預(yù)制裝配式剪力墻豎向連接形式研究

預(yù)制裝配式剪力墻豎向連接形式研究

在國外的許多發(fā)達(dá)國家，裝配混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)研究了幾十年，形成了符合其自身特點的裝配混凝土結(jié)構(gòu)體系1.4。目前,隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,特別是可持續(xù)發(fā)展觀念的深入,對具有低碳、綠色、環(huán)保、節(jié)能等特點的裝配式混凝土建造形式的研究逐漸升溫。實現(xiàn)工業(yè)和民用建筑物的建造方式的根本轉(zhuǎn)變,不但是貫徹國家建筑工業(yè)化和住宅產(chǎn)業(yè)化的總體部署,也是轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式,改善民居、民生條件的客觀要求。近年來,從國家有關(guān)部委,到地方政府部門、開發(fā)商以及包括高校在內(nèi)的各類研究機(jī)構(gòu)都在探尋符合我國國情的住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展途徑。預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)是一種面向高層、小高層民居住宅的結(jié)構(gòu)形式,其大部分構(gòu)件于工廠預(yù)制,在施工現(xiàn)場進(jìn)行組裝。較現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)建造方式更能節(jié)約能源和材料,縮短工期,具有廣泛的發(fā)展空間［5－6］。因此,在我國的預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系發(fā)展中,預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)占有重要比重。為了進(jìn)一步明確預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)體系的研究重點,吸收國內(nèi)外同行在該領(lǐng)域的研究經(jīng)驗,針對裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題之一,即剪力墻豎向連接(水平縫連接)問題進(jìn)行探討。本文系統(tǒng)地總結(jié)了正在不斷革新和發(fā)展的七種節(jié)點連接形式,試圖通過對各種連接形式的優(yōu)勢及存在問題進(jìn)行總結(jié),供從事裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計和新型連接形式的研發(fā)人員以參考和借鑒。1設(shè)計原則是預(yù)制安裝式輥連接的垂直連接1.1剪力墻破壞形態(tài)剪力墻是截面高度大而厚度相對較小的“片”狀結(jié)構(gòu),有承載力大和抗側(cè)剛度大等優(yōu)點,也具有破壞延性較小,平面外較薄弱的不利性能。在豎向荷載和水平荷載的作用下,剪力墻的破壞形態(tài)可以歸納為彎曲破壞、彎剪破壞、剪切破壞和滑移破壞,如圖1所示。在設(shè)計時應(yīng)盡可能避免剪切破壞先于彎曲破壞、混凝土的壓潰先于鋼筋的屈服以及鋼筋的黏結(jié)錨固破壞先于構(gòu)件破壞。兩端設(shè)約束邊緣構(gòu)件不但能較顯著地提高墻體的延性,還能防止剪力墻發(fā)生過大的水平剪切滑動,提高抗剪能力。剪力墻的配筋設(shè)計主要考慮約束邊緣構(gòu)件的配筋、墻身的配筋以及連梁的配筋,應(yīng)該滿足正截面受彎和斜截面受剪承載力要求、最小配筋率的要求以及剪力墻配筋的構(gòu)造要求等。