预制装配式剪力墙竖向连接形式研究

预制装配式剪力墙竖向连接形式研究

在国外的许多发达国家，装配混凝土结构已经研究了几十年，形成了符合其自身特点的装配混凝土结构体系1.4。目前,随着我国经济的快速发展,特别是可持续发展观念的深入,对具有低碳、绿色、环保、节能等特点的装配式混凝土建造形式的研究逐渐升温。实现工业和民用建筑物的建造方式的根本转变,不但是贯彻国家建筑工业化和住宅产业化的总体部署,也是转变经济发展方式,改善民居、民生条件的客观要求。近年来,从国家有关部委,到地方政府部门、开发商以及包括高校在内的各类研究机构都在探寻符合我国国情的住宅产业化发展途径。预制装配式剪力墙结构是一种面向高层、小高层民居住宅的结构形式,其大部分构件于工厂预制,在施工现场进行组装。较现浇剪力墙结构建造方式更能节约能源和材料,缩短工期,具有广泛的发展空间［5－6］。因此,在我国的预制装配式混凝土结构体系发展中,预制装配式剪力墙结构占有重要比重。为了进一步明确预制剪力墙结构体系的研究重点,吸收国内外同行在该领域的研究经验,针对装配式剪力墙结构的关键问题之一,即剪力墙竖向连接(水平缝连接)问题进行探讨。本文系统地总结了正在不断革新和发展的七种节点连接形式,试图通过对各种连接形式的优势及存在问题进行总结,供从事装配式剪力墙结构设计和新型连接形式的研发人员以参考和借鉴。1设计原则是预制安装式辊连接的垂直连接1.1剪力墙破坏形态剪力墙是截面高度大而厚度相对较小的“片”状结构,有承载力大和抗侧刚度大等优点,也具有破坏延性较小,平面外较薄弱的不利性能。在竖向荷载和水平荷载的作用下,剪力墙的破坏形态可以归纳为弯曲破坏、弯剪破坏、剪切破坏和滑移破坏,如图1所示。在设计时应尽可能避免剪切破坏先于弯曲破坏、混凝土的压溃先于钢筋的屈服以及钢筋的黏结锚固破坏先于构件破坏。两端设约束边缘构件不但能较显著地提高墙体的延性,还能防止剪力墙发生过大的水平剪切滑动,提高抗剪能力。剪力墙的配筋设计主要考虑约束边缘构件的配筋、墙身的配筋以及连梁的配筋,应该满足正截面受弯和斜截面受剪承载力要求、最小配筋率的要求以及剪力墙配筋的构造要求等。1.2装配式剪力墙结构节点设计要求装配式剪力墙结构的竖向连接应遵循以下设计原则［7］:1)连接设计满足结构承载力和抗震性能要求;3)连接破坏不应先于构件破坏;4)连接的破坏形式不能出现钢筋锚固破坏脆性形式;5)连接构造应符合整体结构的受力模式及传力途径。此外,剪力墙竖向连接采用标准化方法,以提高构件连接的可靠性、制作安装效率和连接质量。连接设计是装配式剪力墙结构设计的重要环节。预制剪力墙构件之间的连接必须有效地将单个结构构件互相连成统一的整体,使整个建筑结构协调一致。连接设计首先要保证在荷载作用下连接部位自身的强度不能成为结构的薄弱环节,保证连接部位能平顺地传递内力,发挥连接功能。其次还要求连接部位具有足够的刚度以及良好的恢复力特性。因此,合理的连接形式是预制装配式剪力墙结构得以广泛应用的关键。2向连接形式的分类表1对国内外现有的装配式剪力墙结构竖向连接形式进行了分类。以下分别对表1所总结的七种预制装配式剪力墙结构竖向连接形式构造特点的研究进展情况加以详细说明。2.1装就位后浇筑混凝土预制混凝土剪力墙构件采用的现浇带连接是一种比较传统的连接方式,连接形式如图2。具体做法是:在要连接的上下层剪力墙之间设置现浇带,钢筋通常采用搭接方式,剪力墙安装就位后浇筑混凝土,从而把上、下两片剪力墙连接成一个整体。