預制裝配式剪力墻鋼筋連接方法研究進展

安賀舜 周德源

(同濟大學結構工程與防災研究所,上海 200092)

0 引 言

目前,裝配式建筑在我國開展的如火如荼。裝配式建筑具有“四節一環保”、生產效率高、施工速度快、質量易保證等優點,是我國建筑業轉型升級的必然選擇。剪力墻結構剛度大,具有良好的受力性能,是高層住宅的首選結構形式,也是我國裝配式建筑的主要結構形式。上下墻片通過豎向鋼筋連接成為整體,因此,豎向鋼筋的連接質量直接決定了裝配式剪力墻結構的受力和抗震性能。

國內外學者對鋼筋連接方法進行了大量研究,本文對研究成果進行了歸納和總結,按照構造形式的不同將剪力墻豎向鋼筋連接方法分為套筒灌漿連接、漿錨搭接、現澆段連接、混合連接、螺栓連接五類。對每種方法的優缺點進行了概括和評價,最后對今后的研究進行了展望。

1 套筒灌漿連接

1.1 連接構造

鋼筋套筒灌漿連接是指在預制混凝土構件內預埋的金屬套筒中插入鋼筋并灌注水泥基灌漿料而實現的鋼筋連接方式[1],如圖1所示。全灌漿套筒兩端都是灌漿連接,半灌漿套筒下端采用灌漿連接,上端采用螺紋連接。灌漿料是指以水泥基為基本材料,并配以細骨料、外加劑及其他材料混合而成的用于鋼筋套筒灌漿連接的干混料[2]。

圖1 鋼筋套筒灌漿連接Fig.1 Grout sleeve splicing of rebars

1.2 研究現狀

錢稼茹等通過試驗和理論分析系統研究了套筒灌漿連接的性能[3-6],結果表明,在破壞形態上,預制和現澆試件具有一致性,為邊緣構件縱筋屈服,墻體底部混凝土受壓破壞。鋼筋應力在套筒處可以有效傳遞,預制試件的極限位移角高達1/59～1/48。同時嘗試了豎向分布鋼筋采用單排套筒連接,結果表明,此法是可行的,試件極限位移角達1/60。這種方法顯著減少了套筒數量,簡化了施工難度。

陳彤、徐巍等[7-8]介紹了鋼筋套筒灌漿技術的實踐案例,詳細介紹了套筒灌漿連接的設計方法、應用集成、技術特點、關鍵施工要點及注意事項。實踐表明,鋼筋套筒灌漿連接具有切實的技術可行性,可以很好地達到規范要求的各性能指標,具有良好的經濟和社會效益。

1.3 評價與建議

套筒灌漿連接在日本、歐美具有多年的應用經驗,并在地震中表現出了良好的受力性能,在我國具有大量的工程應用,驗證了其安全性,是一種可靠的連接方式。套筒灌漿連接應用范圍廣泛,適用于各種高度、各種結構形式的預制裝配式剪力墻結構。相比于其他連接方式,套筒灌漿連接錨固長度短,節約材料,力學性能可靠,可看做機械連接。

但是套筒灌漿連接也存在明顯的缺點,該方式構造復雜,精度要求高,一旦某根鋼筋位置出現偏差,便可能造成整批構件報廢。套筒灌漿連接施工質量不易檢驗,施工不方便,效率較低,對現場工人技術要求較高。此外,套筒造價高昂,大大降低了造價經濟性。

綜合來看,套筒灌漿連接目前技術最成熟、應用最廣泛的豎向鋼筋連接方法,但是也存在諸多缺點,建議今后的研究可以就施工復雜、造價高昂的缺點進行針對性改進以提高套筒灌漿連接的實用性和經濟性。