1.2裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計要求裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的豎向連接應(yīng)遵循以下設(shè)計原則［7］:1)連接設(shè)計滿足結(jié)構(gòu)承載力和抗震性能要求;3)連接破壞不應(yīng)先于構(gòu)件破壞;4)連接的破壞形式不能出現(xiàn)鋼筋錨固破壞脆性形式;5)連接構(gòu)造應(yīng)符合整體結(jié)構(gòu)的受力模式及傳力途徑。此外,剪力墻豎向連接采用標(biāo)準(zhǔn)化方法,以提高構(gòu)件連接的可靠性、制作安裝效率和連接質(zhì)量。連接設(shè)計是裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。預(yù)制剪力墻構(gòu)件之間的連接必須有效地將單個結(jié)構(gòu)構(gòu)件互相連成統(tǒng)一的整體,使整個建筑結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)一致。連接設(shè)計首先要保證在荷載作用下連接部位自身的強(qiáng)度不能成為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),保證連接部位能平順地傳遞內(nèi)力,發(fā)揮連接功能。其次還要求連接部位具有足夠的剛度以及良好的恢復(fù)力特性。因此,合理的連接形式是預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)得以廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。2向連接形式的分類表1對國內(nèi)外現(xiàn)有的裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)豎向連接形式進(jìn)行了分類。以下分別對表1所總結(jié)的七種預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)豎向連接形式構(gòu)造特點的研究進(jìn)展情況加以詳細(xì)說明。2.1裝就位后澆筑混凝土預(yù)制混凝土剪力墻構(gòu)件采用的現(xiàn)澆帶連接是一種比較傳統(tǒng)的連接方式,連接形式如圖2。具體做法是:在要連接的上下層剪力墻之間設(shè)置現(xiàn)澆帶,鋼筋通常采用搭接方式,剪力墻安裝就位后澆筑混凝土,從而把上、下兩片剪力墻連接成一個整體。這種連接方式存在的問題是:1)在施工過程中上部墻體難以固定;2)連接時為100%同截面搭接;3)現(xiàn)澆帶頂面的混凝土難以澆筑密實。這些缺點明顯地成為了裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),使其優(yōu)越性難以充分發(fā)揮。清華大學(xué)錢稼茹教授［13］通過試驗得出剪力墻構(gòu)件使用現(xiàn)澆帶連接的破壞形態(tài)(如圖3)以及耗能能力情況。試驗結(jié)果表明:采用現(xiàn)澆帶連接的剪力墻結(jié)構(gòu)試件破壞后的裂縫數(shù)量明顯比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)試件少,耗能能力相對差一些。2.2連接技術(shù)套筒灌漿連接技術(shù)是一種目前比較成熟的預(yù)制混凝土構(gòu)件連接技術(shù)。它因力學(xué)性能穩(wěn)定可靠、施工方便簡捷、施工工期短等優(yōu)點,早在20世紀(jì)80年代就被日本、新西蘭等國家廣泛應(yīng)用于工程實踐當(dāng)中［14－15］。2.2.1無收縮高強(qiáng)灌漿材料套筒灌漿技術(shù)連接的原理是將鋼筋插入對接套筒中,然后從灌漿機(jī)注入由水泥、膨脹劑、細(xì)骨料和高性能外加劑等構(gòu)成的無收縮高強(qiáng)度灌漿材料,當(dāng)灌漿材料硬化后,鋼筋與套筒牢固地連接在一起,如圖4、圖5所示。高強(qiáng)灌漿材料的高強(qiáng)性和無收縮性可以充分保證其與套筒內(nèi)壁以及鋼筋表面的黏結(jié)、摩擦以及咬合強(qiáng)度,從而使鋼筋間應(yīng)力得以有效傳遞。這種連接方法具有較高的抗拉、抗壓強(qiáng)度,連接可靠,國內(nèi)外很多專家學(xué)者都針對這種連接形式做過大量的研究。