預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)及其連接技術(shù)

楊 濤

（北京城建十六建筑工程有限責(zé)任公司，北京 10083）

為滿足現(xiàn)代化建筑工程項目的設(shè)計需求，施工方提出一種預(yù)制拼裝剪力墻結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)是一種新型建筑結(jié)構(gòu)。相比傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)而言，此種結(jié)構(gòu)采用組裝的方式設(shè)計，具有較高的能源利用率，而且在實際使用中不會產(chǎn)生固體廢物，更不會對大氣和環(huán)境造成污染，因此預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)在市場中的價值更高[1]。隨著社會對可持續(xù)發(fā)展的重視，在建筑業(yè)中，對這種新型混凝土結(jié)構(gòu)及其連接技術(shù)的研究與應(yīng)用也日益深入，并在階段性的工作已取得了一定的成績，為規(guī)范此類結(jié)構(gòu)的施工，下述將對此結(jié)構(gòu)的連接施工展開設(shè)計。

1 預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)及其連接技術(shù)

1.1 預(yù)制裝配式剪力墻連接構(gòu)造與構(gòu)件布置

針對預(yù)制裝配式剪力墻連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計，首先需要明確預(yù)制裝配式剪力墻的截面形式，通常包含圖1所示的四種類型。

圖1 預(yù)制裝配式剪力墻截面形式

圖1中（a）代表“一”字型剪力墻截面；（b）代表“L”型剪力墻截面；（c）代表“T”型剪力墻截面；（d）代表“U”型剪力墻截面。在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時，接縫連接效果主要受到受力影響。要達(dá)到一個強(qiáng)有力的連接，就必須確保結(jié)構(gòu)具有一個不會損壞連接的區(qū)域。在連接剪力墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，接縫的承載力要大于連接構(gòu)件的實際受力[2]。為了達(dá)到“強(qiáng)接縫、弱構(gòu)件”的設(shè)計目的，要求接縫縱向連接的鋼筋面積不宜小于實際配筋面積。在地震中，各預(yù)制件的連接處是比較脆弱的，而預(yù)制件的連接處是整個結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性的重要因素，同時預(yù)制件自身的質(zhì)量和施工工藝也是影響其安全性的重要因素[3]。應(yīng)將牢固、可靠的聯(lián)接作為工程保證，設(shè)計中，按照要求進(jìn)行內(nèi)力傳遞，明確結(jié)構(gòu)受力[4]。在布置上要簡單、整齊，最好是對稱布置、雙向布置，不要造成結(jié)構(gòu)的無規(guī)則扭曲；垂直方向的設(shè)置必須是連續(xù)的，并且不能造成結(jié)構(gòu)的橫向剛度變化不規(guī)則，也不能改變層間的承載力；預(yù)制板的橫斷面形狀要規(guī)整，預(yù)制板的長度不能太長，墻體的高程和墻腿的長度之比應(yīng)大于3[5]。

1.2 安裝縫、墻板底部加密區(qū)設(shè)計

在剪力墻結(jié)構(gòu)當(dāng)中，上下兩個墻片之間結(jié)合面上會存在一個接縫結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)稱之為安裝縫，具體位置如圖2所示。

圖2 裝配式剪力墻安裝縫位置示意圖

在對裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)保證安裝縫是密封性的，并且在上下混凝土結(jié)合面上具有粘結(jié)效果。安裝縫可采用增壓噴漿、座漿等方法進(jìn)行填充，安裝縫的高度應(yīng)不大于20 mm。節(jié)點材料的受壓強(qiáng)度應(yīng)大于剪力墻混凝土立方體10 MPa以上[6]。圖3為墻板底部加密區(qū)示意圖。

圖3 墻板底部加密區(qū)示意圖

加密區(qū)域的高度不得小于300mm。同時，根據(jù)抗震等級要求，加密間距設(shè)置參數(shù)不同。當(dāng)抗震等級為一級時，加密間距不得超過120mm，鋼筋直徑不得小于8mm；當(dāng)抗震等級為二級、三級或四級時，加密間距不得超過為160mm，鋼筋直徑不得小于6mm。

1.3 豎向連接方式設(shè)計

對于預(yù)制拼裝剪力墻的垂直連接，可以通過套管進(jìn)行灌漿。鋼筋套筒接頭中包含三個基本組成構(gòu)件，分別為鋼筋、套筒連接器和灌漿料[7]。常見的套筒為全灌漿套筒形式，如圖4所示。

