全螺栓連接混凝土剪力墻施工技術的應用

張樹海（山西國峰煤電有限責任公司，山西 汾陽 032200）

混凝土剪力墻是建筑中最常用的結構類型之一，特別是在地震多發地區[1]，混凝土剪力墻具有足夠的抗側向剛度[2]。李錫洲等[3]對循環荷載下的再生混凝土墻體試樣進行了研究，研究發現，軸向荷載的增加導致鋼筋混凝土剪力墻具有較高的峰值載荷，且存在較低的極限漂移能力；潘晨等[4]研究了低矮超高性能纖維增強混凝土剪力墻抗震行為，研究表明，鋼纖維的存在增強了剪力墻的強度、約束性和裂縫寬度控制能力；李力怡[5]等研究了多預埋鋼型材復合剪力墻，研究發現，在混凝土剪力墻中使用多埋鋼是提高結構延性的有效方法。但上述研究方法所研究的混凝土剪力墻仍具有較低的抗震性能，無法滿足高烈度地震區的應用[6]。而全螺栓連接混凝土剪力墻目前主要應用在裝配式混凝土中，較少應用在混凝土剪力墻中。

因此，本文進一步研究全螺栓在混凝土剪力墻結構中的應用，進一步將全螺栓連接構件擴展到剪力墻結構。

1 全螺栓混凝土剪力墻試樣設計

1.1 試驗材料

試驗中使用的材料包括再生混凝土、箍筋用HPB300鋼筋、縱向鋼筋用HRB335鋼筋、全螺栓連接用Q235鋼材[7]。

再生混凝土抗壓強度為30MPa，再生粗骨料替代率為100%。骨料尺寸范圍為5mm～20mm，所用細骨料為普通河砂，所用水泥為普通硅酸鹽水泥P·O 42.5，所用外加劑為聚羧酸高效減水劑。骨料的主要物理特性見表1，配合比見表2，該配合比是根據骨料的性質和工程實際情況設計的，強度滿足C30混凝土的要求[8]。根據試件試驗，HPB300鋼筋的彈性模量為2.09×105MPa，屈服強度和極限強度分別為505MPa 和630MPa；HPB335 鋼筋的彈性模量為2.13×105MPa，屈服強度和極限強度分別為543.3MPa和669.1MPa；Q235鋼的彈性模量為2.0×105MPa，屈服強度為235MPa。

表1 再生骨料材料特性

表2 再生混凝土配合比

1.2 全螺栓連接設計

本研究提出采用全螺栓端板連接制作再生混凝土剪力墻，雖然已經對螺栓端板進行了大量測試，但很少有研究將其視為全復合連接。試樣包括一個可拆卸的混凝土剪力墻和預埋端板。可拆卸混凝土墻由縱向鋼筋、橫向箍筋和混凝土組成，端板預埋在墻內。混凝土墻的縱向鋼筋焊接在預埋工字鋼的翼緣板上。此外，端板上還焊接了一系列剪力螺栓，以確保結構的錨固和抗剪能力。墻端預埋的端板不僅為全螺栓拆卸提供了足夠的空間，還為剪力墻提供了較高的平面內和平面外承載力，符合設計原則。端板上的超大孔洞考慮到了全螺栓連接的拆卸和重建公差。在施工過程中，一旦完成上墻和下墻的對齊，就可以安裝螺栓，并以適當的設計扭矩將其擰緊在兩個端板上[9]。然后，在全螺栓連接處涂上適當的防火和防腐蝕涂層。需要拆除時，可松開螺栓，進行反向施工。

1.3 試件設計

本文共設計四種全螺栓連接的再生混凝土剪力墻，分別為低矮剪力墻（LW）、全螺栓低矮剪力墻（DLW）、細長高剪力墻（HW）和全螺栓細長高剪力墻（DHW）。主要參數為長寬比和裝配方式，如表3所示。

表3 試件設計

長寬比為3的細長墻的抗彎能力小于抗剪能力，而長寬比為1.25 的低矮剪力墻的抗剪能力小于抗彎能力。此外，還制作了兩個全螺栓連接的現澆試件，以比較在相同長寬比條件下現澆試件和全螺栓連接試件的力學性能。

剪力墻截面為工字形截面，兩端設置了端柱。截面總寬度為800mm，端柱寬度為100mm，墻體厚度為130mm，端柱厚度為200mm。端柱的縱向配筋率為2.45%，箍筋體積率為0.89%，混凝土墻的配筋率為0.47%，符合現行混凝土剪力墻規范的要求[10]。

1.4 測試方法

本研究軸壓比設置為0.2，據此在剪力墻頂部施加692.8kN的恒定垂直荷載，并通過專門設計的裝置將荷載傳遞到試件上，該裝置與高強度鋼制成的垂直千斤頂相匹配，試驗采用了潤滑劑以減少摩擦，試驗期間垂直千斤頂可隨墻壁在水平方向自由移動。同時，水平滾柱支架用于連接垂直千斤頂和墻壁，確保加載方向始終與墻面垂直。采用法向荷載-位移雙控制加載系統來獲得剪力墻的抗震性能。然后使用高液壓推桿提供側向荷載，荷載通過一個定制的荷載傳遞支架施加到試件上。該支架由兩塊厚鋼板和六根直徑為32mm的鋼筋組成。全螺栓連接試樣的拆卸性通過試驗校準。首先，在3mm 和5mm 位移加載循環中，通過拆卸螺栓的方法探討了不同數量螺栓對剪力墻剛度的影響。在3mm 位移荷載循環中，分別測試拆卸2 個螺栓和4個螺栓的情況；在5mm位移荷載循環中，分別測試拆卸2個螺栓、4個螺栓和6個螺栓的情況。

