòu)件通過可靠的連接方式裝配而成的混凝土結(jié)構(gòu)。

與現(xiàn)場澆筑相比，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有大部分構(gòu)件工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場沒有或幾乎沒有濕作業(yè)、安裝速度快、對周邊環(huán)境影響小、房屋質(zhì)量更容易得到保證及減少建筑垃圾等顯著優(yōu)勢。因此，裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是我國建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要方向之一。

裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的重要組成部分，目前傳統(tǒng)的做法為：墻體一般由兩側(cè)及上端預(yù)留鋼筋、下端預(yù)埋鋼筋套筒的若干整片裝配式混凝土剪力墻現(xiàn)場澆筑而成，而樓板一般采用鋼筋混凝土疊合樓板。這種做法的優(yōu)勢為：結(jié)構(gòu)整體性好，預(yù)制墻板之間、樓板和剪力墻之間連接處剛度大。但卻存在現(xiàn)場濕作業(yè)多、不能形成模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化、安裝質(zhì)量不容易得到保證和綜合造價偏高等不足。

為此，國內(nèi)外學(xué)者一方面對傳統(tǒng)裝配式混凝土剪力墻進行系列試驗研究和理論分析，為設(shè)計和工程應(yīng)用提供依據(jù)，另一方面針對傳統(tǒng)預(yù)制混凝土墻體的不足，不斷開發(fā)新型的預(yù)制墻體，以彌補傳統(tǒng)墻體的缺陷。

1 國外裝配式混凝土墻體研究

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)始于二戰(zhàn)后的西方發(fā)達國家。當(dāng)時的歐洲住房緊缺，勞動力缺乏，裝配式預(yù)制結(jié)構(gòu)因其工期短、生產(chǎn)效率高、勞動力成本低等優(yōu)點迎來快速發(fā)展時期。經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，發(fā)達國家中裝配式預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用密度也越來越大，美國、新西蘭、日本、歐洲各國都已建立了較為成熟的裝配式預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)體系。

20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初，美國與日本聯(lián)合發(fā)起旨在開發(fā)新型裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的PRESSS(PREcast Seismic Structral Systems)研究計劃[1]，提出了可用于抗震結(jié)構(gòu)體系的裝配式結(jié)構(gòu)，新型結(jié)構(gòu)采用了干式連接，施工簡單，工業(yè)化程度高。為了解其力學(xué)性能，研究者對其中一種無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)進行試驗研究，得到了制定該類預(yù)制剪力墻抗震設(shè)計方法和規(guī)范的依據(jù)。

2008年，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校在PRESSS項目框架下對一棟5層預(yù)制裝配式框架剪力墻結(jié)構(gòu)模型進行了擬動力試驗，該結(jié)構(gòu)由預(yù)制框架和預(yù)制剪力墻組成，墻體采用了后張預(yù)應(yīng)力連接形式。試驗結(jié)果表明，該連接形式的抗震性能較為良好，結(jié)構(gòu)的承載力也比最大荷載規(guī)范計算值要大很多。

基于多次地震災(zāi)害調(diào)查結(jié)果和試驗研究，美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校Can等對采用螺栓連接的預(yù)制墻板進行了抗震性能試驗研究，該種連接通過在預(yù)制墻板兩邊預(yù)埋鋼板形成。試驗結(jié)果表明，試件在有替代延性機制的情況下可不依賴材料的延展性來抵抗地震作用，抵抗過程中基座連接處屈服但未發(fā)生明顯破壞。James F等也對采用螺栓連接的裝配式結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的動力性能進行了系統(tǒng)研究，為螺栓連接在新型裝配式建筑中的應(yīng)用提供了依據(jù)。

加州大學(xué)戴維斯分校Chai Y H、John D Anderson[2]為研究低層模塊化住宅中輕質(zhì)混凝土墻板的抗震性能，分別對單塊墻板和兩塊墻板組成的墻體進行擬靜力試驗。試驗結(jié)果表明，兩組墻體的抗側(cè)剛度和水平承載力均較大，延性系數(shù)為2～3。在設(shè)計地震作用下，該剪力墻抗側(cè)承載力較大并仍處于彈性范圍。