圖4 豎向連接全灌漿套筒接頭示意圖

圖4中，a代表灌漿孔；b代表預(yù)留插入端鋼筋；c代表排漿孔；d代表橡膠環(huán)；e代表鍵槽；f代表鋼筋限位擋板；g代表預(yù)制端鋼筋。采用一種由金屬制成的具有一定厚度的中空圓柱套管，將鋼筋從兩端的開口處插入到套管中，兩根鋼筋在同一條軸上，兩端不會發(fā)生接觸，也不需要進(jìn)行捆綁和搭接[8]。然后，在套管上預(yù)留的灌漿孔中，向套管內(nèi)填充膨脹劑的高強(qiáng)度水泥，以填充套管內(nèi)的空隙，從而將兩段鋼筋連接在一起。其結(jié)合機(jī)制是將高強(qiáng)度的復(fù)合砂漿灌注到套管中，然后在套管中添加膨脹劑，在套管的約束下，使鋼管與套管的內(nèi)壁間的摩擦、粘結(jié)強(qiáng)度得到增強(qiáng)，同時，鋼筋的應(yīng)力也可以通過鋼筋表面的波紋與復(fù)合灰漿的摩擦力進(jìn)行傳遞。該方法具有良好的抗拉、壓強(qiáng)度。在連接的過程中，可通過下述公式，確定鋼筋搭接的具體長度：

上述計算公式（1）中：l代表豎向連接的全灌漿套筒接頭鋼筋連接長度，ζ代表鋼筋長度修正系數(shù)，al代表鋼筋錨固長度。

1.4 水平連接方式設(shè)計

針對預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的水平連接，采用鍵槽連接方式。鍵槽連接可以用來連接水平接縫和垂直接縫，并結(jié)合生產(chǎn)技術(shù)和施工，目前鍵槽多為垂直接縫，水平接縫大多采用粗加工，形成粗糙表面。預(yù)制裝配式剪力墻水平的豎向結(jié)合面可做成鍵槽，利用鍵槽的咬合力達(dá)到提升墻體整體承載力的效果。圖5為預(yù)制裝配式剪力墻豎向結(jié)合面構(gòu)造圖。

圖5 預(yù)制裝配式剪力墻豎向結(jié)合面構(gòu)造圖

鍵槽連接需要結(jié)合現(xiàn)澆帶連接，以此形成統(tǒng)一連接結(jié)構(gòu)。相鄰墻板連接時，錨環(huán)搭接孔內(nèi)要有垂直鋼筋（亦稱垂直鋼筋），錨環(huán)要搭接或用箍筋固定，等鋼筋搭接到位后，再進(jìn)行混凝土澆筑。澆筑混凝土的強(qiáng)度應(yīng)比預(yù)制裝配式剪力墻高一級以上，垂直插筋不得小于預(yù)制裝配式剪力墻的縱向布置或端部縱筋；錨環(huán)使用的鋼筋不得少于預(yù)埋件水平鋼筋或末端箍筋，如果有橫向連接鋼筋，則被連接墻體的橫向鋼筋必須焊接。

2 實證分析

2.1 施工準(zhǔn)備

為檢驗設(shè)計方法，以某建筑工程為例，對施工后的成果進(jìn)行質(zhì)量驗收。為確保連接施工的順利實施，在施工前，應(yīng)做好前期準(zhǔn)備工作。首先，對預(yù)制裝配構(gòu)件進(jìn)行現(xiàn)場的運輸與吊放設(shè)計，在運送預(yù)制件時，應(yīng)選擇低平板車作為運輸設(shè)備，并安裝專用支架，采用安全措施對運行過程進(jìn)行保障。

在預(yù)制構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度比達(dá)到設(shè)計值后，對其進(jìn)行市場場地的輸送。預(yù)制墻的運輸應(yīng)垂直豎放，其他構(gòu)件（包括預(yù)制層板、陽臺板、樓梯等）可采取平鋪擺放運輸，擺放中，應(yīng)適當(dāng)選取不同構(gòu)件的支架位置。

預(yù)制件運輸?shù)绞┕すさ睾?，?yīng)按規(guī)格、品種、使用部位、吊裝順序分別放置在場地指定位置，并按吊車作業(yè)順序，布置擺放區(qū)域，在場地間設(shè)置通道，以便于對構(gòu)件的實時運輸。工地的運輸?shù)缆泛投蚜蠄霰仨毱秸?、牢固，并有排水設(shè)施。在卸、吊裝作業(yè)范圍內(nèi)不得設(shè)置障礙，并確保場地內(nèi)有足夠的空間保證預(yù)制件的周轉(zhuǎn)。