2 結果分析

2.1 骨架曲線

以峰值荷載和相應位移為標準獲得無量綱荷載-位移曲線，即標準化骨架曲線，如圖1 所示。由圖可以看出，DHW 和HW 試樣的標準化骨架曲線基本重合。在達到峰值荷載后，承載力緩緩下降，這表明試樣具有良好的延性。試樣LW和DLW的標準化骨架曲線則截然不同。DLW 試樣的最大承載力明顯小于LW 試樣，峰值載荷對應的位移也小于LW 試樣。同時，DLW 試樣的剛度也小于LW試樣。DLW的承載力在達到峰值荷載后有急劇下降的趨勢。因此，DLW 試件的抗震性能略低于LW試件。

圖1 標準化骨架曲線

表4 為各試樣不同階段的荷載和相應位移。由表4 可以看出，DHW 的屈服位移最大（18.61mm），HW、LW、DLW 的屈服位移分別下降12.09%、76.30%、72.65%。此外，LW試樣在地震過程中達到峰值載荷后荷載下降較快。由于DLW 試件采用全螺栓連接，中間部分約占總體積20%的混凝土被端板取代，這部分剛度遠小于實心混凝土的剛度，導致DLW 試樣在初始階段的剛度相對較小。LW 試件最大峰值載荷為453.5kN，而DHW 的最大峰值載荷僅為217.6kN。而當達到峰值荷載時，試件DLW 邊緣的混凝土損壞，縱向鋼筋與端板之間的焊接失效。在水平荷載作用下，試樣發生了較大變形，而荷載主要由底部鋼筋承受。因此，DHW和HW試樣的力學性能相似，但HW的抗震性能優于DHW，而DLW 試樣的剛度和延性略低于其他試樣。

表4 荷載-位移曲線特性

2.2 能量消耗

圖2 為墻體各荷載等級的能耗與相應漂移比之間的關系。可以發現，DHW和HW試樣的能耗-漂移比曲線基本相同，表明這兩種試樣的能耗性能非常接近。同時，兩個試樣的能耗隨漂移比的增加呈線性增長趨勢。當試樣漂移比達到1.4%時，曲線的斜率突然發生變化并大幅增加，這個突變點與剪力墻的屈服點基本一致。說明鋼筋屈服后，這兩個剪力墻的能耗急劇增加。當漂移比為2.5%時，HW、DHW、LW、DLW 的最大能量耗散分別為20kJ、17kJ、13kJ、9kJ。而DLW 和LW試件的能耗曲線有一定的變化，DLW 與LW 試樣在漂移比0.8%后，LW 能耗變化幅度較大，直至能耗達到13kJ。LW 試件的曲線為兩折線，與細長墻的曲線相似。鋼筋屈服后，墻體的能耗急劇增加。然而，DLW的能耗曲線基本呈線性，沒有明顯的突變，表明屈服后墻體的能耗沒有顯著增加，這主要是由于DLW 試樣中的全螺栓連接損壞所致。在試驗過程中，該墻體上部的變形在屈服后呈現平移特征，整個墻體的能耗沒有明顯改善。

圖2 能量消耗變化

2.3 施工建議

在全螺栓連接混凝土剪力墻結構施工過程中，應注意板柱翻筋保護層的厚度，一般為15mm和25mm，可采用同等強度的混凝土墊塊，合理布置，并在中間部位設置捆線，保證墊塊能均勻分布在鋼筋表面。為保證墻與梁的交接部位完全閉合，采用網篩對其進行表面處理，并留下20mm～45mm 的岔口，為螺栓支護打下堅實的基礎。采用夾具對鋼筋的間距進行合理的控制。當建筑環境許可時，應采用角鐵制造夾具，并確保邊緣尺寸等級、圓柱接口尺寸、內部邊緣尺寸等與保護層的厚度一致。

為了提高全螺栓連接混凝土剪力墻的工程質量，必須對施工過程中的質量進行控制，特別是對施工工藝的控制。在以往的建設項目中，經常會發生開裂和坍塌等質量問題，為了避免這一現象的發生，必須掌握好施工的關鍵，充分利用其在施工中的技術優勢。因此，在施工前，要對施工人員進行全螺栓連接混凝土剪力墻施工技術知識的培訓，明白施工要點和施工中需要注意的問題，按照流程和計劃把各個階段的施工做好，達到正確運用施工技術的目的。

3 結語

當漂移比為2.5%時，HW、DHW、LW、DLW 的最大能量耗散分別為20kJ、17kJ、13kJ、9kJ。所提出的全螺栓連接對大長徑比剪力墻的承載力和傳遞方式影響有限，而長徑比則顯著改變了小長徑剪力墻的抗剪能力。對于長寬比較大的剪力墻，墻體仍以彎曲為主。然而，對于長徑比較小的剪力墻，由于全螺栓連接實際上改變了重復使用試件的長寬比，因此，剛度和延展性略低于其他試件，且HW 試件抗震性能優于DHW、LW、DLW。