2009年，美國Rocky Mountain Prestress公司[3]開發(fā)出一種新型裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系，成功應(yīng)用于科羅拉多州威斯汀酒店項目。該新型結(jié)構(gòu)體系主要包括預(yù)應(yīng)力樓板、柱、肋板、樓梯以及梁等五種裝配式構(gòu)件，采用了帶柱帽混凝土柱和外置鋼筋螺紋套筒連接，提高了構(gòu)件的安裝速度，避免了焊接和螺栓連接帶來的后期保養(yǎng)問題。

2012年，Ioani A和Tripa E等人[4]提出了一種采用漿錨套筒連接的新型裝配式無梁樓蓋框剪結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的墻柱采用鋼筋搭接，安裝就位后再澆筑混凝土，樓板與柱子之間則是采用螺栓連接。研究者對該結(jié)構(gòu)體系進行了墻體受力靜力試驗和1∶4五層建筑模型振動臺試驗研究，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)可以滿足相關(guān)抗震設(shè)計規(guī)范要求。

Tony和John B等[5]對兩個1∶2縮尺裝配式剪力墻模型試件進行了試驗研究。其中一組試件采用碳纖維束與普通混凝土進行部分預(yù)應(yīng)力連接，另一組試件則通過預(yù)留底座坑槽灌漿來模擬現(xiàn)澆。試驗結(jié)果表明，部分預(yù)應(yīng)力連接的試件殘余變形較小，破壞不大；模擬現(xiàn)澆的試件其連接的整體性良好，可等同現(xiàn)澆，但殘余變形較大，破壞嚴重。

2016年，韓國首爾大學(xué)Lim W Y和Tomas Kang等[6]針對低層建筑提出了一種采用螺栓、鋼板連接件的新型T型剪力墻，該結(jié)構(gòu)受力筋與分布筋可以與螺母配套連接，實現(xiàn)了預(yù)制構(gòu)件內(nèi)上、下受力筋的連接。研究者對兩組預(yù)制墻體試件進行了低周往復(fù)加載試驗，試驗中螺栓、鋼板連接件的變形占墻體總體側(cè)移變形的90%，遠大于其它側(cè)移變形；螺栓節(jié)點的承載力、延性及耗能能力可以滿足低層建筑使用要求。

Todut C和Dan D[7]開展了關(guān)于開洞預(yù)制混凝土墻體的試驗研究。在試驗過程中，墻體均出現(xiàn)了裂縫、鋼筋屈服以及混凝土壓碎的現(xiàn)象；鋼筋屈服時的剪力要比規(guī)范計算值大，但混凝土實際承擔(dān)的剪力則比規(guī)范計算值??；預(yù)制墻體開洞越小其表型出來的耗能能力越好，延性越大。另外，研究者建立的有限元模型也能與試件相吻合，結(jié)果基本一致。

Sri Sritharan等[8]提出了一種帶端柱的預(yù)制混凝土墻結(jié)構(gòu)，預(yù)制混凝土墻通過“O”型連接器與兩端柱體相連，能有效抵抗水平荷載、減少殘余位移和結(jié)構(gòu)損傷。作者對該新型結(jié)構(gòu)進行循環(huán)荷載試驗，結(jié)果表明：帶端柱的預(yù)制混凝土墻水平抗側(cè)承載力和剛度大于傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土墻；試驗過程中預(yù)制墻受到較小的損壞，而端柱沒有損壞；特殊設(shè)計的“O”型連接器性能良好，增加了結(jié)構(gòu)的耗能能力。

Lim等研發(fā)了一種新型的T型裝配式混凝土剪力墻，上下兩剪力墻通過六角螺母和法蘭連接，作者對兩個2/3比例的有和沒有對角鋼筋加固的裝配式混凝土剪力墻試件進行循環(huán)荷載試驗。結(jié)果表明，沒有對角加固的試件在側(cè)向剛度、承載力和延性方面表現(xiàn)良好，對角加固不利于試件的延性和耗能能力。此外，上下面板之間的螺栓連接在試驗結(jié)果中被證明是可靠的。

Pablo Ramirez等對部分灌漿鋼筋混凝土砌體剪力墻進行循環(huán)荷載試驗。通過試驗評估墻體長寬比、配筋率、軸壓比等因素對結(jié)構(gòu)的剛度、抗剪強度、位移延展性和耗能性能的影響。提出了部分灌漿鋼筋混凝土砌體剪力墻的損傷演變過程和承載力計算表達式。