这种连接方式存在的问题是:1)在施工过程中上部墙体难以固定;2)连接时为100%同截面搭接;3)现浇带顶面的混凝土难以浇筑密实。这些缺点明显地成为了装配式剪力墙结构的薄弱环节,使其优越性难以充分发挥。清华大学钱稼茹教授［13］通过试验得出剪力墙构件使用现浇带连接的破坏形态(如图3)以及耗能能力情况。试验结果表明:采用现浇带连接的剪力墙结构试件破坏后的裂缝数量明显比现浇结构试件少,耗能能力相对差一些。2.2连接技术套筒灌浆连接技术是一种目前比较成熟的预制混凝土构件连接技术。它因力学性能稳定可靠、施工方便简捷、施工工期短等优点,早在20世纪80年代就被日本、新西兰等国家广泛应用于工程实践当中［14－15］。2.2.1无收缩高强灌浆材料套筒灌浆技术连接的原理是将钢筋插入对接套筒中,然后从灌浆机注入由水泥、膨胀剂、细骨料和高性能外加剂等构成的无收缩高强度灌浆材料,当灌浆材料硬化后,钢筋与套筒牢固地连接在一起,如图4、图5所示。高强灌浆材料的高强性和无收缩性可以充分保证其与套筒内壁以及钢筋表面的黏结、摩擦以及咬合强度,从而使钢筋间应力得以有效传递。这种连接方法具有较高的抗拉、抗压强度,连接可靠,国内外很多专家学者都针对这种连接形式做过大量的研究。2.2.2利用储层灌浆连接的剪力墙性能Y.C.Loo和B.Z.Yao曾经对美国预制预应力混凝土协会(Precast/PrestressedConcreteInstitute)手册中利用机械套筒连接的试件进行试验研究［16］,研究表明:与现浇节点相比较,这种预制构件的连接节点的抗弯强度基本等同于现浇节点,而且其延性和能量吸收能力一般都不比现浇节点差。清华大学钱稼茹教授等人为研究竖向钢筋套筒灌浆连接的预制剪力墙的抗震性能,利用5个剪跨比相同的剪力墙试件进行拟静力试验［17］。试验结果表明:套筒灌浆连接能够有效传递竖向钢筋的应力;使用套筒灌浆连接的剪力墙试件的破坏机理与现浇构件基本一致。图6、图7为现浇结构试件和利用套筒灌浆连接的装配式结构试件的水平力-位移关系滞回曲线,对比可知,现浇试件的滞回曲线与套筒灌浆连接的试件滞回曲线均相对饱满,说明其耗能能力相近。陈康等为研究竖向钢筋采用直螺纹套筒灌浆连接的预制剪力墙的抗震性能,进行了3个试件的拟静力试验［18］。结果显示:预制剪力墙的竖向钢筋采用直螺纹套筒灌浆连接能有效传递应力。为了减小套筒的直径和长度,提高连接效率,一些人还提出了若干改进措施。一类是通过向套筒内壁喷射环氧树脂-骨料方式来增强套筒内壁与灌浆料之间的摩擦力,以此提高灌浆料的传力效率;另一类通过使用压力泵灌浆或使用自膨胀的灌浆料来使灌浆料和内外筒壁之间产生预应力的挤压作用,来增大灌浆料与套筒之间的摩擦力,从而提高灌浆料的传力效率。2.2.3施工设备、操作人员素质1)构件的吊装与钢筋的连接操作可分离进行。2)对施工设备和操作人员素质要求简单,受天气因素影响小。3)施工绿色安全,无噪声、无污染。4)工厂化程度高,现场装配简单快捷。2.3墙体表面免充灌浆安装预制装配式剪力墙构件连接时采用预留孔浆锚搭接,该技术安全可靠,与其他方法相比,成本相对较低。其示意如图8。具体的连接方法是:下层墙体在墙顶面预留了与墙体内竖向受力钢筋规格和数目相同的插筋,相应地,在上层墙体内预留内壁为波纹状或螺旋状等粗糙表面的孔洞。在上层墙体安装就位后,通过与孔洞相连通的灌浆孔和排气孔,向孔洞内注入灌浆料,待灌浆料凝结硬化后,将上、下层墙体连接成为整体。