裝配式混凝土預制柱接縫設計要點分析

王延臣， 高振旭

（1.天津子牙循環經濟產業投資發展有限公司，天津 301600；2.創意（天津）建筑科技有限公司，天津 301600）

裝配式建筑是指在工廠加工制作的構件運輸到施工現場，以可靠的連接方式在現場組裝而成的建筑。目前，裝配式鋼結構和裝配式混凝土結構是我國裝配式建筑應用最廣泛的兩種體系，而其中裝配式混凝土結構的應用比例最高。在裝配式混凝土結構中，預制構件間的連接是關鍵，其性能的優劣對整體結構的受力和抗震性能影響較大，對預制混凝土柱而言，其柱底水平接縫的受剪性能是影響結構受力性能的關鍵部位。預制柱底部接縫剪力由結合面混凝土的黏結強度、鍵槽或粗糙面、鋼筋的摩擦抗剪作用、銷栓抗剪作用承擔，其受剪機理主要有結合面摩擦機理、鋼筋銷栓受剪機理以及剪力鍵機理等。我國現行規范[1～2]對預制柱底部水平接縫的受剪承載力計算都有較為全面的要求和規定。國內外學者針對預制柱底部接縫受剪機理做了一部分研究，Birkeland P W等[3]針對裝配式混凝土柱的水平縫抗剪機理提出了有關理論，認為結構會在水平荷載的作用下沿著柱水平縫接觸面產生滑移，而鋼筋內沿其軸線方向存在拉應力，此拉應力會在混凝土接觸面上產生壓應力，接觸面為粗糙構造，因此在滑移的過程中這種壓應力會產生摩擦力，柱接觸面的抗剪承載力主要由此摩擦力構成。Mast R F[4]對19個具有中心裂縫的試件進行了試驗和數值模擬，以研究水平接縫的受剪機理，結果表明，水平接縫的抗剪強度受混凝土的強度和鋼筋數量的影響，但其并不顯著影響接觸面發生滑移的時機且水平接觸面的摩擦系數與混凝土強度無關。鄧艾等[5]等應用中國及日本規范水平縫抗剪承載能力計算公式，計算了96組截面的預制混凝土柱的承載能力并對中日規范進行分析總結，提出了改進的水平縫抗剪承載能力的計算公式，有限元分析結果表明，預制柱在小軸壓比下會發生水平縫的剪切滑移破壞，而中國規范關于水平縫的抗剪承載能力公式表明滑移破壞不可能發生，與實際結果有較大差異，準確性有待進一步研究。

某采用裝配整體式混凝土框架結構體系的多層建筑預制構件主要采用預制混凝土柱，預制柱應用比例為35%。本文以該工程為例，總結了預制混凝土柱底部接縫的受剪承載力計算方法，為預制裝配式建筑提供設計參考。

1 預制柱底部接縫受剪承載力計算方法

1.1 我國規范中規定的計算方法

我國現行規范[1]中給出了預制柱底部接縫受剪承載力的計算方法，該計算公式主要考慮了結合面摩擦作用和縱筋銷栓抗剪作用。

根據規范，預制柱柱底接縫的受剪承載力應符合下列規定[1]

持久設計狀況下

地震設計狀況下

在預制柱端部箍筋加密區，尚應符合下式要求

式中：γ0為結構重要性系數；Vjd為持久設計狀況下接縫剪力設計值；VjdE為地震設計狀況下接縫剪力設計值；Vu為持久設計狀況下柱端底部接縫受剪承載力設計值；VuE為地震設計狀況下柱端底部接縫受剪承載力設計值；Vmua為被連接預制柱端部按實配鋼筋面積計算的斜截面受剪承載力設計值；ηj為接縫受剪承載力增大系數，抗震等級為一、二級取1.2，三、四級取1.1；γRE為承載力抗震調整系數。

對于持久設計狀況，按式（1）進行驗算；對于地震設計狀況，柱端箍筋非加密區按式（2）進行驗算；柱端箍筋加密區則按式（2）和式（3）進行包絡驗算；承載力抗震調整系數受剪時取0.85。

式（3）主要是確保預制柱箍筋加密區底部接縫實現強連接，保證不在接縫處發生破壞，因此要求接縫的承載力設計值要大于被連接構件的承載力設計值乘以強連接系數。

地震設計狀況下柱端底部接縫受剪承載力設計值可按下式計算[1]

預制柱受壓時

預制柱受拉時

式中：fc為預制柱混凝土軸心抗壓強度設計值；fy為垂直穿過結合面鋼筋抗拉強度設計值；N為與剪力設計值V相應的垂直于結合面的軸向力設計值取絕對值進行計算；Asd為垂直穿過結合面所有鋼筋的面積。