2.2.2利用儲層灌漿連接的剪力墻性能Y.C.Loo和B.Z.Yao曾經(jīng)對美國預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(Precast/PrestressedConcreteInstitute)手冊中利用機(jī)械套筒連接的試件進(jìn)行試驗研究［16］,研究表明:與現(xiàn)澆節(jié)點相比較,這種預(yù)制構(gòu)件的連接節(jié)點的抗彎強(qiáng)度基本等同于現(xiàn)澆節(jié)點,而且其延性和能量吸收能力一般都不比現(xiàn)澆節(jié)點差。清華大學(xué)錢稼茹教授等人為研究豎向鋼筋套筒灌漿連接的預(yù)制剪力墻的抗震性能,利用5個剪跨比相同的剪力墻試件進(jìn)行擬靜力試驗［17］。試驗結(jié)果表明:套筒灌漿連接能夠有效傳遞豎向鋼筋的應(yīng)力;使用套筒灌漿連接的剪力墻試件的破壞機(jī)理與現(xiàn)澆構(gòu)件基本一致。圖6、圖7為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)試件和利用套筒灌漿連接的裝配式結(jié)構(gòu)試件的水平力-位移關(guān)系滯回曲線,對比可知,現(xiàn)澆試件的滯回曲線與套筒灌漿連接的試件滯回曲線均相對飽滿,說明其耗能能力相近。陳康等為研究豎向鋼筋采用直螺紋套筒灌漿連接的預(yù)制剪力墻的抗震性能,進(jìn)行了3個試件的擬靜力試驗［18］。結(jié)果顯示:預(yù)制剪力墻的豎向鋼筋采用直螺紋套筒灌漿連接能有效傳遞應(yīng)力。為了減小套筒的直徑和長度,提高連接效率,一些人還提出了若干改進(jìn)措施。一類是通過向套筒內(nèi)壁噴射環(huán)氧樹脂-骨料方式來增強(qiáng)套筒內(nèi)壁與灌漿料之間的摩擦力,以此提高灌漿料的傳力效率;另一類通過使用壓力泵灌漿或使用自膨脹的灌漿料來使灌漿料和內(nèi)外筒壁之間產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的擠壓作用,來增大灌漿料與套筒之間的摩擦力,從而提高灌漿料的傳力效率。2.2.3施工設(shè)備、操作人員素質(zhì)1)構(gòu)件的吊裝與鋼筋的連接操作可分離進(jìn)行。2)對施工設(shè)備和操作人員素質(zhì)要求簡單,受天氣因素影響小。3)施工綠色安全,無噪聲、無污染。4)工廠化程度高,現(xiàn)場裝配簡單快捷。2.3墻體表面免充灌漿安裝預(yù)制裝配式剪力墻構(gòu)件連接時采用預(yù)留孔漿錨搭接,該技術(shù)安全可靠,與其他方法相比,成本相對較低。其示意如圖8。具體的連接方法是:下層墻體在墻頂面預(yù)留了與墻體內(nèi)豎向受力鋼筋規(guī)格和數(shù)目相同的插筋,相應(yīng)地,在上層墻體內(nèi)預(yù)留內(nèi)壁為波紋狀或螺旋狀等粗糙表面的孔洞。在上層墻體安裝就位后,通過與孔洞相連通的灌漿孔和排氣孔,向孔洞內(nèi)注入灌漿料,待灌漿料凝結(jié)硬化后,將上、下層墻體連接成為整體。在設(shè)計上孔洞和預(yù)埋鋼筋周邊預(yù)埋有沿孔洞長度方向布置的螺旋箍筋,用來進(jìn)一步加強(qiáng)對鋼筋搭接區(qū)域的約束。它具有構(gòu)造簡單,節(jié)省鋼材等特點,因而成為目前一種主要連接形式。2.3.1漿錨砂漿與混凝土的連接這種連接形式與一般搭接不同的是,被連接的兩根鋼筋并非緊挨在一起,而是隔著一段距離,因而又被稱為“間接搭接”。預(yù)留孔漿錨連接的性能不僅取決于鋼筋表面與漿錨砂漿間的摩擦力、鋼筋表面與漿錨砂漿水泥膠體間的黏結(jié)力以及變形鋼筋的凸棱阻止鋼筋滑動的咬合力,還同漿錨砂漿與混凝土構(gòu)件預(yù)留孔孔壁間的黏結(jié)強(qiáng)度有著密切的關(guān)系,鋼筋應(yīng)力也正是因此而得到傳遞。這種連接方式的關(guān)鍵在保證錨固長度的同時,如何防止錨固區(qū)出現(xiàn)沿鋼筋方向裂縫所產(chǎn)生的不利影響?，F(xiàn)在的一般做法就是在錨固區(qū)配置螺旋箍筋,以增強(qiáng)對混凝土橫向變形的約束作用。