預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)接縫的研究現(xiàn)狀

龔厚松, 孫金坤, 汪小平, 鄧晨曦, 楊 茹

(1.江西理工大學(xué)土木與測(cè)繪工程學(xué)院，江西贛州 341000；2.攀枝花學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，四川攀枝花 617000；3.西華大學(xué)應(yīng)急學(xué)院，四川成都 6100392；4.攀枝花學(xué)院釩鈦學(xué)院，四川攀枝花 617000)

裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)有較好的抗震性能，因此裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)主要是用于中、高層建筑的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)更多的也在低、多層建筑中應(yīng)用。裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)具有受氣候條件影響因素小等優(yōu)點(diǎn)，是未來建筑業(yè)工業(yè)化發(fā)展的趨勢(shì)，這也符合我國綠色建筑和建筑工業(yè)化的發(fā)展需求。在新加坡、德國、法國、瑞典等國家，裝配式建筑的應(yīng)用極為廣泛，在瑞典住宅所占的比例中更是高達(dá)95%。我國也在大力推動(dòng)裝配式建筑的發(fā)展，這使得裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)不斷的優(yōu)化和創(chuàng)新。

近年來裝配式建筑快速發(fā)展，裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的需求也逐漸增多。接縫連接的可靠性一直是裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的核心問題，為了提升經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和施工的效率，裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)中有了代替鋼筋連接的構(gòu)件連接，如焊接、螺栓連接、專用連接器連接等[1]。雖然有關(guān)接縫的研究比較多，但仍需進(jìn)行深入的全面的研究。裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)接縫的深入研究將使我國的建筑業(yè)由傳統(tǒng)粗放式的發(fā)展模式向節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的模式轉(zhuǎn)變。

本文首先對(duì)預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)接縫進(jìn)行了概述，然后對(duì)國內(nèi)外的連接形式、連接技術(shù)、連接工藝和接縫的抗震性能進(jìn)行了詳細(xì)的文獻(xiàn)綜述。

1 預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)接縫分類及受力

1.1 接縫的分類

預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)存在著大量的接縫，當(dāng)外部載荷作用在結(jié)構(gòu)上時(shí)，接縫處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫甚至損壞。因此，良好的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是保證裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)整體性的關(guān)鍵[2]。裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)每個(gè)單元間的連接根據(jù)連接位置的不同，可分為豎向連接和水平連接[3]。

豎向接縫連接技術(shù)主要有現(xiàn)澆帶連接技術(shù)、后張拉預(yù)應(yīng)力技術(shù)、套筒灌漿連接技術(shù)等；預(yù)應(yīng)力連接技術(shù)預(yù)制的剪力墻結(jié)構(gòu)是通過張拉豎向及水平的預(yù)應(yīng)力筋，使各預(yù)制剪力墻構(gòu)件間有可靠的連接而形成的剪力墻結(jié)構(gòu)體系[4]。界面混凝土連接主要有鍵槽連接、粗糙面連接和FRP連接技術(shù)等。水平接縫鋼筋的連接有整體套箍銷栓連接、螺栓連接、焊接等。

1.2 接縫的受力

剪力墻接縫主要受剪力，皮正波等[5]對(duì)鋼筋桁架疊合墻體的界面受剪性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明鑿毛深度和桁架受剪配筋率與受剪承載力是正相關(guān)。理論上還推導(dǎo)了預(yù)制混凝土板和鋼筋桁架疊合墻體界面的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)見式(1)。

(1)

式中:As為疊合構(gòu)件界面桁架腹筋配筋率；fb為桁架腹筋的屈服強(qiáng)度。

2 預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)接縫研究

2.1 豎向接縫連接的研究

Guo等[6]對(duì)有限滑移螺栓和預(yù)應(yīng)力筋相結(jié)合進(jìn)行了相關(guān)研究，采用角形鋼部件進(jìn)行包裹保護(hù)(圖1)，結(jié)果表明：主體結(jié)構(gòu)至實(shí)驗(yàn)結(jié)束仍保持彈性，即連接方式可靠。

秦鵬等[7]對(duì)現(xiàn)澆剪力墻試件和2個(gè)豎向鋼筋用不同的連接方法，進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明:現(xiàn)澆剪力墻試件為彎剪破壞，另外2個(gè)裝配式剪力墻試件為彎曲破壞；試件的位移延性系數(shù)與承載力高出現(xiàn)澆剪力墻試件，剛度與現(xiàn)澆剪力墻試件一致。

王濤等[8]制作了1個(gè)現(xiàn)澆剪力墻試件，2個(gè)豎縫連接的裝配式混凝土剪力墻試件，通過靜力試驗(yàn)。結(jié)果表明：L型剪力墻的破壞模式為彎曲破壞，滯回曲線飽滿；變形能力和耗能能力與現(xiàn)澆剪力墻無明顯差異。