Bruno Dal Lago等[9]通過一系列非線性結(jié)構(gòu)分析，研究了新型輕質(zhì)預(yù)制混凝土墻體系的結(jié)構(gòu)性能。采用二維損傷敏感單元模型，研究了墻體單元的軸壓和彎曲性能，該模型可以估計裂紋形態(tài)，并定義單調(diào)的承載力曲線。研究了不同配筋方案對墻體結(jié)構(gòu)性能的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新的解決方案，以提高剪力墻在地震作用下的延性。

Trevor K Nye等[10]研究了一種用玻璃纖維增強復(fù)合材料板連接預(yù)制混凝土墻的方法，并對八個試件進行準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)荷載試驗，探討復(fù)合材料連接板數(shù)量和表面壓力、碳纖維增強聚合物鉚釘、混凝土表面處理方法對墻板連接能力的影響。結(jié)果表明：在連接板表面施加壓力、增加連接層數(shù)量、處理混凝土表面、用釘錨增加連接板的強度等措施均能提高預(yù)制混凝土墻體的抗側(cè)承載力和延性。

Pouya Seifi[11]等對7個灌漿金屬管連接的全尺寸預(yù)制混凝土墻板進行循環(huán)荷載試驗，探究軸向荷載、墻板幾何形狀、墻板間拼接等對墻板抗側(cè)承載力的影響。結(jié)果表明，雙層鋼筋加強層的墻板破壞發(fā)生在連接處，而單層鋼筋加強層的墻體破壞發(fā)生在墻板本身；墻體長度較長且具有較大軸向荷載的試件，破壞時墻板底部混凝土大面積剝落，導(dǎo)致金屬導(dǎo)管脫落；在金屬導(dǎo)管附近設(shè)置箍筋能有效增強墻板連接處的強度和延展性，防止發(fā)生脆性破壞。

2 國內(nèi)裝配式混凝土墻體研究

近20年來，國內(nèi)學(xué)者對裝配式混凝土墻體進行了系列的研究。

許淑芳等[12]以空心鋼筋混凝土剪力墻為研究對象進行靜力加載試驗，研究其在平面外偏心受壓情況下，不同偏心距和長細比試件的破壞機理和變形特征。試驗結(jié)果表明：偏心率小于0.3時試件破壞為小偏心破壞，偏心率大于0.6時試件破壞為大偏心破壞；正截面承載力計算時，可將圓管簡化為方管進而把截面簡化為工字型截面；平面外剛度由于空心管的存在有所降低，當(dāng)長細比過大時，應(yīng)考慮縱向彎曲對承載力的影響。

董華等[13]對五榀1/2比例的密肋復(fù)合墻體進行豎向加載試驗，并建立了密肋復(fù)合墻體有限元模擬，研究其在豎向荷載作用下的破壞過程、破壞模式及豎向變形能力。結(jié)果表明：豎向荷載作用下肋梁不承擔(dān)豎向荷載，僅起到拉桿的作用，邊框柱和肋柱是復(fù)合結(jié)構(gòu)的主要承力構(gòu)件，砌塊只承擔(dān)小部分荷載，對墻體起到一定的支撐作用。通過有限元模擬，給出了砌塊對密肋復(fù)合墻體軸心受壓承載力提高系數(shù)的計算公式。

2007年，同濟大學(xué)呂西林及上海城建實業(yè)集團董宇光等[14]對型鋼混凝土(SRC)剪力墻的抗剪承載力進行反復(fù)加載試驗及計算公式研究。試驗結(jié)果表明，中部配置了型鋼的新型SCR剪力墻抗震性能更好?；谠囼灲Y(jié)果，研究者還建立了SCR剪力墻的恢復(fù)骨架曲線數(shù)學(xué)模型，提出SCR剪力墻的抗剪承載力計算公式。通過將試驗結(jié)果與公式計算結(jié)果進行對比，驗證了該公式的合理性。

陶松平[15]在已有的正截面受彎、斜截面受剪承載力試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究不同因素對剪力墻正截面與斜截面承載力的影響。研究表明：墻板的承載力隨偏心距的增大而降低；隨著剪力墻剪跨比的增加，正截面承載力減小且減小得很快，試件破壞時，剪跨比為1.0時試件屬于剪切破壞，剪跨比為1.5時試件屬于彎剪破壞，剪跨大于2.1時試件屬于彎曲破壞；墻板承載力隨配筋率增加而線性增加，但配筋率過大時承載力不再增加；反復(fù)荷載并未降低剪力墻的正截面受壓承載力。

