預制裝配式剪力墻結構接縫的研究現狀

龔厚松, 孫金坤, 汪小平, 鄧晨曦, 楊 茹

(1.江西理工大學土木與測繪工程學院，江西贛州 341000；2.攀枝花學院土木與建筑工程學院，四川攀枝花 617000；3.西華大學應急學院，四川成都 6100392；4.攀枝花學院釩鈦學院，四川攀枝花 617000)

裝配式剪力墻結構有較好的抗震性能，因此裝配式剪力墻結構主要是用于中、高層建筑的抗側力結構。隨著建筑業的快速發展裝配式剪力墻結構更多的也在低、多層建筑中應用。裝配式剪力墻結構具有受氣候條件影響因素小等優點，是未來建筑業工業化發展的趨勢，這也符合我國綠色建筑和建筑工業化的發展需求。在新加坡、德國、法國、瑞典等國家，裝配式建筑的應用極為廣泛，在瑞典住宅所占的比例中更是高達95%。我國也在大力推動裝配式建筑的發展，這使得裝配式剪力墻結構不斷的優化和創新。

近年來裝配式建筑快速發展，裝配式剪力墻結構的需求也逐漸增多。接縫連接的可靠性一直是裝配式剪力墻結構的核心問題，為了提升經濟性、實用性和施工的效率，裝配式剪力墻結構連接節點中有了代替鋼筋連接的構件連接，如焊接、螺栓連接、專用連接器連接等[1]。雖然有關接縫的研究比較多，但仍需進行深入的全面的研究。裝配式剪力墻結構接縫的深入研究將使我國的建筑業由傳統粗放式的發展模式向節能、環保、可持續發展的模式轉變。

本文首先對預制裝配式剪力墻結構接縫進行了概述，然后對國內外的連接形式、連接技術、連接工藝和接縫的抗震性能進行了詳細的文獻綜述。

1 預制裝配式剪力墻結構接縫分類及受力

1.1 接縫的分類

預制剪力墻結構存在著大量的接縫，當外部載荷作用在結構上時，接縫處容易產生應力集中，從而導致結構產生裂縫甚至損壞。因此，良好的連接節點設計是保證裝配式剪力墻結構整體性的關鍵[2]。裝配式混凝土剪力墻結構每個單元間的連接根據連接位置的不同，可分為豎向連接和水平連接[3]。

豎向接縫連接技術主要有現澆帶連接技術、后張拉預應力技術、套筒灌漿連接技術等；預應力連接技術預制的剪力墻結構是通過張拉豎向及水平的預應力筋，使各預制剪力墻構件間有可靠的連接而形成的剪力墻結構體系[4]。界面混凝土連接主要有鍵槽連接、粗糙面連接和FRP連接技術等。水平接縫鋼筋的連接有整體套箍銷栓連接、螺栓連接、焊接等。

1.2 接縫的受力

剪力墻接縫主要受剪力，皮正波等[5]對鋼筋桁架疊合墻體的界面受剪性能進行了研究。結果表明鑿毛深度和桁架受剪配筋率與受剪承載力是正相關。理論上還推導了預制混凝土板和鋼筋桁架疊合墻體界面的抗剪強度設計見式(1)。

(1)

式中:As為疊合構件界面桁架腹筋配筋率；fb為桁架腹筋的屈服強度。

2 預制裝配式剪力墻結構接縫研究

2.1 豎向接縫連接的研究

Guo等[6]對有限滑移螺栓和預應力筋相結合進行了相關研究，采用角形鋼部件進行包裹保護(圖1)，結果表明：主體結構至實驗結束仍保持彈性，即連接方式可靠。

秦鵬等[7]對現澆剪力墻試件和2個豎向鋼筋用不同的連接方法，進行了對比研究。結果表明:現澆剪力墻試件為彎剪破壞，另外2個裝配式剪力墻試件為彎曲破壞；試件的位移延性系數與承載力高出現澆剪力墻試件，剛度與現澆剪力墻試件一致。