2 漿錨搭接

鋼筋漿錨搭接連接是指在預制混凝土構件中預留孔道,在孔道中插入需搭接的鋼筋,并灌注水泥基灌漿料而實現的鋼筋搭接連接方式[1]。

2.1 螺旋箍筋約束的漿錨搭接

螺旋箍筋約束的插入式預留孔灌漿鋼筋搭接是我國自主研發的一種鋼筋連接形式:在預制構件下端預留內壁為粗糙面的孔洞,安裝時,下部墻體的預留鋼筋插入的孔洞,然后灌入灌漿料使鋼筋連為一體。另外,通過沿孔洞長度方向設置螺旋箍筋,進一步增強接頭的連接性能,如圖2所示。

姜洪斌等設計完成了錨固、搭接、足尺擬靜力和擬動力試驗[9-12]。錨固、搭接結果表明,試件破壞全部為鋼筋屈服或拉斷,錨固性能非常可靠并根據試驗結果總結出此連接基本錨固長度為0.8la。如果構件中設置了螺旋箍筋,采用基本錨固長度即可滿足縱筋的搭接要求,即ll=la。足尺模型試驗結果表明,在試驗結束時層間位移角均大于規范要求的1/100,延性良好。在7度設防區內達到了抗震設防目標,可以應用于地震設防區。

圖2 插入式預留孔灌漿鋼筋搭接Fig.2 Plug-in filling hole for steel bar lapping

錢稼茹等[13]對4個配有螺旋箍筋的漿錨搭接預制剪力墻試件進行了研究,結果表明:該方式可以有效傳遞縱筋和分布鋼筋的應力,試件滯回曲線飽滿,極限位移角為1/42～1/36。但其破壞形態與現澆試件有所區別,考慮到這一因素,不建議該方式應用于抗震等級為三級及以上的剪力墻。

2.2 NPC結構

NPC(New Precast Concrete)是指從澳大利亞引進的一種新型預制裝配式剪力墻結構,該種結構是把下部墻體的預留鋼筋插入上部墻體的預留孔道,孔道采用金屬波紋管成孔,最后灌注灌漿料形成整體,如圖3所示。此種結構已有較多的工程應用。

圖3 NPC結構(單位:mm)Fig.3 NPC structure (Unit:mm)

朱張峰等對NPC體系進行了系統研究,完成了剪力墻構件以及單跨三層平面模型的抗震性能試驗[14-16]。由試驗可知,NPC試件在承載力、位移延性方面的表現較好,耗能能力、剛度與現澆墻體不相上下。預制剪力墻性能的提高幅度可以抵消鋼筋用量增加帶來的成本問題。試驗及有限元分析表明,使用具有良好延性的HRB400級鋼筋可以保證NPC節點的受力性能及承載能力,構造措施可取為;連接鋼筋伸入梁內1 250 mm、墻內750 mm。

陳耀鋼、張軍等[17-19]介紹了NPC結構體系的應用案例,詳細闡述NPC體系的設計和施工要點,為該體系的推廣積累了實踐經驗。

2.3 套筒約束漿錨搭接

余瓊提出了一種新型漿錨搭接接頭[20-21],如圖4所示,鋼筋通過搭接連接,在接頭外部設置套筒,套筒約束了混凝土,可以顯著減少裂縫。此種方式不僅造價經濟,而且便于施工。

圖4 Ⅰ型和Ⅲ型接頭Fig.4 TypeⅠand type Ⅲ connection

余瓊等設計了126個接頭單向拉伸以及3片剪力墻試驗來驗證此種接頭的力學性能,結果表明,接頭的主要破壞形式為鋼筋拉斷和灌漿料滑移。鋼筋應力在接頭處可以有效傳遞,預制墻耗能能力和承載力均不低于現澆試件,且預制墻的開裂荷載更高。同時給出了搭接長度取值:Ⅰ型接頭為12.5ds,Ⅲ型接頭為20ds(ds為搭接鋼筋直徑)。

