裝配式砼剪力墻結(jié)構(gòu)連接方式及抗震研究

劉 權(quán)

(中鐵十八局集團(tuán)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，天津 300222)

0 前 言

裝配式建筑施工綠色環(huán)保滿足中國建筑生態(tài)文明建設(shè)的行業(yè)理念，工業(yè)化程度高.施工方便是裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的一大優(yōu)點(diǎn)，并成為近幾年我國及國外學(xué)者的重點(diǎn)研究對象.它不僅能有效地防止大氣污染和水污染，具有保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，同時工廠化的高效預(yù)制大大降低了施工勞動強(qiáng)度[1].

裝配式砼剪力墻結(jié)構(gòu)是由一套預(yù)制的剪力墻體通過水平和垂直連接方式組成穩(wěn)定的整體.同時也有大量的節(jié)點(diǎn)，其水平、垂直連接方法是剪力墻研究的重點(diǎn)[2].裝配式砼剪力墻結(jié)構(gòu)連接方式的分類和優(yōu)缺點(diǎn)詳見表1.

表1 裝配式砼剪力墻結(jié)構(gòu)連接方式的分類和優(yōu)缺點(diǎn)

1 干式連接

干連接工作原理通過電焊、螺栓、栓釘?shù)冗B接形式把預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行連接，無須現(xiàn)澆鋼筋砼，在性能上“非等同現(xiàn)澆形式”.

1.1 鋼筋機(jī)械連接

圖1 鋼筋機(jī)械連接

構(gòu)造形式：鋼筋機(jī)械連接一般通過機(jī)械連接件將受力鋼筋進(jìn)行牢固連接的方式[3]，如圖1所示.機(jī)械連接中常見的方式之一就是螺栓連接，它是利用高強(qiáng)度螺栓的抗彎拉和抗剪切性能，將上部和下部剪力墻作為一個整體連接起來，如圖2所示.

優(yōu)點(diǎn)：通過試驗(yàn)驗(yàn)證，在反復(fù)作用力下，螺栓連接的滯回曲線相對完整，如圖3所示，抗震性能良好，基本滿足等效現(xiàn)澆的目標(biāo),與“濕連接”相比，便于現(xiàn)場施工，提升了施工效率.可以充分發(fā)揮高強(qiáng)螺栓的特性，具有良好的抗震性能.

圖2 螺栓連接示意圖(單位：mm) 圖3 螺栓連接預(yù)制剪力墻滯回曲線

缺點(diǎn)：受外部環(huán)境因素影響，容易出現(xiàn)松動導(dǎo)致分離；螺栓孔的對齊要求非常精確.

1.2 型鋼連接

構(gòu)造形式：在工廠把工字鋼在上、下部剪力墻中預(yù)埋好，運(yùn)到現(xiàn)場施工時，將上下剪力墻工字鋼對齊后進(jìn)行螺栓連接或焊接，然后通過澆筑砼形成后澆帶[4]，詳見圖4.

優(yōu)點(diǎn)：型鋼連接結(jié)構(gòu)比較簡約，連接比較牢固.

缺點(diǎn)：工廠加工生產(chǎn)和運(yùn)輸工程中如果操作不當(dāng)，會造成預(yù)埋型鋼出現(xiàn)偏斜錯位，表明此連接方法在生產(chǎn)時的精度要求比較高，另外后澆施工也提高了施工成本，延長了施工時間.

優(yōu)化建議：在兩個型鋼連接器的連接位置設(shè)置“一”字形螺栓孔,兩個螺栓孔一旦交叉就可構(gòu)成“十”字形可調(diào)節(jié)的連接孔，形成可容差型鋼連接結(jié)構(gòu),在實(shí)現(xiàn)兩塊剪力墻墻體在橫向、縱向的位置固定的同時,還具備一定的容差功能和糾正誤差功能,方便進(jìn)行剪力墻安裝,極大地降低了安裝難度系數(shù).