王濤等[8]制作了1個現澆剪力墻試件，2個豎縫連接的裝配式混凝土剪力墻試件，通過靜力試驗。結果表明：L型剪力墻的破壞模式為彎曲破壞，滯回曲線飽滿；變形能力和耗能能力與現澆剪力墻無明顯差異。

圖1 有限滑移摩擦螺栓連接

2.2 水平接縫連接的研究

孫健等[9]研究了螺栓連接的工字形裝配式剪力墻。結果表明：該裝配式剪力墻有著極高的承載力、延性和耗能能力。Ling等[10]用標準的鋼管設計了圓柱形的WBS套筒與錐形的THS套筒，并進行了單向拉伸試驗。結果表明：套筒的形狀對粘結強度有著重要影響。

Sungnam Hong[11]進行了搭接鋼筋反復拉壓的試驗研究，結果表明：搭接鋼筋能有效的傳遞應力，其各個性能良好。Rahman等[12]對灌漿套管進行了單向拉伸試驗。結果表明：套筒內壁的剪力鍵能夠增強灌漿料與鋼筋之間的粘結強度。

綜上所述，國內外學者對水平和豎向連接的受力性能進行了大量研究，但并未同時考慮豎向和水平接縫相互影響而進行研究。

3 預制裝配式剪力墻結構接縫新技術新工藝研究

潘廣斌等[13]提出了一種新型冷擠壓套筒鋼筋連接技術，鋼筋套筒尺寸如表1所示。試件進行擬靜力試驗的對比，結構破壞后套筒形態如圖2所示。結果表明:試件破壞形式相同均為壓彎破壞，即冷擠壓套筒鋼筋連接可以有效傳遞鋼筋的拉壓力，還具有良好的抗震性能。

表1 鋼筋套筒尺寸 單位：mm

圖2 破壞后套筒形態

圖3 鋼錨環灌漿連接

圖4 鋼筋漿錨連接

李然等[14]對鋼錨環灌漿連接(圖3)的接縫進行了直剪試驗，結果表明：鋼錨環灌漿連接性能可靠，初始剛度和承載力較高。當鋼錨環灌漿連接技術連接豎向接縫和鋼筋漿錨連接技術(圖4)連接水平接縫協同工作時，可以有效地連接多層預制剪力墻。

陳偉等[15]提出了新型大尺寸配筋齒槽連接技術(圖5)，配筋齒槽裝配式剪力墻鋼筋布置如圖6所示，并對試件進行對比分析。結果表明：配筋齒槽承擔了拼縫界面的大部分剪力，改善了接縫面的受力且實現了裝配式剪力墻接縫的彎剪受力分離。

圖5 配筋齒槽裝配式剪力墻構造

趙陽等[16]提出了一種用于低層的新型裝配式剪力墻結構體系(圖6)。將預制剪力墻、邊緣約束和水泥砂漿結合在一起，并進行低周往復加載試驗。結果表明：在一定范圍內增加軸壓比可以明顯提高墻體的承載力，整體性和抗震性能較好。其中試件的剛度退化是采用平均割線剛度的方法，計算平均割線剛度見式(2)。

圖6 配筋齒槽裝配式剪力墻鋼筋

(2)

式中：±Pi分別是第i級加載中正負向加載荷載的最大值;±Δi是與±Pi相對應的墻頂水平位移。

陳婷等[17]提出了一種新型“螺栓-連接件”式的水平接縫技術(圖7)，并利用ABAQUS建立了與現澆剪力墻結構試件的模型進行理論對比分析。結果表明：新型裝配式剪力墻結構試件的抗震性能優于裝配式剪力墻結構試件；承載力和剛度與現澆剪力墻結構試件一致。

圖7 新型裝配式剪力墻構造

4 預制裝配式剪力墻結構的抗震研究

4.1 剪力墻的抗震性能研究

秦士洪等[18]用擬靜力試驗來研究豎向接縫對預制裝配式L型剪力墻抗震性的影響，結果表明：對延性和耗能能力影響顯著。高林等[19]對型鋼預制裝配式混凝土剪力墻進行了試驗，結果表明：型鋼預制裝配式混凝土剪力墻比現澆墻體的抗震性能稍弱，但基本能夠實現“等同現澆”。薛偉辰等[20]提出并設計了在低軸壓比平面外對疊合剪力墻進行低周反復加載試驗。試驗的結果表明：疊合剪力墻主要是發生受彎破壞，與現澆剪力墻相比其平面外的抗震性能相近。