2.4 墩頭鋼筋預留孔灌漿連接

墩頭鋼筋預留孔灌漿連接是指在上層墻體底部預留孔道,下層預留鋼筋伸出墻頂,并將鋼筋墩頭,安裝時,在孔道中插入墩頭鋼筋,之后灌注灌漿料形成整體,如圖5所示。

圖5 墩頭鋼筋預留孔連接Fig.5 Button-head steel bars in grouted reserved holes

劉程煒等[22-25]對墩頭鋼筋預留孔灌漿連接進行了系統研究,完成了錨固性能及預制剪力墻構件抗震性能試驗,結果表明:試件的承載力與軸壓比呈正相關,延性則與軸壓比呈負相關,每個試件的極限位移角均在1/50以上,能量耗散系數在0.3～1.2之間,比現澆構件略好。墻身裂縫近似為X形,連接處混凝土出現水平通縫,此種連接方式可用于低層、多層建筑,同時建議錨固長度為0.6lab,預留孔直徑取50 mm。試驗還證明了再生混凝土可用于加工預制構件。

2.5 評價與建議

漿錨搭接具有多種構造形式,其中以螺旋箍筋約束的漿錨搭接和NPC結構應用最為廣泛。這兩種鋼筋連接方法的安全性得到了實際工程的驗證,但是其應用集中于低層、多層結構,在高層結構中的應用需要專門論證,有待進一步驗證,因此其應用范圍受到一定限制。

漿錨搭接原理簡單,操作方便,只需要將鋼筋插入預留洞,然后灌漿就能實現連接,可以大大提高構件加工和安裝速度,施工效率得到明顯提高。但是由于鋼筋與預留洞要一一對應,對試件制作和施工精度要求較高,且過長的搭接長度造成了較大的鋼材浪費。

總的來說,漿錨搭接是低層、多層結構中一種可選的鋼筋連接方式,建議今后就其在高層結構中的應用展開研究。

3 現澆段連接

現澆段連接是指在上下預制剪力墻之間預留混凝土現澆段,在現澆段內把鋼筋連接成為整體。

3.1 擠壓套筒連接

鋼筋套筒擠壓是機械連接的一種形式,JGJ 107—2010《鋼筋機械連接技術規程》詳細規定了有關事項。當墻體采用擠壓套筒連接時,在墻底與下層水平后澆帶之間設置后澆段,在后澆段內安裝擠壓套筒以實現鋼筋的連接,最后澆筑后澆段混凝土使墻體形成整體。

李寧波等[26-27]對擠壓套筒連接進行了試驗研究,結果表明,剪力墻破壞形態為縱筋屈服、墻底混凝土壓潰,為壓彎破壞;滯回曲線存在捏攏,各構件極限位移角均大于1/80,承載力均大于規范的要求值,試件破壞時,擠壓套筒沒有任何破壞,接縫完好無裂縫,鋼筋沒有滑移現象,總體來說,鋼筋應力可以通過套筒擠壓連接順利傳遞,可以滿足“三水準”抗震性能的要求。

3.2 套箍連接

錢稼茹等通過試驗研究了套箍的受力性能[5],把U形鋼筋分別預埋在預制墻和地梁內,使其在預留的現澆段內形成套箍。試驗表明,現澆段頂部混凝土很難澆筑密實,出現了水平通縫,是破壞的主要部位,達到峰值后承載力下降很快,不建議在工程中應用。

此后,多名學者對套箍連接進行了改進研究。

余志武等[28]提出一種新型U形套箍連接,在預制構件預留U形筋形成套箍的基礎上,設置平行于現澆段的通長鋼筋,最后澆筑混凝土使墻體形成整體,如圖6所示。試驗表明,節點抗拔力與U形筋的埋置深度呈正相關,節點破壞的主要形式是彎曲或彎剪破壞,構件延性系數均在2.5以上;鋼筋間的應力可以有效傳遞,但是試驗中同樣出現了新舊混凝土結合不佳、產生通縫的現象。

圖6 U形套箍連接Fig.6 U-shaped ferrule connection

焦安亮等[29]發明了基于環筋扣合錨接的連接方式:上下剪力墻伸出U形鋼筋在節點處扣合錨接,并對箍筋進行加密。進行了15個試件的擬靜力試驗,結果表明:預制試件的極限位移角在1/82～1/50之間,位移延性系數在4～7之間,試件的破壞模式、承載能力、延性、耗能能力均與現澆試件一致。

