裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)豎向接縫干式連接技術(shù)研究進展

顏孫杰，董超，趙士瑞

（北京建筑大學土木與交通工程學院，北京 100044）

1 引言

裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)是目前應用最廣泛、技術(shù)最成熟的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系[1]，也是我國建筑工業(yè)化發(fā)展的重要方向[2]。裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)以工廠化生產(chǎn)的預制混凝土墻板作為基本裝配單元，通過現(xiàn)場裝配、連接形成整體結(jié)構(gòu)。預制墻板間接縫的性能決定了結(jié)構(gòu)整體性[3]，影響結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)、運輸以及裝配等各個環(huán)節(jié)。根據(jù)接縫位置的不同，包括豎向接縫和水平接縫兩種；其中，豎向接縫如同耦合剪力墻的連梁，確保預制墻板間力的傳遞與協(xié)同工作，在結(jié)構(gòu)耗能方面，豎向接縫比水平接縫發(fā)揮的作用更大[4]。因此，研究豎向接縫的連接性能對裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)具有重要意義。

干式連接技術(shù)是裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)豎向接縫連接技術(shù)之一，具體指通過焊接連接、預應力連接以及螺栓連接等技術(shù)將預制混凝土墻板連接形成整體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場裝配時無須濕作業(yè)，具有施工速度快、工業(yè)化程度高等優(yōu)點。本文在介紹多種干式連接技術(shù)的基礎(chǔ)上，闡述了各連接技術(shù)的特征、技術(shù)優(yōu)勢以及不足，建議了裝配式混凝土剪力墻豎向接縫連接技術(shù)的發(fā)展方向，以期為裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展提供參考。

2 焊接連接技術(shù)

焊接連接技術(shù)主要通過預埋鋼連接件與外置鋼板焊接實現(xiàn)墻板間水平連接，如圖1 所示。焊接連接技術(shù)一般為強連接，易因角焊縫斷裂、錨固不充分或連接核心區(qū)域混凝土開裂等導致結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞。對此，需將焊接連接設(shè)計為弱連接形式，將外置鋼板等同為弱連梁以耗散能量；外置鋼板主要表現(xiàn)為帶缺口或帶孔洞兩種形式，如圖2 所示。Schultz[5]、Crisafulli[6]等分別對這兩種不同截面形式的外置鋼板焊接連接預制混凝土剪力墻進行了較為系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明塑性變形主要集中在缺口和圓孔區(qū)域，避免了鋼板端部及焊縫處破壞的發(fā)生，使結(jié)構(gòu)具有良好的變形能力，適用于中低層建筑。

圖2 焊接板示意圖

由此表明，采用焊接連接技術(shù)的裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的受力性能，但承載力略顯不足，難以滿足高層建筑結(jié)構(gòu)的性能需求。此外，場內(nèi)焊接質(zhì)量難以控制，焊接后鋼連接件變脆，在地震作用下連接節(jié)點易發(fā)生脆性破壞，對結(jié)構(gòu)抗震性能產(chǎn)生不利影響。

3 預應力連接技術(shù)

預應力連接技術(shù)是在預制墻板間設(shè)置預應力筋，施加預拉力實現(xiàn)水平連接，從而形成整體結(jié)構(gòu)。Menegon 等[7]提出了一種適用于核心筒的預制混凝土墻板，對比研究了豎向接縫采用后張預應力連接技術(shù)（PTC）和焊接連接技術(shù)（WSP）的性能（見圖3），結(jié)果表明預應力連接的結(jié)構(gòu)剛度是焊接連接的40 倍，強度也顯著高于焊接連接。在PTC 基礎(chǔ)上，尹新生等[8]提出了一種具有齒槽構(gòu)造的預應力約束裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)（見圖4），時程分析表明：預應力約束裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)具有自適應變剛度能力，能夠有效降低90%的地震響應。

圖3 核心筒豎向接縫連接示意圖

圖4 預應力約束裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)

由此說明，預應力連接技術(shù)能夠確保裝配式混凝土剪力墻豎向接縫的連接性能，提高結(jié)構(gòu)的變形能力和震后可恢復性；與預應力技術(shù)相適配的豎向接縫構(gòu)造形式不多，且場內(nèi)后張拉工序比較煩瑣，效益不高，適用性不廣。

4 螺栓連接技術(shù)

與焊接連接技術(shù)相比，螺栓連接技術(shù)施工更加便捷，質(zhì)量更易于控制，是干式連接中應用最廣泛的連接技術(shù)。根據(jù)連接螺栓方向與墻體是否處于同一平面，螺栓連接技術(shù)可分為面外螺栓連接和面內(nèi)螺栓連接兩種形式。面外螺栓連接技術(shù)是螺栓連接中最常見的連接方式，具體指預制混凝土墻板間采用螺栓和外貼鋼板直接連接，預制混凝土墻板在外貼鋼板處設(shè)置鍵槽以限制鋼板發(fā)生滑移（見圖5）。Pekau 等[9]將該連接方式應用于大板結(jié)構(gòu)中，并開展相關(guān)研究，指出面外直接螺栓連接技術(shù)能夠滿足十層大板結(jié)構(gòu)的抗震要求。

圖5 面外螺栓連接技術(shù)

面內(nèi)螺栓連接技術(shù)具體表現(xiàn)為連接螺栓的方向與預制混凝土墻體處于同一平面，連接螺栓的抗剪作用與水平連接鋼筋基本等同。Wei Guo 等[10]提出了一種螺栓連接的低層預制混凝土墻板結(jié)構(gòu)（LPWSBC），該結(jié)構(gòu)連接節(jié)點由錨固鋼板和高強螺栓構(gòu)成，如圖6 所示。3 層1/2 縮尺模型振動臺試驗研究指出：該結(jié)構(gòu)整體剛度較大，在地震作用下大多數(shù)構(gòu)件始終處于彈性工作階段，在最大考慮地震作用（MCE）下，結(jié)構(gòu)倒塌概率幾乎為零，結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。黃煒等[11]對比研究了面外螺栓連接技術(shù)和面內(nèi)螺栓連接技術(shù)，結(jié)果表明兩種連接技術(shù)均滿足“強節(jié)點，弱構(gòu)件”的抗震要求，但面內(nèi)螺栓連接技術(shù)產(chǎn)生的豎向錯動變形更小。

圖6 面內(nèi)螺栓連接技術(shù)

由此表明，螺栓連接技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)預制混凝土墻板間可靠連接，面內(nèi)螺栓連接技術(shù)在受力性能上優(yōu)于面外螺栓連接技術(shù)。螺栓連接技術(shù)對預制混凝土墻板的生產(chǎn)和裝配精度要求較高；目前研究集中在中低層建筑，對高層建筑的適用性還需進一步探究。

5 結(jié)論

1）干式連接技術(shù)工業(yè)化、裝配化程度高，但對裝配精度要求也高，在承載力方面略顯不足，難以滿足我國對高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展需求。

2）螺栓連接是干式連接中施工最便捷、適用性最廣、建造成本較低的一種連接技術(shù)，能夠較好地響應現(xiàn)階段鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略政策，在低層住宅領(lǐng)域大有可為。相比面外螺栓連接技術(shù)，面內(nèi)螺栓連接技術(shù)具有更好的變形能力，是螺栓連接技術(shù)的重要發(fā)展方向。