在设计上孔洞和预埋钢筋周边预埋有沿孔洞长度方向布置的螺旋箍筋,用来进一步加强对钢筋搭接区域的约束。它具有构造简单,节省钢材等特点,因而成为目前一种主要连接形式。2.3.1浆锚砂浆与混凝土的连接这种连接形式与一般搭接不同的是,被连接的两根钢筋并非紧挨在一起,而是隔着一段距离,因而又被称为“间接搭接”。预留孔浆锚连接的性能不仅取决于钢筋表面与浆锚砂浆间的摩擦力、钢筋表面与浆锚砂浆水泥胶体间的黏结力以及变形钢筋的凸棱阻止钢筋滑动的咬合力,还同浆锚砂浆与混凝土构件预留孔孔壁间的黏结强度有着密切的关系,钢筋应力也正是因此而得到传递。这种连接方式的关键在保证锚固长度的同时,如何防止锚固区出现沿钢筋方向裂缝所产生的不利影响。现在的一般做法就是在锚固区配置螺旋箍筋,以增强对混凝土横向变形的约束作用。当配置足够数量的箍筋时,就能防止上述裂缝的出现或开展。2.3.2节点荷载试验在国内这种连接技术已经投入使用,典型的实例就是位于南通海门的中南世纪城33号楼,是陈耀钢［19］在结合了相应的中国标准规范的情况下,利用NPC(NantongNewPrefabricatedConcreteStructure)技术成功建成的,是NPC技术在中国推广的试点工程,该楼高32.5m,竖向构件节点采用浆锚连接。东南大学郭正兴教授对应用此连接方法的全预制装配整体式剪力墙结构1/2缩尺4层空间模型进行了低周反复荷载试验［20］,试验结论如下:试件承载力及刚度满足规范要求及设计结果,试件屈服荷载远高于设计地震水平作用力,试件在该防烈度地震下保持弹性,同时也可满足大震不倒的设防目标。哈尔滨工业大学课题组针对插入式预留孔灌浆钢筋搭接连接形式进行了许多试验,研究并证实了这种连接方式的可靠性。张海顺等通过223个锚固、搭接和剪力墙试验,验证了这种钢筋连接方法的可行性,得到了具有可靠度的合理的钢筋搭接长度,证实了插入式预留孔灌浆钢筋搭接连接的安全性能［21］。通过对3片纵向钢筋直径分别为12,14,16cm应用插入式预留孔灌浆钢筋搭接方式连接的混凝土剪力墙进行试验研究,得到如图9所示的滞回曲线。这些滞回曲线具有如下基本特征:1)试件开裂前,荷载较小时,试件的滞回面积较小,滞回环基本重合,构件的刚度为定值,试件处于弹性阶段。2)随荷载增加,试件出现弯曲裂缝,滞回环开始向位移轴倾斜,但下降不明显,这说明试件的刚度有所降低,但降低幅度不大。滞回面积增大,荷载回零时,位移回不到零点,试件进入了非线性工作阶段,具有较好的耗能能力。3)钢筋达到了极限荷载后,承载力开始下降。5)滞回环呈现反S形,表明试件具有明显的滑移性质。但对于预留孔浆锚搭接来说,在不太厚的墙体中预留大量插孔,施工难度大,孔边缘的混凝土厚度很小,如果在构件的运输过程中,孔洞损坏,就会影响构件的连接性能。2.4钢板与上剪力墙连接螺栓连接是机械连接的一种,其连接构造简单,但是对精度要求相对较高。这种螺栓可以是螺纹杆或常规的螺栓,其连接示意如图10。具体连接方法是:在上层剪力墙下端设置带有预留孔洞的钢板,下层剪力墙设有上端带有螺纹的插入钢筋作为螺杆。连接时将插入钢筋穿过钢板与上层剪力墙用螺帽连接,然后向连接部位浇注混凝土,待混凝土凝结硬化后将两片墙体连接为一个整体。这种连接形式还可以配合其他连接形式一起使用,提高可靠性。这种连接形式在实际构件中的连接如图11。关于螺栓连接应用于预制剪力墙构件竖向连接的试验研究在国内外都比较少。