當(dāng)配置足夠數(shù)量的箍筋時,就能防止上述裂縫的出現(xiàn)或開展。2.3.2節(jié)點荷載試驗在國內(nèi)這種連接技術(shù)已經(jīng)投入使用,典型的實例就是位于南通海門的中南世紀(jì)城33號樓,是陳耀鋼［19］在結(jié)合了相應(yīng)的中國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的情況下,利用NPC(NantongNewPrefabricatedConcreteStructure)技術(shù)成功建成的,是NPC技術(shù)在中國推廣的試點工程,該樓高32.5m,豎向構(gòu)件節(jié)點采用漿錨連接。東南大學(xué)郭正興教授對應(yīng)用此連接方法的全預(yù)制裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)1/2縮尺4層空間模型進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗［20］,試驗結(jié)論如下:試件承載力及剛度滿足規(guī)范要求及設(shè)計結(jié)果,試件屈服荷載遠(yuǎn)高于設(shè)計地震水平作用力,試件在該防烈度地震下保持彈性,同時也可滿足大震不倒的設(shè)防目標(biāo)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)課題組針對插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接連接形式進(jìn)行了許多試驗,研究并證實了這種連接方式的可靠性。張海順等通過223個錨固、搭接和剪力墻試驗,驗證了這種鋼筋連接方法的可行性,得到了具有可靠度的合理的鋼筋搭接長度,證實了插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接連接的安全性能［21］。通過對3片縱向鋼筋直徑分別為12,14,16cm應(yīng)用插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接方式連接的混凝土剪力墻進(jìn)行試驗研究,得到如圖9所示的滯回曲線。這些滯回曲線具有如下基本特征:1)試件開裂前,荷載較小時,試件的滯回面積較小,滯回環(huán)基本重合,構(gòu)件的剛度為定值,試件處于彈性階段。2)隨荷載增加,試件出現(xiàn)彎曲裂縫,滯回環(huán)開始向位移軸傾斜,但下降不明顯,這說明試件的剛度有所降低,但降低幅度不大。滯回面積增大,荷載回零時,位移回不到零點,試件進(jìn)入了非線性工作階段,具有較好的耗能能力。3)鋼筋達(dá)到了極限荷載后,承載力開始下降。5)滯回環(huán)呈現(xiàn)反S形,表明試件具有明顯的滑移性質(zhì)。但對于預(yù)留孔漿錨搭接來說,在不太厚的墻體中預(yù)留大量插孔,施工難度大,孔邊緣的混凝土厚度很小,如果在構(gòu)件的運(yùn)輸過程中,孔洞損壞,就會影響構(gòu)件的連接性能。2.4鋼板與上剪力墻連接螺栓連接是機(jī)械連接的一種,其連接構(gòu)造簡單,但是對精度要求相對較高。這種螺栓可以是螺紋桿或常規(guī)的螺栓,其連接示意如圖10。具體連接方法是:在上層剪力墻下端設(shè)置帶有預(yù)留孔洞的鋼板,下層剪力墻設(shè)有上端帶有螺紋的插入鋼筋作為螺桿。連接時將插入鋼筋穿過鋼板與上層剪力墻用螺帽連接,然后向連接部位澆注混凝土,待混凝土凝結(jié)硬化后將兩片墻體連接為一個整體。這種連接形式還可以配合其他連接形式一起使用,提高可靠性。這種連接形式在實際構(gòu)件中的連接如圖11。關(guān)于螺栓連接應(yīng)用于預(yù)制剪力墻構(gòu)件豎向連接的試驗研究在國內(nèi)外都比較少。TechnicalCouncilofFib報告［22］中介紹到預(yù)制構(gòu)件使用螺栓連接是一種既簡單又安全的連接方式,但它通常有較高的精度要求,文獻(xiàn)中還給出這種連接在荷載作用下的破壞形態(tài)。JamesF等［23］研究了裝配式結(jié)構(gòu)使用螺栓連接的連接節(jié)點的動力性能。