張薇敬等[16]通過兩個預(yù)制圓孔板剪力墻試件的軸心抗壓試驗研究其豎向承載能力及破壞模態(tài)。試驗中預(yù)制圓孔板剪力墻的破壞形態(tài)與普通鋼筋混凝土軸心受壓相似，在墻板上部沿圓孔空心處出現(xiàn)豎向裂縫。用混凝土設(shè)計規(guī)范計算出的試件正截面受壓承載力與試驗得出的極限承載力相吻合，此新型剪力墻板軸心受壓承載力達到4 000 kN，可適用于9層住宅。

2011年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)姜洪斌課題組與黑龍江宇輝建設(shè)集團有限公司[17]合作研發(fā)了預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，并對一棟三層足尺模型進行擬靜力試驗，試驗中采用力-位移混合控制加載制度對模型進行低周往復(fù)加載，最后得到相應(yīng)滯回曲線、剛度退化曲線及各級加載下剛度退化數(shù)據(jù)。分析結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)可見微裂縫前剛度退化十分明顯，變形能力較強，可提高結(jié)構(gòu)整體的抗震耗能能力。

孫魏巍等[18]對兩榀八層新型后張無粘結(jié)裝配式短肢剪力墻進行擬靜力試驗。結(jié)果表明：該剪力墻的破壞集中在連梁與墻肢的結(jié)合部位，地震作用下連梁大部分保持彈性，有利于震后修復(fù)。

許銘等[19]采用有限元軟件對全裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系進行精細非線性有限元建模，通過與試驗結(jié)果對比，驗證了有限元建模的合理性。并與相應(yīng)的現(xiàn)澆混凝土剪力墻進行比較，分析了軸壓比、墻板尺寸、材料強度等參數(shù)對墻體結(jié)構(gòu)的影響，提出了全裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)剛度折減系數(shù)和承載力折減系數(shù)的計算公式。

薛偉辰等[20]開發(fā)了一種豎向連接為螺栓連接的大開間裝配整體式混凝土剪力墻體系，對三片足尺的剪力墻進行低周反復(fù)試驗，對其跨中和邊跨的抗震性能進行研究。研究結(jié)果表明：螺栓連接裝配整體式剪力墻發(fā)生受彎破壞，最終破壞形態(tài)是墻體接縫處受壓側(cè)混凝土壓碎，豎向鋼筋屈服；螺栓連接的剪力墻滯回曲線比現(xiàn)澆剪力墻的滯回曲線飽滿，抗震性能較好；螺栓連接的裝配整體式混凝土剪力墻的位移延性優(yōu)于現(xiàn)澆混凝土剪力墻。

2014年，東南大學(xué)肖全東[21]對裝配式混凝土雙板建筑體系(DWPC建筑體系)提出構(gòu)造改進措施，并對改進后的DWPC墻體進行了試驗及有限元分析。試驗設(shè)計了11片DWPC剪力墻足尺試件，并對其進行低周反復(fù)水平加載，再對比各組試驗數(shù)據(jù)和破壞特征。試驗結(jié)果表明，該種DWPC剪力墻的抗震性能良好，其開裂荷載和峰值承載均有所提高，但變形能力有所減弱。

2015年，武漢理工大學(xué)王小平、周強[22]提出一種全螺栓連接裝配式混凝土結(jié)構(gòu)(BPC結(jié)構(gòu))，并對該結(jié)構(gòu)體系墻體的抗側(cè)性能進行試驗研究及有限元分析。試驗中對兩片BPC結(jié)構(gòu)墻體進行水平低周往復(fù)加載，結(jié)果顯示：該墻體水平承載力很大，達550 kN，滯回曲線呈倒S形，能量耗散系數(shù)為0.5左右，墻體延性系數(shù)為1.7～1.8。通過建立BPC結(jié)構(gòu)墻體的ABAQUS有限元模型，將模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比驗證了該模型的合理性，并進行參數(shù)變化分析。分析結(jié)果表明軸壓比和組成墻板數(shù)量對BPC結(jié)構(gòu)墻體的初始抗側(cè)剛度、屈服荷載和峰值荷載影響較大。