預制柱底截面按實配箍筋面積計算的斜截面受剪承載力設計值Vmua，可按GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》中式11.4.7和式11.4.8計算。

該項目中預制柱截面尺寸為800 mm×800 mm，混凝土強度等級為C40，縱筋和箍筋采用HRB400三級鋼，抗震等級為二級，接縫受剪承載力增大系數為1.2，柱剪跨比為2.45，柱端加密區箍筋實配為8 mm@100 mm，箍筋面積為251.2 mm2，軸壓力設計值為1 120.8 kN，按式（2）和式（3）進行包絡計算，其中式（3）起控制作用。根據GB 50010—2010中式11.4.7，計算得到Vmua為1 065.9 kN。由式（3）和式（4），可得

可知，當預制柱實配縱筋面積＞2 799.7 mm2時，預制柱底部接縫受剪承載力可滿足要求。設計時，該預制柱實配縱筋為16根25 mm，縱筋總面積為7 856 mm2，滿足接縫受剪承載力驗算所需的鋼筋面積要求。

1.2 考慮滑移影響的計算方法

鄧艾等[5]通過對中日規范的分析總結，考慮彎矩及水平縫滑移破壞的影響因素，建立了改進的水平縫抗剪承載能力計算公式，在柱底發生滑移后，假設：受拉區由于鋼筋伸長應力達到屈服；受壓區由于鋼筋伸長應力釋放，為0，僅發揮銷栓作用。

水平縫的抗剪承載能力計算公式為

式中：N為預制柱在接縫處所受到的軸力；fy為受拉鋼筋的設計屈服值；As為受拉區鋼筋的截面面積；Nc為接縫處混凝土上承受的壓力；μ為接觸面的摩擦系數；Vc為水平縫處的摩擦抗剪作用；Asd為受壓區起到銷栓作用的鋼筋截面面積；fc為混凝土的抗壓強度設計值。

因計算公式中考慮了受拉區鋼筋拉應力對摩阻力的增強作用，此種計算方法計算得出的摩擦力較規范更大，銷栓作用更小。

2 預制柱底部接縫構造要點

2.1 鍵槽構造

預制柱底應設置剪力鍵，預制柱結合面設置鍵槽可提高接縫的受剪承載力，其受剪性能隨鍵槽端部傾角的減小而增大；但過小的傾角不易于施工。當剪力鍵位置較低時，會形成角部局壓破壞，導致強度下降。預制柱底部鍵槽應均勻布置，鍵槽深度不宜＜30 mm，鍵槽端部斜面傾角不宜＞30°[1]。

2.2 結合面粗糙度要求

隨著結合面粗造程度的增加，預制柱接縫處受剪承載力提高，故預制柱頂面和底面應設置粗糙面。預制柱頂應設置粗糙面，預制柱的底部應設置鍵槽且宜設置粗糙面，粗糙面的面積不宜小于結合面的80%，粗糙面凹凸深度不應＜6 mm[1]。

2.3 柱縱筋連接構造

預制柱中鋼筋接頭處套筒外側箍筋的混凝土保護層厚度不應＜20 mm；套筒間的凈距不應＜25 mm；柱縱筋直徑不宜＜20 mm；預制柱縱筋在柱底采用套筒灌漿連接時，柱箍筋加密區長度不應小于縱向受力鋼筋連接區域長度與500 mm之和；套筒上端第一道箍筋距離套筒頂部不應＞50 mm[1]。

3 預制柱設計注意事項

1）預制柱縱筋盡量采用大直徑鋼筋（d≥25 mm），以減少預制構件鋼筋數量以及鋼筋連接接頭數量。

2）梁布置時應控制梁柱偏心距不超過1/4，盡量不采用加腋方案，避免因加腋梁帶來的施工困難等問題。

3）梁布置時應盡量居中，當不能居中布置時，建議梁與柱邊錯開50 mm以上，以避免出現梁與柱一邊對齊時梁縱筋與柱縱筋位置沖突，施工時安裝困難等問題。

4）對偏心受拉的框架柱以及軸壓力較小的框架柱宜采用現澆法。

5）應盡量避免框架柱形成剪跨比＜2的短柱，因為短柱導致預制柱箍筋配筋增大，實配箍筋反算的柱端剪力Vmua過大，柱底接縫受剪承載力計算不易滿足規范要求。

4 結語

本文總結了預制柱底部接縫受剪承載力計算方法，包括我國規范中規定的和國內學者提出的兩種方法。通過對預制柱底部接縫受剪機理、接縫受剪承載力計算以及接縫縱筋連接構造等內容的分析和計算，給出了預制柱設計時的注意事項，可為類似裝配式建筑的設計提供參考。