在吊裝之前，按照起重程序檢查零件并對其編號、現(xiàn)場計數(shù)。同時，按單件重量、形狀、安裝高度、吊裝現(xiàn)場條件等因素，選擇合適施工設(shè)備。在吊裝連接施工過程中，預(yù)制件的吊點合力要與構(gòu)件重量一致，宜采用可調(diào)整的橫向吊梁均勻吊裝。預(yù)制件的懸掛應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的懸掛裝置施工，懸掛裝置可以是預(yù)先埋置的，也可以是埋入式的。起重時，纜繩與構(gòu)件的水平表面之間的角度不得少于45°。

2.2 現(xiàn)場節(jié)點連接施工

在預(yù)制裝配式剪力墻面板上部和下部，用預(yù)留的金屬波紋管進(jìn)行粘結(jié)，并將高強(qiáng)度的灌漿灌注到波紋管中?，F(xiàn)場節(jié)點連接施工應(yīng)該滿足以下要求：

（1）連接施工前檢查施工作業(yè)機(jī)械設(shè)備是否準(zhǔn)備完畢、灌漿孔道是否完成清潔處理、是否處于通暢狀態(tài)等；

（2）垂直部件與地面接合部的橫向拼縫要清除，在灌漿前1d，要充分觀察接頭部位水分，并在灌漿前1h內(nèi)抽干積水；

（3）豎向構(gòu)件橫向拼縫時，必須使用比10MPa更高的混凝土砂漿作為外圍灌漿；

（4）注漿料要用電動攪拌機(jī)進(jìn)行充分的調(diào)拌，從起料至攪拌結(jié)束不少于3min，攪拌后的灌漿料應(yīng)在45min內(nèi)使用完畢；

（5）為保證注漿材料充分充填，應(yīng)采取機(jī)械加壓注漿方法；

（6）注漿應(yīng)連續(xù)、勻速進(jìn)行，直到金屬波紋管排出漿料后，才能重新封住注漿，在注漿后24h內(nèi)不能使部件和座漿層發(fā)生震動或撞擊；

（7）注漿完畢后，應(yīng)及時清除注漿口和部件表面的漿料，并用抹壓使其平整。

2.3 剛度檢驗

完成上述設(shè)計后，對施工構(gòu)件進(jìn)行剛度檢驗。剛度是指材料、構(gòu)件或結(jié)構(gòu)在受到外力的影響后發(fā)生的變形。剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性是影響結(jié)構(gòu)性能的三大因素。

明確質(zhì)量驗收指標(biāo)后，對其進(jìn)行剛度檢驗，將結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行計算：

上述計算公式（2）中：K代表施工構(gòu)件剛度，P1代表單次循環(huán)中推力的最大值，P2代表單次循環(huán)中荷載力的最大值，△1代表相對P1點而言的相對位移，△2代表相對P2點而言的相對位移。繪制剛度退化曲線，將其與傳統(tǒng)施工方法應(yīng)用下生成構(gòu)件的剛度退化系數(shù)進(jìn)行對比。剛度退化系數(shù)的計算公式如下：

上述計算公式中：E代表剛度系數(shù)，△W代表滯回環(huán)包圍的有效面積，p代表實驗中最大荷載值，m代表負(fù)位移的幅值。統(tǒng)計實驗結(jié)果，見表1。

表1 剛度系數(shù)退化變化統(tǒng)計

3 結(jié)語

通過上述研究，得到以下幾個方面的結(jié)論：

（1）根據(jù)剛度系數(shù)退化變化統(tǒng)計結(jié)果，隨著施加的荷載值的增加，本文方法施工構(gòu)件與傳統(tǒng)方法施工構(gòu)件的剛度系數(shù)退化均呈現(xiàn)降低趨勢，當(dāng)施加的荷載值為100kN時，傳統(tǒng)方法施工構(gòu)件的剛度系數(shù)退化為0，根據(jù)預(yù)設(shè)的條件，此時傳統(tǒng)方法施工構(gòu)件發(fā)生斷裂，而對比施工100kN荷載值的本文方法施工構(gòu)件時可以看出，本文構(gòu)件的剛度系數(shù)并未退化為0，綜合對比后說明使用本文方法進(jìn)行連接施工，施工后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體剛度較高，說明該施工方法的應(yīng)用可以起到提升構(gòu)件剛度的效果。

（2）盡管該方法在經(jīng)過實證分析后證明了其有效性，但要將預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行建筑行業(yè)內(nèi)的推廣，還需要從其抗震性能、承載性能等方面，進(jìn)行其綜合性能的進(jìn)一步檢測。