圖1 有限滑移摩擦螺栓連接

2.2 水平接縫連接的研究

孫健等[9]研究了螺栓連接的工字形裝配式剪力墻。結(jié)果表明：該裝配式剪力墻有著極高的承載力、延性和耗能能力。Ling等[10]用標(biāo)準(zhǔn)的鋼管設(shè)計(jì)了圓柱形的WBS套筒與錐形的THS套筒，并進(jìn)行了單向拉伸試驗(yàn)。結(jié)果表明：套筒的形狀對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度有著重要影響。

Sungnam Hong[11]進(jìn)行了搭接鋼筋反復(fù)拉壓的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：搭接鋼筋能有效的傳遞應(yīng)力，其各個(gè)性能良好。Rahman等[12]對(duì)灌漿套管進(jìn)行了單向拉伸試驗(yàn)。結(jié)果表明：套筒內(nèi)壁的剪力鍵能夠增強(qiáng)灌漿料與鋼筋之間的粘結(jié)強(qiáng)度。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)水平和豎向連接的受力性能進(jìn)行了大量研究，但并未同時(shí)考慮豎向和水平接縫相互影響而進(jìn)行研究。

3 預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)接縫新技術(shù)新工藝研究

潘廣斌等[13]提出了一種新型冷擠壓套筒鋼筋連接技術(shù)，鋼筋套筒尺寸如表1所示。試件進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)的對(duì)比，結(jié)構(gòu)破壞后套筒形態(tài)如圖2所示。結(jié)果表明:試件破壞形式相同均為壓彎破壞，即冷擠壓套筒鋼筋連接可以有效傳遞鋼筋的拉壓力，還具有良好的抗震性能。

表1 鋼筋套筒尺寸 單位：mm

圖2 破壞后套筒形態(tài)

圖3 鋼錨環(huán)灌漿連接

圖4 鋼筋漿錨連接

李然等[14]對(duì)鋼錨環(huán)灌漿連接(圖3)的接縫進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，結(jié)果表明：鋼錨環(huán)灌漿連接性能可靠，初始剛度和承載力較高。當(dāng)鋼錨環(huán)灌漿連接技術(shù)連接豎向接縫和鋼筋漿錨連接技術(shù)(圖4)連接水平接縫協(xié)同工作時(shí)，可以有效地連接多層預(yù)制剪力墻。

陳偉等[15]提出了新型大尺寸配筋齒槽連接技術(shù)(圖5)，配筋齒槽裝配式剪力墻鋼筋布置如圖6所示，并對(duì)試件進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：配筋齒槽承擔(dān)了拼縫界面的大部分剪力，改善了接縫面的受力且實(shí)現(xiàn)了裝配式剪力墻接縫的彎剪受力分離。

圖5 配筋齒槽裝配式剪力墻構(gòu)造

趙陽等[16]提出了一種用于低層的新型裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系(圖6)。將預(yù)制剪力墻、邊緣約束和水泥砂漿結(jié)合在一起，并進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)。結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)增加軸壓比可以明顯提高墻體的承載力，整體性和抗震性能較好。其中試件的剛度退化是采用平均割線剛度的方法，計(jì)算平均割線剛度見式(2)。

圖6 配筋齒槽裝配式剪力墻鋼筋

(2)

式中：±Pi分別是第i級(jí)加載中正負(fù)向加載荷載的最大值;±Δi是與±Pi相對(duì)應(yīng)的墻頂水平位移。

陳婷等[17]提出了一種新型“螺栓-連接件”式的水平接縫技術(shù)(圖7)，并利用ABAQUS建立了與現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)試件的模型進(jìn)行理論對(duì)比分析。結(jié)果表明：新型裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)試件的抗震性能優(yōu)于裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)試件；承載力和剛度與現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)試件一致。

圖7 新型裝配式剪力墻構(gòu)造

4 預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震研究

4.1 剪力墻的抗震性能研究

秦士洪等[18]用擬靜力試驗(yàn)來研究豎向接縫對(duì)預(yù)制裝配式L型剪力墻抗震性的影響，結(jié)果表明：對(duì)延性和耗能能力影響顯著。高林等[19]對(duì)型鋼預(yù)制裝配式混凝土剪力墻進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明：型鋼預(yù)制裝配式混凝土剪力墻比現(xiàn)澆墻體的抗震性能稍弱，但基本能夠?qū)崿F(xiàn)“等同現(xiàn)澆”。薛偉辰等[20]提出并設(shè)計(jì)了在低軸壓比平面外對(duì)疊合剪力墻進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)。試驗(yàn)的結(jié)果表明：疊合剪力墻主要是發(fā)生受彎破壞，與現(xiàn)澆剪力墻相比其平面外的抗震性能相近。