2016年，清華大學(xué)李寧波、錢稼茹等人[23]為研究部分豎向分布鋼筋套筒擠壓連接預(yù)制剪力墻的抗震性能，對3個預(yù)制墻試件和1個現(xiàn)澆墻試件進行了擬靜力試驗，其中一片預(yù)制墻采用全部豎向分布鋼筋套筒擠壓連接，其余均為部分豎向分布鋼筋套筒擠壓連接。結(jié)果表明，4個試件均以壓彎破壞為主，位移角大于1/150時，現(xiàn)澆墻試件的正截面受壓承載力、彈塑性變形能力的安全儲備大于預(yù)制墻試件；位移角大于1/70時，預(yù)制墻試件正截面受壓承載力試驗值與計算值之比大于1.1；位移角小于1/75時，各預(yù)制墻試件的水平力-位移滯回曲線差別不大、骨架線基本一致。

王懷遠[24]利用試驗與有限元結(jié)合的方法，對泡沫混凝土復(fù)合墻體承載力和抗震性能進行研究。試驗與分析結(jié)果表明：進行水平擬靜力試驗時，泡沫混凝土復(fù)合板的極限承載能力是砌塊墻體的2.4倍左右；由于泡沫混凝土的多孔性使其擁有良好的耗能能力；地震作用下復(fù)合墻體的破壞形式為剪切破壞。根據(jù)試驗和模擬結(jié)果，作者提出了墻體的恢復(fù)力模型和抗震承載力驗算表達式。

2017年，東南大學(xué)孫建等[25]對一種采用高強度螺栓以及鋼件連接的新型全預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能進行一系列試驗、數(shù)值模擬以及計算式研究。試驗證明了螺栓連接方式的可行性和可靠性，并從強度、剛度、延性及耗能能力等方面驗證了新型剪力墻的抗震性能?；谠囼灲Y(jié)果及規(guī)范方法，其建立了墻體水平接縫抗剪承載力的計算模型，并給出了相應(yīng)計算公式。對比結(jié)果表明，該裝配式剪力墻承載力的計算值與試驗值較為一致。

2019年，中國礦業(yè)大學(xué)黃燦燦[26]通過擬靜力試驗和ABAQUS有限元分析模擬相結(jié)合的方法，研究了豎向分布鋼筋部分連接的混合裝配式剪力墻的抗震性能，并與現(xiàn)澆剪力墻進行對比分析。試驗結(jié)果表明，混合裝配式剪力墻豎向分布鋼筋采用部分連接其抗震性能優(yōu)于現(xiàn)澆試件具有可行性。同時，預(yù)制構(gòu)件承載能力會隨分布鋼筋連接數(shù)量增多而略微提高，豎向分布鋼筋連接數(shù)量則基本不影響接縫處的相對側(cè)移。研究者還結(jié)合試驗及有限元分析結(jié)果和施工工藝，提出改進預(yù)制剪力墻構(gòu)件設(shè)計方法及施工要求的方法。

李思婷等[27]以全螺栓連接裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)墻板為對象，對預(yù)制混凝土夾芯墻板進行軸心和偏心荷載試驗，并且建立有限元模型分析。結(jié)果表明：軸壓和偏壓試驗中，混凝土夾芯墻板的破壞為脆性破壞；偏心加載時，荷載主要由加載頁承擔(dān)，非加載頁幾乎不承受荷載；由于混凝土開孔導(dǎo)致該處應(yīng)力重分布和應(yīng)力集中，墻板的破壞最先發(fā)生在螺栓孔附近。

3 結(jié) 論

a.裝配式混凝土剪力墻的研究主要集中在新型墻體或新型連接方法墻體的試驗研究和理論分析上。

b.目前新型裝配式混凝土剪力墻的做法大致包括：輕質(zhì)裝配式混凝土剪力墻、預(yù)制空心鋼筋混凝土剪力墻、預(yù)制夾芯混凝土剪力墻、預(yù)制密肋復(fù)合剪力墻、型鋼混凝土剪力墻和預(yù)制疊合混凝土剪力墻等。

c.根據(jù)文獻，目前裝配式混凝土剪力墻之間的連接方法包括：螺栓連接、鋼筋套筒連接、預(yù)埋鋼板連接、碳纖維束連接、玻璃纖維復(fù)合板連接和O型連接器連接等。

d.針對裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的研究內(nèi)容為：豎向承載力和水平抗側(cè)承載力、剛度的試驗和有限元分析。墻體抗側(cè)承載力和剛度的研究方式包括擬靜力試驗、縮尺振動臺試驗和有限元分析；考慮的影響因素為：墻體長寬比、配筋率、軸壓比、偏心率、剪跨比及不同連接方式等。