預(yù)制混凝土剪力墻豎向連接研究綜述

許永慷

(新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院 新疆烏魯木齊 830017)

預(yù)制混凝土剪力墻作為預(yù)制裝配式建筑的主要構(gòu)件，與現(xiàn)澆混凝土剪力墻相比，有著如下優(yōu)點。（1）施工效率高。預(yù)制混凝土剪力墻的生產(chǎn)制作全部在廠房內(nèi)進(jìn)行，制作時間不受環(huán)境、氣候等不利因素影響，同時減少了勞務(wù)成本。（2）質(zhì)量可靠。預(yù)制混凝土剪力墻的制造相比于現(xiàn)澆混凝土剪力墻，往往有著完善的生產(chǎn)工藝與質(zhì)量保證。（3）施工便捷。預(yù)制混凝土剪力墻降低了現(xiàn)場工作量，縮短了施工期限，提升了施工效率。（4）節(jié)能環(huán)保。預(yù)制混凝土剪力墻的生產(chǎn)與制作減少了大量現(xiàn)場勞動施工人員作業(yè)造成的環(huán)境污染，具有節(jié)能、環(huán)保和減排等特點。

近年來，由于我國政策措施的實施以及對建筑產(chǎn)業(yè)化的推動，眾多學(xué)者開始著重研究預(yù)制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能，尤其在結(jié)構(gòu)的抗震性能、連接方式以及鋼筋連接技術(shù)等方面研究成果頗豐，因此及時對近期研究成果加以總結(jié)十分必要。

1 預(yù)制混凝土剪力墻濕連接

預(yù)制混凝土剪力墻體系存在著水平及豎向接縫，其接縫處的連接方式是影響其整體結(jié)構(gòu)性能的重要因素。預(yù)制混凝土剪力墻接縫處的連接方式按施工工藝的不同，大致可以分為濕連接和干連接兩類。預(yù)制混凝土剪力墻的濕連接，即連接節(jié)點需要后澆混凝土或灌注灌漿料等在施工現(xiàn)場進(jìn)行二次澆筑的連接方式。濕式連接的優(yōu)點在于其整體性較好，常見的濕連接方式有灌漿套筒連接、漿錨搭接連接等。

1.1 灌漿套筒連接

灌漿套筒連接由美國人Alfred A.Yee所提出，并在夏威夷的一棟酒店建筑中首次應(yīng)用。灌漿套筒連接具有適用性廣、安全性高及安裝方便快捷等優(yōu)點，已成為目前預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)最主要采用的鋼筋連接方式，如圖1 所示。灌漿套筒連接總體分為兩類，即半灌漿套筒連接和全灌漿套筒連接。所謂半灌漿套筒連接是指套筒一端通過內(nèi)螺紋與鋼筋機(jī)械連接，另一端通過與鋼筋通過灌漿錨固連接。而全灌漿套筒連接則是兩端皆通過灌漿料與帶肋鋼筋之間的粘結(jié)咬合力進(jìn)行連接，其成本更加低廉且適用性更廣。預(yù)制混凝土剪力墻中常見的雙排灌漿套筒連接構(gòu)造，其墻體承載力、延性、耗能和剛度退化等抗震性能指標(biāo)與相應(yīng)的現(xiàn)澆剪力墻接近。在此基礎(chǔ)上，張微敬等人[1]又提出了豎向鋼筋采用單排灌漿套筒連接的構(gòu)造方案，并開展試驗研究證明了采用該連接構(gòu)造的剪力墻結(jié)構(gòu)各抗震性能指標(biāo)與雙排套筒灌漿連接預(yù)制剪力墻及現(xiàn)澆剪力墻相似，且簡化了連接構(gòu)造、提高了施工效率、節(jié)約了制造成本。

圖1 套筒灌漿連接

灌漿套筒作為預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)中合理而安全可靠的鋼筋機(jī)械連接接頭已被廣泛應(yīng)用，但仍存在部分問題有待進(jìn)一步研究，如灌漿套筒接頭的性能測試檢測方式、套筒區(qū)域配箍形式、施工中的灌漿質(zhì)量控制方法和檢驗標(biāo)準(zhǔn)以及灌漿套筒在剪力墻中的布置形式等。