圖4 型鋼連接 圖5 型鋼-螺栓連接

1.3 型鋼-螺栓連接

構(gòu)造形式：提前在工廠對剪力墻連接鋼板進(jìn)行加工并牢牢固定，進(jìn)場施工后，第一步在下層剪力墻頂部上涂抹厚度適中的沙漿，然后把下層剪力墻預(yù)埋好的連接鋼板精準(zhǔn)對接上層剪力墻預(yù)留孔，然后把螺桿插入到預(yù)留孔當(dāng)中，并擰緊螺母實(shí)現(xiàn)有效連接[4].詳見圖5.

優(yōu)點(diǎn)：型鋼-螺栓剪力墻連接方式構(gòu)造比較簡約，能夠借助調(diào)節(jié)螺栓和連接鋼板的剛度和強(qiáng)度調(diào)節(jié)剪力墻連接位置的抗剪及抗拉性能，其效果和現(xiàn)澆連接基本相同.

缺點(diǎn)：型鋼-螺栓剪力墻連接方式進(jìn)行預(yù)制時的精度要求比較嚴(yán)格,而且不能有效處理螺栓裸露時容易生銹的弊端.

1.4 后張拉預(yù)應(yīng)力連接

構(gòu)造形式：后張拉預(yù)應(yīng)力連接施工時將剪力墻通過預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行連接,接著在接縫中注入適宜強(qiáng)度的砂漿,具體連接方式見圖6.后張拉預(yù)應(yīng)力連接通常借助砼抗壓和預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉進(jìn)行外力的防御.接縫區(qū)域發(fā)生變形的可能性較大，當(dāng)沒有外力時，通過預(yù)應(yīng)力鋼筋自身的修復(fù)功能確保剪力墻保持最狀態(tài)位置[5].

優(yōu)點(diǎn)：通過試驗(yàn)分析,后張拉預(yù)應(yīng)力連接能增強(qiáng)連接位置與剪力墻強(qiáng)度、剛度以及延展性,其功能和現(xiàn)澆剪力墻效果一樣.

缺點(diǎn)：消能效果不明顯，需要增加U形板、O形阻尼器和梳形板等耗能器增加消能效果，增加減震作用.另外,后張拉預(yù)應(yīng)力連接張拉過程比較復(fù)雜,實(shí)施不太方便.

1.5 鍵槽連接

構(gòu)造形式：把鍵槽在剪力墻上進(jìn)行平均配置，接著進(jìn)行砼澆筑，將剪力墻進(jìn)行連接.此種連接形式主要用于裝配式的大板結(jié)構(gòu).鍵槽尺寸的設(shè)定至關(guān)重要，鍵槽的合理布置可確保剪力均勻地傳遞[6].鍵槽連接見圖7.

優(yōu)點(diǎn)：通過試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)鍵槽連接形式滯回曲線比較均勻飽滿,見圖8.在破壞試驗(yàn)中，裝配式剪力墻豎向接縫的裂縫基本遍布整個墻體，能有效地傳遞內(nèi)力.后澆部分有利于墻體的能耗；其峰值荷載較現(xiàn)澆墻的高22.3%，說明力學(xué)性能良好.

缺點(diǎn)：鍵槽連接方式不能保證結(jié)構(gòu)的延性，易發(fā)生脆性破壞.破壞時墻體暗柱區(qū)最外邊緣鋼筋被拉斷，而墻體預(yù)制部分損壞較小，說明后澆部分的鋼筋未完全發(fā)揮作用.

優(yōu)化建議：設(shè)計(jì)時可適當(dāng)減少后澆部分鋼筋配筋率.

圖6 后張拉預(yù)應(yīng)力連接圖7鍵槽連接 圖8 鍵槽連接預(yù)制剪力墻滯回曲線

2 濕連接

濕連接的機(jī)理就是把相鄰剪力墻的受力縱筋借助連接構(gòu)件進(jìn)行有效連接后，接著對連接處澆筑砼，性能“等同現(xiàn)澆形式”.

2.1 環(huán)筋扣合錨接連接

構(gòu)造形式:上方的剪力墻底伸出豎向“U”形鋼筋，下方剪力墻墻頂也伸出豎向“U”形鋼筋，上下“U”形鋼筋插入上下“U”形扣內(nèi)，然后將砼灌入，通過環(huán)筋扣合錨接連接，使上下兩道剪力墻形成一個整體.裝配式剪力墻環(huán)筋扣合錨連接步驟詳見圖9，構(gòu)造詳見圖10.