4.2 接縫的抗震性能研究

Srensen等[21]在傳統(tǒng)鋼錨環(huán)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)(圖8)。對(duì)鋼錨環(huán)的方向與位置進(jìn)行了改變，經(jīng)過對(duì)比試驗(yàn)分析結(jié)果表明：新的連接構(gòu)造可以有效提高試件的延性。Vaghei等[22]對(duì)一種內(nèi)填橡膠的U形槽鋼連接進(jìn)行了研究，研究表明：U形槽鋼連接有很好的柔性，耗能能力是水平鋼錨環(huán)的14～15倍。

圖8 傳統(tǒng)鋼錨環(huán)連接與改造鋼錨環(huán)連接的構(gòu)造

趙斌等[23]對(duì)一種“螺栓-鋼連接件-套筒”全裝配預(yù)制剪力墻的水平接縫進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：總體的抗震性能良好。汪夢(mèng)甫等[24]將U型筋加入預(yù)制裝配式剪力墻的暗支撐體系中。試驗(yàn)結(jié)果表明以U型筋連接代替格構(gòu)鋼筋連接是有利于施工定位的，水平方向比豎向方向提高的性能更多。

張微敬等[25]對(duì)采用擠壓套筒和鋼筋搭接的預(yù)制框架結(jié)構(gòu)試件與剪力墻試件做了相關(guān)的抗震性能研究，結(jié)果表明：連接構(gòu)件抗震性能可滿足規(guī)范的要求。ClayNaito等[26]在一體化的疊合墻中加入了強(qiáng)剪力鍵并做了相關(guān)的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：桁架式剪力鍵比針入式剪力鍵在抗剪響應(yīng)方面更優(yōu)越，提高了疊合墻結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

4.3 剪力墻抗震的其他研究

朱張峰等[27]對(duì)混合裝配式混凝土剪力墻進(jìn)行了有關(guān)的試驗(yàn)與有限元數(shù)值模擬，結(jié)果表明：預(yù)制裝配式混凝土墻體的抗震性能優(yōu)于現(xiàn)澆混凝土墻體。Smith等[28-29]研究了雙拼縫后張拉無粘結(jié)型預(yù)應(yīng)力混凝土剪力墻的抗震性能。結(jié)果表明：雙拼縫剪力墻采用混合連接方式具有良好的延性，結(jié)構(gòu)的殘余變形小，底部混凝土僅有輕微的損傷。

4.4 接縫抗震的其他研究

為了提高灌漿連接的整體抗震性能，Wu等[31]將焊接封閉鋼套筒與約束扣環(huán)鋼箍相組合進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并設(shè)計(jì)研究了一種新型的NPGCS連接器[30]，研究表明：NPGCS連接的剪力墻承載力比現(xiàn)澆剪力墻高4%，但延性系數(shù)略低于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。Wall-shoes[32]連接的相關(guān)研究表明：螺栓的塑性伸長和螺母松動(dòng)可以有效傳遞鋼筋應(yīng)力，抗震性能良好。U形盒式連接[33]是2個(gè)U形鋼盒采用三向錨固連接而成，研究表明：預(yù)制裝配式墻體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、延性、抗側(cè)剛度等方面表現(xiàn)良好。Sun等[34]研發(fā)了一種螺栓-鋼框的干式連接，研究結(jié)果表明該連接方式有較好的延性、耗能能力和較高的承載力。

5 展望

預(yù)制裝配式建筑是發(fā)展趨勢(shì)，關(guān)鍵是預(yù)制構(gòu)件之間的連接技術(shù)。目前灌漿連接應(yīng)用最為廣泛，相關(guān)的理論研究也比較成熟，可用于抗震地區(qū)的承重構(gòu)件連接；對(duì)于裝配式建筑的外墻會(huì)向結(jié)構(gòu)保溫一體化的方向發(fā)展。通過對(duì)國內(nèi)外連接技術(shù)的綜述、預(yù)制裝配式剪力墻自身的抗震性能和接縫抗震性能的研究分析，對(duì)各種連接方式的強(qiáng)度、耗能、利弊等進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。未來研究應(yīng)考慮幾個(gè)方面：

(1)我國應(yīng)大力開發(fā)新型的節(jié)能技術(shù)、接縫相關(guān)的處理技術(shù)、細(xì)部節(jié)點(diǎn)相關(guān)的處理技術(shù)等。

(2)連接技術(shù)的開發(fā)宜有傳力直接、質(zhì)量可控、構(gòu)造簡單、操作性強(qiáng)等特點(diǎn)。

(3)應(yīng)有能廣泛應(yīng)用于抗震的連接形式和可靠的質(zhì)量控制措施。

(4)水平和豎向接縫相互影響下，預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)接縫的力學(xué)性能研究。

通過各種方法較為全面的解決裝配式建筑存在的問題，為預(yù)制裝配式建筑實(shí)現(xiàn)工業(yè)化奠定基礎(chǔ)。