4.2 接縫的抗震性能研究

Srensen等[21]在傳統鋼錨環的基礎上進行了改進(圖8)。對鋼錨環的方向與位置進行了改變，經過對比試驗分析結果表明：新的連接構造可以有效提高試件的延性。Vaghei等[22]對一種內填橡膠的U形槽鋼連接進行了研究，研究表明：U形槽鋼連接有很好的柔性，耗能能力是水平鋼錨環的14～15倍。

圖8 傳統鋼錨環連接與改造鋼錨環連接的構造

趙斌等[23]對一種“螺栓-鋼連接件-套筒”全裝配預制剪力墻的水平接縫進行了試驗研究，結果表明：總體的抗震性能良好。汪夢甫等[24]將U型筋加入預制裝配式剪力墻的暗支撐體系中。試驗結果表明以U型筋連接代替格構鋼筋連接是有利于施工定位的，水平方向比豎向方向提高的性能更多。

張微敬等[25]對采用擠壓套筒和鋼筋搭接的預制框架結構試件與剪力墻試件做了相關的抗震性能研究，結果表明：連接構件抗震性能可滿足規范的要求。ClayNaito等[26]在一體化的疊合墻中加入了強剪力鍵并做了相關的試驗研究。結果表明：桁架式剪力鍵比針入式剪力鍵在抗剪響應方面更優越，提高了疊合墻結構的整體抗震性能。

4.3 剪力墻抗震的其他研究

朱張峰等[27]對混合裝配式混凝土剪力墻進行了有關的試驗與有限元數值模擬，結果表明：預制裝配式混凝土墻體的抗震性能優于現澆混凝土墻體。Smith等[28-29]研究了雙拼縫后張拉無粘結型預應力混凝土剪力墻的抗震性能。結果表明：雙拼縫剪力墻采用混合連接方式具有良好的延性，結構的殘余變形小，底部混凝土僅有輕微的損傷。

4.4 接縫抗震的其他研究

為了提高灌漿連接的整體抗震性能，Wu等[31]將焊接封閉鋼套筒與約束扣環鋼箍相組合進行了實驗，并設計研究了一種新型的NPGCS連接器[30]，研究表明：NPGCS連接的剪力墻承載力比現澆剪力墻高4%，但延性系數略低于現澆結構。Wall-shoes[32]連接的相關研究表明：螺栓的塑性伸長和螺母松動可以有效傳遞鋼筋應力，抗震性能良好。U形盒式連接[33]是2個U形鋼盒采用三向錨固連接而成，研究表明：預制裝配式墻體結構在強度、延性、抗側剛度等方面表現良好。Sun等[34]研發了一種螺栓-鋼框的干式連接，研究結果表明該連接方式有較好的延性、耗能能力和較高的承載力。

5 展望

預制裝配式建筑是發展趨勢，關鍵是預制構件之間的連接技術。目前灌漿連接應用最為廣泛，相關的理論研究也比較成熟，可用于抗震地區的承重構件連接；對于裝配式建筑的外墻會向結構保溫一體化的方向發展。通過對國內外連接技術的綜述、預制裝配式剪力墻自身的抗震性能和接縫抗震性能的研究分析，對各種連接方式的強度、耗能、利弊等進行了詳細的介紹。未來研究應考慮幾個方面：

(1)我國應大力開發新型的節能技術、接縫相關的處理技術、細部節點相關的處理技術等。

(2)連接技術的開發宜有傳力直接、質量可控、構造簡單、操作性強等特點。

(3)應有能廣泛應用于抗震的連接形式和可靠的質量控制措施。

(4)水平和豎向接縫相互影響下，預制剪力墻結構接縫的力學性能研究。

通過各種方法較為全面的解決裝配式建筑存在的問題，為預制裝配式建筑實現工業化奠定基礎。