王墩等[30]提出了接縫連梁連接方法,上下墻體預留矩形筋,在接縫內設置通長鋼筋,最后澆筑接縫處混凝土形成接縫連梁。試驗結果顯示:預制墻的破壞模式與現澆墻相似,均為彎剪破壞,接縫連梁位于墻體中部時的破壞程度小于接縫連梁位于底部。預制墻體變形能力略遜,但極限位移角大于1/100,延性、剛度退化與現澆試件不相上下,但是試驗中也出現了現澆段難以澆筑密實的問題,出現了薄弱面。

3.3 齒槽連接

張錫治等[31]研究了墻體齒槽式連接方法:在墻體端部設置齒槽,齒槽內的鋼筋自由搭接,然后在齒槽內澆筑混凝土形成整體,如圖7所示。

圖7 齒槽連接(單位:mm)Fig.7 Prefabricated alveolar connection (Unit:mm)

張錫治等設計完成的試驗表明:墻體的破壞形態均為縱筋屈服,角部混凝土受壓破壞,極限位移角為1/48～1/53。預制試件承載力、變形耗能能力、裂縫分布規律與現澆試件一致,但是此種方法要求鋼筋搭接長度較長,否則屬于不等強連接,在實際應用中需要進行專門論證。

3.4 評價與建議

現澆段連接構造簡單易懂,原理清楚明了,理論上施工效率高、經濟成本低,但是現澆段連接方法的安全性沒有經過工程實踐的檢驗,而且不同學者得出的結論也不盡相同,就其安全性和適用性存在分歧。因此,建議加強對現澆段連接安全性的研究,使其能早日應用于工程實踐。

4 混合連接

混合連接是指采用兩種或以上連接方法連接上下剪力墻水平接縫的措施。

4.1 U形閉合筋+漿錨搭接

剪力墻中部預埋金屬波紋管形成預留孔道,采用漿錨搭接,左右兩端采用設置現澆段的U形閉合筋連接,如圖8所示。劉家彬等[32]完成了低周反復試驗,結果顯示:預制試件為彎剪破壞,極限位移角為1/46,位移延性系數為4,均滿足規范要求。在開裂荷載、初期剛度方面,預制構件略遜,但峰值荷載表現更好。通過合理的構造可以滿足“等同現澆”的要求。

圖8 U形閉合筋連接Fig.8 U-shaped closed reinforcements connection

4.2 現澆段+套筒灌漿連接

在混凝土底部設置550 mm高的后澆區,鋼筋在后澆區內搭接連接;在支腿內,使用灌漿套筒連接鋼筋,在新舊混凝土連接的地方設置粗糙面或鍵槽,如圖9所示。

圖9 現澆段混合連接(單位:mm)Fig.9 subsequent concrete casting connection (Unit:mm)

李剛等[33]設計完成了試驗來驗證此方法的可行性,結果表明:通縫產生于后澆區上方和墻底水平接縫處;預制試件的破壞模式、滯回特征、延性、剛度退化等指標與現澆試件一致,承載能力相差最大值為5.7%,預制試件極限位移角大于1/87,位移延性系數在4.1以上,試驗中豎向接縫未開裂,整體性和抗震性能優異。

4.3 評價與建議

混合連接可以發揮不同連接方式的優點,使結構受力性能得到改善,可以根據不同剪力墻的形狀、尺寸靈活設置各連接方式的位置,但是其構造過于復雜,生產和施工效率低下,施工質量難以檢驗,而且其安全性沒有經過工程實踐檢驗,尚處于研究階段,因此建議今后的研究中針對整體結構安全性不足和構造復雜的缺點進行優化。

5 螺栓連接

螺栓連接在現場幾乎不需要現澆混凝土濕作業,大大提高了施工效率,但國內目前螺栓應用并不廣泛。

5.1 濕式螺栓連接

同濟大學聯合有關單位開發了一種豎向使用螺栓連接、樓板使用SP疊合板的裝配整體式混凝土剪力墻體系,如圖10(a)所示。上層墻體預留螺栓孔和安裝孔,下層墻體的預留筋伸入螺栓孔并灌入水泥砂漿,然后在安裝孔內固定螺栓,最后通過現澆混凝土封堵安裝孔,使墻體連接成整體。