圖9 裝配式剪力墻環(huán)筋扣合錨連接步驟圖

圖10 裝配式環(huán)筋扣合錨連接結(jié)構(gòu) 圖11 灌漿套筒構(gòu)造示意圖

優(yōu)點(diǎn)：環(huán)筋扣錨連接結(jié)構(gòu)體系具有良好的抗震性能，滿足“小震不破壞，大震不倒塌”的防震目標(biāo).

缺點(diǎn)：精度要求較高，環(huán)筋扣合錨接連接環(huán)筋施工不太方便.

2.2 套筒灌漿連接

構(gòu)造形式:套筒灌漿連接借助空心鋼套筒將剪力墻鋼筋進(jìn)行有效連接，鋼筋從套管兩端插入后，然后通過設(shè)置在套管中的灌漿孔向孔內(nèi)注入速凝、收縮性小的砂漿(砂漿由強(qiáng)度水泥、砂子等輔助材料混而成)，砂漿實(shí)現(xiàn)硬化后，意味著實(shí)現(xiàn)連接.詳見圖11.

優(yōu)點(diǎn)：如圖12所示，對現(xiàn)澆剪力墻和灌漿套筒連接預(yù)制剪力墻的滯回曲線對比分析，兩者的滯回曲線都非常飽和，而且能耗基本一致.經(jīng)試驗(yàn)分析研究可以發(fā)現(xiàn)，灌漿套筒可以將鋼筋應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時傳遞，力學(xué)性能非常穩(wěn)定,并且抗震效果較好,可以實(shí)現(xiàn)同時現(xiàn)澆效果.而且套筒灌漿方式能夠讓施工過程更便捷，施工產(chǎn)生的噪聲更小.

圖12 現(xiàn)澆和預(yù)制剪力墻滯回曲線對比

缺點(diǎn)：灌漿套筒連接預(yù)制剪力墻常受施工環(huán)境和施工條件限制，另外，灌漿飽滿程度常常受積水、雜物和空泡等干擾.剪力墻之間的連接縫不容易實(shí)現(xiàn)密實(shí)澆筑，因而削弱了受力性能；預(yù)制構(gòu)件的精度要求很高，灌漿料沒有很好的流動性，早期強(qiáng)度不高，收縮程度偏大，特別是整體投入較高.

優(yōu)化建議：為了提升速度，工程中可采用新型緊固構(gòu)件，該構(gòu)件由固定塊和銷釘一起組成.固定塊可以非常牢固固定套管，并且將套管進(jìn)行精準(zhǔn)定位，在確保剪力墻質(zhì)量的同時，還能提高施工效率速度.緊固件構(gòu)造結(jié)構(gòu)見圖13，灌漿套管與剪力墻連接見圖14.

圖13 緊固件構(gòu)造結(jié)構(gòu)示意圖

圖14 剪力墻灌漿套筒連接示意圖

2.3 漿錨搭接連接

構(gòu)造形式:在剪力墻中提前預(yù)埋金屬波紋管,然后插入鋼筋,接著將高強(qiáng)度、收縮性小的灌漿料注入凝固后，實(shí)現(xiàn)有效連接,詳見圖15.漿錨搭接連接重點(diǎn)是孔洞的成型方式以及灌漿自身質(zhì)量.

優(yōu)點(diǎn)：通過試驗(yàn)證明,漿錨搭接裝配式砼構(gòu)件與現(xiàn)澆的效果差不多,而且受力性能比較好,工序簡單，構(gòu)件對位精度不高，節(jié)約鋼材,投入成本不高，連接性能穩(wěn)定，通過錨搭接的預(yù)制剪力墻與現(xiàn)澆剪力墻破壞程度大致相同.