TechnicalCouncilofFib报告［22］中介绍到预制构件使用螺栓连接是一种既简单又安全的连接方式,但它通常有较高的精度要求,文献中还给出这种连接在荷载作用下的破坏形态。JamesF等［23］研究了装配式结构使用螺栓连接的连接节点的动力性能。螺栓连接虽然施工工期短,操作简单方便,但是也有其自身的缺点:1)即使在正常使用状态下,随着时间以及荷载的变化,螺栓都可能发生松动现象。2)螺纹会因为自然环境或其他原因引起脱落。2.5预应力拼装节点的反复加载试验用后张预应力筋将预制构件拼装在一起并不是新技术,早在20世纪六七十年代,新西兰坎特伯雷大学的RobertPark教授和他的同事们就已经对一些全装配式的后张预制拼装节点进行了低周反复加载试验研究［24］,但并没有引起广泛关注。这种连接如图12所示。2.5.1种连接的特点通过施加预应力可以提高结合面的摩擦剪切强度。这种连接的特点是将结构的非线性变形集中于连接区域,其他部分基本保持在弹性范围内。而且在预应力钢筋回弹的作用下,可以减小结构在地震作用后的残余变形。2.5.2预应力接收点安全加拿大曼尼托巴大学针对应用预应力连接的预制剪力墙构件在循环往复荷载作用下水平连接区域的性能进行了系列研究［25］。其中KhaledA.Soudki等人利用五个实际尺寸的剪力墙构件在循环反复荷载以及轴向压力的作用下研究预应力连接形式［26］。试验表明,在地震作用下此种连接方式有足够的刚度、强度以及较好的延性,构件的变形能力与运用低碳钢筋相连的构件的变形能力十分相似［27］,但是在耗能能力方面的表现却非常有限。R.L.Hutchinson［28］等通过试验探讨了采用后张预应力连接的预制剪力墙节点部位的破坏机制和破坏特征。2.6节点连接缝键槽连接也是装配式混凝土结构构件连接形式的一种,但其主要用于装配式大板结构中。其连接示意如图13所示。在连接部位设置均匀密布的小键槽,通过后浇混凝土将上、下剪力墙连成整体,这种连接形式能够保证剪力均匀地传递,键槽尺寸的设置在连接中起着关键的作用。宋国华[29-30]等人通过实验分析了连接缝的抗震性能及受力机理。认为接缝最大抗剪承载力随接合筋直径的增大而增大,与接缝宽度呈非线性关系。反复荷载作用下,接缝强度及刚度退化,脆裂后的接缝抗剪承载力随接缝宽度的增大而增大,随接合筋直径的增大而增大。该研究还提出了装配式钢筋混凝土构件竖向齿槽接缝考虑接缝宽度变化的抗剪承载力验算公式。2.7抗剪性能分析WallShoes连接是一种简单快捷易于安装的连接方式。其连接原理和连接方法类似于前述的螺栓连接,由预留孔洞的小截面底板、顶板以及两个侧板组成,按照不同的规格可以在两侧板上焊接2或4根钢筋,如图14所示。具体连接方法是:WallShoes连接器放置于模板中在工厂里预制剪力墙,并在WallShoes安放位置预留开口。在下层剪力墙中预埋钢筋,连接时将下层剪力墙的钢筋从WallShoes底板预留孔道中穿入连接器,并用螺栓锚固于底板上,连接完成后向WallShoes连接器中以及水平接缝处灌注混凝土,待混凝土凝结硬化后将上、下剪力墙连接成一个整体。在连接竖向构件时,Wallshoes连接器主要承受拉力以及剪力,其应力分别由底板、侧板、钢筋来传递［31］。VáclavVimmr也已经通过研究证实这种连接的可靠性,并给出在将Wallshoes用于锯齿状键槽接触面时的抗剪强度计算公式［32］:式中:fctd为混凝土抗拉强度设计;