1.2 漿錨搭接連接

漿錨搭接連接是將水泥基灌漿料灌入插有搭接鋼筋的剪力墻預(yù)留孔道中，從而實現(xiàn)剪力墻之間的鋼筋搭筋連接的一種連接方式，如圖2 所示。其連接包括金屬網(wǎng)預(yù)成孔漿錨搭接連接、螺旋筋約束漿錨搭接連接和金屬波紋管預(yù)成孔漿錨搭接連接是漿錨搭接連接等多種孔道約束形式。其中金屬波紋管約束預(yù)留孔道漿錨搭接避免了普通漿錨搭接連接抽芯成孔對周圍混凝土的破壞，同時又有效控制了由于鋼筋受拉引起的外圍混凝土變形，且金屬波紋管表面凹凸不平，增大了與混凝土的接觸面，從而使結(jié)構(gòu)具有更可靠的連接性能。為了簡化連接構(gòu)造，降低施工難度，陳昕等人[2]研究了預(yù)埋波紋管單排鋼筋漿錨搭接預(yù)制混凝土剪力墻的抗震性能，結(jié)果表明：單排鋼筋漿錨搭接預(yù)制混凝土剪力墻與鋼筋全數(shù)連接的剪力墻試件具有相似的抗震性能，說明在剪力墻非邊緣構(gòu)件采用單排鋼筋漿錨搭接連接形式可靠。

圖2 漿錨搭接連接圖

相較于灌漿套筒連接，漿錨搭接連接成本較低、施工便捷、對預(yù)制構(gòu)件精度要求不高。但由于其搭接鋼筋不宜采用直徑大于20 mm 的鋼筋，因此不建議在剪力墻邊緣構(gòu)件連接處使用。

1.3 擠壓套筒連接

套筒擠壓連接是另一種鋼筋機(jī)械連接方式，它將需要連接的鋼筋端部插入特制的套筒內(nèi)，利用擠壓機(jī)壓縮套筒，使它產(chǎn)生塑性變形，靠變形后的套筒與帶肋鋼筋的機(jī)械咬合緊固力來實現(xiàn)鋼筋的連接，具體情況見圖3。這種連接構(gòu)造在預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中可以有效傳遞鋼筋應(yīng)力。這種連接方法一般用于直徑為16～40 mm 的二級鋼筋或三級鋼筋，分徑向擠壓和軸向擠壓兩種，現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對鋼筋套筒擠壓連接的設(shè)計原則、性能等級、安裝質(zhì)量要求、應(yīng)用范圍以及檢驗評定方法等作了具體規(guī)定。為研究采用擠壓套筒連接的預(yù)制混凝土剪力墻的抗震性能，李寧波等人[3]對一種部分豎向分布鋼筋采用套筒擠壓連接的預(yù)制混凝土剪力墻進(jìn)行了擬靜力試驗，結(jié)果表明：預(yù)制剪力墻的抗震性能滿足規(guī)范要求，但變形能力和承載能力的安全儲備小于現(xiàn)澆剪力墻，有待進(jìn)一步研究。

圖3 擠壓套筒

目前，工程實際中采用這種連接構(gòu)造的案例較少，其用于上、下層墻體豎向鋼筋連接時，具有施工操作簡便、省工省料、經(jīng)濟(jì)性好、施工質(zhì)量易檢查等特點，擁有較好的應(yīng)用前景。

1.4 環(huán)筋扣合錨接

環(huán)筋扣合錨接是在剪力墻連接節(jié)點處預(yù)留環(huán)形鋼筋形成套箍，再插入水平鋼筋并綁扎從而實現(xiàn)剪力墻之間的連接，具體情況見圖4。周健[4]針對環(huán)筋扣合錨接的錨固性能、結(jié)構(gòu)構(gòu)件及結(jié)構(gòu)體系的抗震性能進(jìn)行了試驗研究和理論分析，結(jié)果表明：采用該連接方式的預(yù)制混凝土剪力墻的抗震性能基本等同現(xiàn)澆剪力墻，此外，他還提出了環(huán)筋扣合錨接設(shè)計方法、剪力墻特征承載力及位移計算方法和結(jié)構(gòu)體系計算分析方法，采用環(huán)筋扣合錨接的預(yù)制混凝土剪力墻經(jīng)合理設(shè)計后可應(yīng)用于工程實際當(dāng)中。

圖4 環(huán)筋扣合錨接

關(guān)于環(huán)筋扣合錨接力學(xué)性能、受理機(jī)理、抗震性能以及設(shè)計方法的研究仍較空白，限制了環(huán)筋扣合錨接在工程實際中的應(yīng)用，可針對上述問題做進(jìn)一步研究。

1.5 現(xiàn)澆帶連接

現(xiàn)澆帶連接通過改變裝配形式、構(gòu)造和施工工藝實現(xiàn)預(yù)制結(jié)構(gòu)之間的連接，極大地減少了套筒的使用，降低了制作成本和裝配精度要求[5-6]。例如：預(yù)制混凝土剪力墻的水平和豎向接縫處采用超高性能混凝土（UHPC）現(xiàn)澆帶連接，能夠確保預(yù)制混凝土剪力墻連接段強(qiáng)度，UHPC 連接下的預(yù)制剪力墻具有良好的抗震性能和較好的延性，并且UHPC錨固性能良好，能有效傳遞鋼筋應(yīng)力。