缺點(diǎn)：因?yàn)槭孪阮A(yù)留過的鋼筋插孔，盡管提升了精密性，但容易造成保護(hù)層偏薄，而且加大了施工難度；灌漿時假如出現(xiàn)漏漿情況，造成漿錨孔端部存在空洞現(xiàn)象，導(dǎo)致安全和質(zhì)量問題.

2.4 現(xiàn)澆帶連接

構(gòu)造形式:現(xiàn)澆帶連接借助剪力墻上下鋼筋的搭接，接著澆筑砼進(jìn)行連接，見圖16.

優(yōu)點(diǎn)：過現(xiàn)澆帶連接的施工比較便捷，適用于連接位置比較窄小的剪力墻構(gòu)件.

缺點(diǎn):研究發(fā)現(xiàn),通過現(xiàn)澆帶連接形式的滯回曲線不太規(guī)則，見圖17,耗能比較低,承載力到達(dá)峰值以后立即下降，抗震性不強(qiáng).其力學(xué)性能不太穩(wěn)定,上下兩片墻體不容易精準(zhǔn)對齊,另外后澆帶砼也不方便進(jìn)行密實(shí)澆筑.而且對澆筑模型要求比較高.

圖15 漿錨搭接構(gòu)造示意圖 圖16 現(xiàn)澆帶連接 圖17 現(xiàn)澆帶滯回曲線

3 抗震優(yōu)化舉措

目前U形板、O形阻尼器和梳形板等耗能器常作為抗震配置工裝.這些阻尼器大多為面外彎曲耗能，滯回性能雖然比較穩(wěn)定，然而剛度偏小，容易折斷.

通過研究發(fā)現(xiàn)，借助截面為X形的金屬阻尼器能夠很好配合鋼材順著截面全長屈服的需要，而且初始剛度以及耗能性能較強(qiáng)，一些項(xiàng)目在裝配式剪力墻的豎向接縫中配置X形的金屬阻尼器，剪力墻整體抗震能力得到了非常大的提升.金屬阻尼器構(gòu)造見圖18.

圖18 金屬阻尼器構(gòu)造示意圖(單位:mm) 圖19 阻尼器試件的耗能能力

試驗(yàn)時，金屬阻尼器試件XMD20削弱段寬度為20 mm、XM D30削弱段寬度為30 mm、XM D40削弱段寬度為40 mm，當(dāng)外部荷載進(jìn)行反復(fù)施加，X形金屬阻尼器滯回性能表現(xiàn)很強(qiáng).圖19是反復(fù)荷載作用下，金屬阻尼器試件單圈滯回環(huán)耗能值Ed以及等效黏滯阻尼系數(shù)ξeq隨著位移的變化曲線.從圖19可知，XMD的耗能能力隨著削弱段寬度的增加而降低，尤其是當(dāng)增加阻尼器削弱段的寬度時，阻尼器的承載能力以及剛度也得到加強(qiáng)，可耗能功能卻降低，而且X形金屬阻尼器和剪力墻間體現(xiàn)了很好的協(xié)同效應(yīng)，而且隨著金屬阻尼器數(shù)量的遞增，阻尼器被破壞形式從彎剪破壞過渡到彎曲破壞，這充分表明其抗震性能隨金屬阻尼器數(shù)量的遞增而增強(qiáng).

4 結(jié)束語

本文全面介紹了九種國內(nèi)外裝配式承重墻連接方式的構(gòu)造及優(yōu)缺點(diǎn).目前在兼顧預(yù)制裝配式剪力墻“濕連接”方式的同時，建議加大施工更為方便的“干連接”節(jié)點(diǎn)形式的應(yīng)用和研究分析，特別是針對“干連接”形式中裸露在外重要部件容易出現(xiàn)被腐蝕的現(xiàn)象,建議將連接部件進(jìn)行內(nèi)置.另外一些項(xiàng)目的裝配式砼剪力墻連接盡管實(shí)現(xiàn)了工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、快捷化，但是存在著成本高、工藝繁瑣等弊端.X形金屬阻尼器(XMD)極大提升了剪力墻抗震作用，建議在做好剪力墻連接方式抗震性能、受力性能的同時，兼顧防水、防火、防氧化等性能的實(shí)踐和研究.