螺栓連接雖然施工工期短,操作簡單方便,但是也有其自身的缺點:1)即使在正常使用狀態(tài)下,隨著時間以及荷載的變化,螺栓都可能發(fā)生松動現(xiàn)象。2)螺紋會因為自然環(huán)境或其他原因引起脫落。2.5預(yù)應(yīng)力拼裝節(jié)點的反復(fù)加載試驗用后張預(yù)應(yīng)力筋將預(yù)制構(gòu)件拼裝在一起并不是新技術(shù),早在20世紀(jì)六七十年代,新西蘭坎特伯雷大學(xué)的RobertPark教授和他的同事們就已經(jīng)對一些全裝配式的后張預(yù)制拼裝節(jié)點進(jìn)行了低周反復(fù)加載試驗研究［24］,但并沒有引起廣泛關(guān)注。這種連接如圖12所示。2.5.1種連接的特點通過施加預(yù)應(yīng)力可以提高結(jié)合面的摩擦剪切強(qiáng)度。這種連接的特點是將結(jié)構(gòu)的非線性變形集中于連接區(qū)域,其他部分基本保持在彈性范圍內(nèi)。而且在預(yù)應(yīng)力鋼筋回彈的作用下,可以減小結(jié)構(gòu)在地震作用后的殘余變形。2.5.2預(yù)應(yīng)力接收點安全加拿大曼尼托巴大學(xué)針對應(yīng)用預(yù)應(yīng)力連接的預(yù)制剪力墻構(gòu)件在循環(huán)往復(fù)荷載作用下水平連接區(qū)域的性能進(jìn)行了系列研究［25］。其中KhaledA.Soudki等人利用五個實際尺寸的剪力墻構(gòu)件在循環(huán)反復(fù)荷載以及軸向壓力的作用下研究預(yù)應(yīng)力連接形式［26］。試驗表明,在地震作用下此種連接方式有足夠的剛度、強(qiáng)度以及較好的延性,構(gòu)件的變形能力與運(yùn)用低碳鋼筋相連的構(gòu)件的變形能力十分相似［27］,但是在耗能能力方面的表現(xiàn)卻非常有限。R.L.Hutchinson［28］等通過試驗探討了采用后張預(yù)應(yīng)力連接的預(yù)制剪力墻節(jié)點部位的破壞機(jī)制和破壞特征。2.6節(jié)點連接縫鍵槽連接也是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接形式的一種,但其主要用于裝配式大板結(jié)構(gòu)中。其連接示意如圖13所示。在連接部位設(shè)置均勻密布的小鍵槽,通過后澆混凝土將上、下剪力墻連成整體,這種連接形式能夠保證剪力均勻地傳遞,鍵槽尺寸的設(shè)置在連接中起著關(guān)鍵的作用。宋國華[29-30]等人通過實驗分析了連接縫的抗震性能及受力機(jī)理。認(rèn)為接縫最大抗剪承載力隨接合筋直徑的增大而增大,與接縫寬度呈非線性關(guān)系。反復(fù)荷載作用下,接縫強(qiáng)度及剛度退化,脆裂后的接縫抗剪承載力隨接縫寬度的增大而增大,隨接合筋直徑的增大而增大。該研究還提出了裝配式鋼筋混凝土構(gòu)件豎向齒槽接縫考慮接縫寬度變化的抗剪承載力驗算公式。2.7抗剪性能分析WallShoes連接是一種簡單快捷易于安裝的連接方式。其連接原理和連接方法類似于前述的螺栓連接,由預(yù)留孔洞的小截面底板、頂板以及兩個側(cè)板組成,按照不同的規(guī)格可以在兩側(cè)板上焊接2或4根鋼筋,如圖14所示。具體連接方法是:WallShoes連接器放置于模板中在工廠里預(yù)制剪力墻,并在WallShoes安放位置預(yù)留開口。在下層剪力墻中預(yù)埋鋼筋,連接時將下層剪力墻的鋼筋從WallShoes底板預(yù)留孔道中穿入連接器,并用螺栓錨固于底板上,連接完成后向WallShoes連接器中以及水平接縫處灌注混凝土,待混凝土凝結(jié)硬化后將上、下剪力墻連接成一個整體。在連接豎向構(gòu)件時,Wallshoes連接器主要承受拉力以及剪力,其應(yīng)力分別由底板、側(cè)板、鋼筋來傳遞［31］。VáclavVimmr也已經(jīng)通過研究證實這種連接的可靠性,并給出在將Wallshoes用于鋸齒狀鍵槽接觸面時的抗剪強(qiáng)度計算公式［32］:式中:fctd為混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計;