現(xiàn)澆帶連接具有良好的整體性和鋼筋傳力效果，但新舊混凝土粘結(jié)較弱，削弱了剪力墻的抗剪承載力，因此可在接縫處設(shè)置剪力鍵等異形連接面以提高墻體抗震承載力。

2 預(yù)制混凝土剪力墻干連接

干式連接技術(shù)在普通建筑中廣泛應(yīng)用，如國外停車庫、學(xué)校、醫(yī)院、寫字樓等多用干式連接技術(shù)進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件之間的連接。所謂干式連接，是指預(yù)制構(gòu)件之間采用螺栓或型鋼等直接連接，無需再進(jìn)行現(xiàn)澆或灌漿工作。其優(yōu)點在于承載力和剛度可靠，等同于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，但延性和恢復(fù)力性能與現(xiàn)澆節(jié)點不同，設(shè)計方法也有所區(qū)別。預(yù)應(yīng)力連接和螺栓連接都是典型的干式連接。

2.1 螺栓連接

螺栓連接（見圖5）作為典型的預(yù)制干連接方式，在國外應(yīng)用廣泛。采用螺栓連接的預(yù)制混凝土剪力墻的抗震性能同樣可以達(dá)到接近于現(xiàn)澆剪力墻的水平，并且具有連接構(gòu)造簡單、施工效率高和質(zhì)量易保證等優(yōu)點。薛偉辰等人[5]對采用螺栓連接以及采用螺栓、套筒灌漿混合連接的預(yù)制混凝土剪力墻進(jìn)行了抗震性能試驗研究，兩種連接方式的預(yù)制混凝土剪力墻抗震性能均優(yōu)于現(xiàn)澆剪力墻。

圖5 螺栓連接

螺栓連接裝配簡單，損壞的部件便于更換，抗震性能“等同現(xiàn)澆”。但整體性較差，且連接構(gòu)造通常暴露在外，腐蝕、磨損等情況不可避免，可從結(jié)構(gòu)內(nèi)置螺栓連接方向做進(jìn)一步研究。

2.2 焊接連接

焊接連接多用于鋼板剪力墻或鋼管柱混凝土組合墻中的鋼構(gòu)件連接。剪力墻邊緣構(gòu)件暗柱采用焊接連接，墻體豎向分布鋼筋采用搭接連接，可使預(yù)制混凝土剪力墻的抗震性能與現(xiàn)澆試件基本一致。黃昌輝[6]對一種采用鋼板焊接連接的預(yù)制混凝土剪力墻進(jìn)行了抗震性能試驗研究。研究表明：增大連接鋼板厚度、增加側(cè)向鋼板對剪力墻的延性、剛度、承載能力和耗能能力影響較??；提高軸壓比可以明顯提高預(yù)制剪力墻的剛度和承載能力，但會降低其耗能能力[7-10]。

焊接連接不可避免地有焊接工作量大等問題，這就使焊接質(zhì)量和焊接殘余應(yīng)力會直接影響墻體抗震性能，因此可針對焊接殘余應(yīng)力對墻體抗震性能的影響做深入研究。

2.3 無粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力連接

無粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力連接最早由美日在1991 年P(guān)RESS（The Precast Seimic Structural Systems）項目中提出，利用預(yù)應(yīng)力來提高結(jié)構(gòu)抗震性能。它將后張拉無粘結(jié)高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋穿過預(yù)制墻板及墻板間的接縫，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體性，圖6 為典型的無粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力剪力墻構(gòu)造。無粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力剪力墻具備了良好的“自復(fù)位”特性，即剪力墻在地震作用后稍加修復(fù)或無需修復(fù)，即能恢復(fù)其正常使用功能，能顯著減小墻體在地震作用下的殘余變形。且無粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力筋長度對抗震性能也有較為明顯的影響，無粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力筋長度越長，墻體的屈服強(qiáng)度會越大，但極限強(qiáng)度反而會越低。

圖6 典型的預(yù)應(yīng)力預(yù)制剪力墻構(gòu)造

盡管無粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力筋連接具有施工便捷、“自復(fù)位”性能好等優(yōu)點，但其在耗能方面表現(xiàn)較差，針對這一問題，可針對將耗能部件裝配于結(jié)構(gòu)中以提高其耗能能力進(jìn)行深入研究。

3 結(jié)語

該文系統(tǒng)地介紹了國內(nèi)外預(yù)制混凝土剪力墻現(xiàn)有的幾種豎向連接方式的最新研究進(jìn)展，綜上所述，國內(nèi)對于豎向連接方式的研究和應(yīng)用主要集中在濕連接方式，而如螺栓連接、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力連接等干連接方式僅在國外得到了廣泛應(yīng)用。因此，我國在預(yù)制結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的發(fā)展與發(fā)達(dá)國家相比仍存在較大差距。