圖10 螺栓連接Fig.10 Bolted connection

薛偉辰等[34]對該體系進行了試驗研究,結果表明:剪力墻的破壞形式為受彎破壞,縱筋屈服,拼縫處混凝土受壓破壞。抗彎承載力方面,預制與現澆試件不相上下,抗彎安全系數達1.35,抗剪安全系數約2.9,具有良好的安全性和延性。同時建議對于一些薄弱部位應加強約束。

龍莉波等[35]介紹了螺栓連接在上海周康航動遷安置房項目中的應用,闡述了一套高效適用的螺栓連接施工方法。實踐證明,該種連接方法具有很強的技術可行性,施工效果良好,施工質量得到了有效控制。

5.2 干式螺栓連接

孫建等[36-37]提出了一種水平接縫干式連接方案,在剪力墻兩端設置內嵌邊框,采用連接鋼框和高強螺栓將墻體連接成整體,如圖10(b)所示。試驗結果表明:鋼框的變形特點與預制剪力墻基本一致,該結構具有良好的延性,延性系數大于3.7,但是預制剪力墻的變形能力受連接件影響較大,同時應注意控制施工誤差以避免連接鋼框局部屈屈。

5.3 評價與建議

螺栓連接理念先進,現場幾乎不需要濕作業,施工效率極高,施工質量易于控制和檢查,符合裝配式建筑的發展理念。濕式螺栓連接已經有一定的工程經驗,安全性得到有效保證,在小高層中得到了一定應用。干式螺栓連接不需要任何現場濕作業,充分發揚了裝配式建筑的優點,施工效率高,但是端部使用鋼板很多,大大增加了鋼材用量,提高了工程造價。

總的來說,螺栓連接是一種具有研究價值和應用前景的連接方法,其干式連接的思想具有無比的先進性,建議今后加強對螺栓連接的研究,使其能更好地服務于工程建設。

6 國外研究進展

國外對預制裝配式建筑研究起步較早,但多集中于框架結構,對預制裝配式剪力墻結構研究較少。研究重點為節點的連接方式、受力性能和結構整體性,典型代表為美國國家科學基金(NSF)資助的、美日聯合的PRESSS項目[38]。

以Soudki為代表的團隊[39-41]進行了鋼筋機械連接、焊接連接、螺栓連接、軟鋼加固、后張無粘結預應力鋼筋等不同連接形式的預制剪力墻試驗,證明了上述連接方式應用于地震區的可行性。

Rizkalla[42]研究了接縫處設置抗剪連接鍵對預制裝配式剪力墻受力性能的影響,結果表明,抗剪鍵可以有效提高水平接縫處的抗剪承載力。

Smith等[43]提出了一種新的連接形式,在結構中同時使用普通鋼筋和預應力鋼筋,試驗證明了在地震中,普通鋼筋可以用來耗能,而預應力鋼筋可以用來提供承載力和自恢復能力。

7 結 論

從現有的研究可以看出,預制裝配式剪力墻鋼筋連接方法已經取得大量的研究成果,為我國預制裝配式建筑的發展提供了堅實的理論和試驗依據,但仍存在一些問題,可以從以下幾個方面深入研究:

(1) 目前研究多集中于構件層面,整體結構的研究很少。建議加強以結構為研究對象向的抗震性能研究,更好地指導工程實踐。

(2) 目前研究集中于需要現場澆筑混凝土的“濕連接”,對于無須現澆混凝土的“干連接”研究較少。建議加強螺栓連接、焊接連接、后張無粘結預應力連接等“干連接”的研究。

(3) 目前研究以試驗研究為主,理論分析較少,建議加強裝配整體式設計理論和方法研究,以擴大裝配式結構的應用范圍。

(4) 目前的研究多以“等同現澆”為基本理念,節點多為強連接,造成節點處剛度大、配筋多,建議今后可以突破“等同現澆”的思維限制,對節點“弱連接”開展研究。