基于不同连接技术的装配式混凝土剪力墙抗震性能研究

前言

我国装配式建筑的发展经历了四个阶段：尝试阶段（20世纪50年代）、快速发展阶段（20世纪60~80年代）、停滞阶段（20世纪80年代末~90年代）、新发展阶段（21世纪以来）。在快速发展阶段和停滞阶段，装配式建筑存在结构整体性较差、抗震性能较差、外渗漏水、隔音差、保温差的问题。针对装配式建筑存在的问题，国内外学者进行了大量研究，装配式建筑技术逐步成熟。装配式混凝土结构主要包括三种结构形式：框架结构、剪力墙结构、框剪结构，而剪力墙结构占有重要比重。目前，我国主要的装配式混凝土剪力墙体系有：PC技术体系、PCF技术体系、NPC技术体系、叠合板式混凝土剪力墙结构。

装配式混凝土剪力墙结构是将预制的剪力墙构件通过水平和竖向连接技术形成整体，在水平和竖向接缝处形成了薄弱环节，而连接技术以及连接节点处的受力性能对装配式剪力墙结构的整体性及抗震性能尤为重要。水平和竖向接缝处连接技术是实现装配式建筑“等同现浇结构”的重要环节。接缝处钢筋的连接技术是保证结构可靠、传力明确的关键，所以，研究装配式混凝土剪力墙结构节点连接技术对提高装配式剪力墙抗震性能及推动装配式建筑的发展有促进作用。

1   水平及竖向接缝结合部位连接形式及研究现状

1.1   干连接

（1）干连接连接机理

干连接是在预制构件连接区通过焊接、螺栓、预应力或者栓钉连接，不需要现浇混凝土的一种连接方式，在性能上称为“非等同现浇形式”。

（2）干连接研究现状

程蓓等提出了螺栓和钢板连接的剪力墙节点连接方法（见图1）。在这种连接方法中，上下预制剪力墙均有翼缘，翼缘上提前预留螺栓孔洞，在上下剪力墙水平接缝位置，用同样在翼缘处预留孔洞的槽型钢板，将上下预制剪力墙的翼缘部分夹紧再通过高强螺栓按照初拧、复拧、终拧的施工方法，让螺栓达到设计的预紧力，从而形成螺栓、钢板组成的剪力墙节点连接方式。通过对节点进行低周反复试验发现，螺栓钢板连接节点的剪力墙破坏主要集中在连接节点左右两端的混凝土破坏。试件滞回曲线饱满，试件的位移延性系数分别为3.29和3.10，在抗震性能方面表现出较好的延性、变形性能和耗能能力。

陈文等对干式连接的装配式剪力墙抗震性能进行了试验研究（见图2）。两种预制剪力墙的连接分别为螺栓连接和焊接连接。螺栓连接中，在上下预制剪力墙的接缝部位采用普通螺栓和连接钢板进行连接形成整体。焊接连接中，预制剪力墙中预埋钢套管，接缝处用连接钢板通过焊接连接的方法形成整体。试验研究表明，两种预制结构均具有较高的承载力和整体性能，但是，结构的延性性能较差，结构破坏均发生在节点处，也就是说节点处是薄弱位置。因此，在研究基础上提出了利用延性良好的连接钢板作为耗能部件实现节点延性破坏的“强锚固、强周边、弱钢板”节点设计原则。

孙健提出了一种全装配式剪力墙，该种剪力墙采用高强螺栓和钢框连接方式（见图3）。上部预制剪力墙预留U型内嵌边框，上下预制剪力墙通过H型钢框连接，用高强螺栓将上下剪力墙连接成一个整体。试验研究表明，预制剪力墙的峰值荷载接近，并且具有较好的延性性能。

北京市建筑设计研究有限公司设计出了一种钢板抗剪键连接的装配式剪力墙（见图4）。在制作预制剪力墙时，预埋钢板抗剪键，上下剪力墙之间用焊接钢材将抗剪键进行焊接，抗剪键与锚筋之间用焊条焊接。吴辉等对这种新型连接方式进行了试验研究和数值分析。结果表明，竖向拉力对剪力墙的抗剪承载力和抗震性能是不利的，但随着竖向压力的增大，剪力墙的承载力、耗能能力、延性和变形能力随之提高。

麻建锁等提出了钢板条带预制混凝土剪力墙，上下剪力墙之间的连接通过钢板-高强度螺栓配合连接。水平接缝通过平行钢板、对接钢板和分段竖向钢板和螺栓连接与传力。试验表明，条带钢板约束了剪力墙的裂缝发展，螺栓约束了钢板的变形，钢板条带混凝土剪力墙具有较好的延性、变形能力和耗能能力。

1.2   湿连接

（1）湿连接连接机理

湿连接是通过连接件将相邻构件的受力纵筋相连，在连接处浇混凝土的一种连接方式，JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》将这种连接方式的装配式建筑性能称为“等同于现浇形式”。

（2）湿连接研究现状

张锡治提出了带现浇暗柱的齿槽式连接的装配式剪力墙连接方式（见图5）。预制剪力墙端部预设齿槽，上下预制剪力墙在齿槽区域用后浇混凝土连接成为整体。增大轴压比和设置现浇暗柱可以提高剪力墙的受剪承载力。同时，竖向钢筋自由搭接的带现浇暗柱的齿槽式连接装配剪力墙试件的破坏模式、承载能力、耗能能力与现浇试件相似。

张壮南等提出了一种新型预制剪力墙竖向浆锚连接技术。上部预制剪力墙在底部预留抗剪键，下部预制剪力墙上端预留八边形凹槽。上下剪力墙钢筋在凹槽内间接搭接，最后在水平接缝处浇筑混凝土，将上下剪力墙连接成一个整体（见图6）。试验表明，连接节点处的抗剪力先主要由新旧混凝土的黏结力承担，当混凝土出现裂缝，再由钢筋的销栓作用承担。在试验基础上，提出在预制剪力墙配筋设计时，受拉钢筋的直径宜大于8 mm。配筋率对剪力墙的受剪承载力影响较大。同时，在预制抗剪键与后浇混凝土结合面和凹槽与后浇混凝土的两种结合面中，第一种结合面先于第二种结合面产生裂缝，第一种结合面是薄弱面。有限元分析表明，随着后浇带混凝土强度的增加、后浇带宽度的增加、竖向浆锚连接的剪力墙的抗剪承载力随之增加。在满足GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》抗震受拉钢筋基本锚固长度的要求中，随着凹槽长度的减小，对抗剪承载能力的影响较小。

1.3   混合连接

（1）混合连接机理

混合连接是在预制构件水平及竖向接缝处采用干连接和湿连接两种连接方法的一种新型连接形式。

（2）混合连接研究现状

王玲对装配式剪力墙结构水平接缝的连接技术进行了研究，提出了一种新型装配式剪力墙结构水平缝连接方式，并对这种连接方式进行了优化设计。上下预制剪力墙端部两侧，在水平接缝位置，用三面围焊的方式，采用焊接钢板将上下墙体预留焊接钢板进行焊接，后浇区域浇筑混凝土。同时，在剪力墙两侧预留孔洞，贯通带肋粗钢筋，并且用高强灌浆料填充（见图7）。在试验研究基础上，通过有限元模拟分析得出以下结论，新型装配式混凝土剪力墙结构中，焊接钢板先屈服，贯通的粗钢筋后屈服，随着焊接钢板宽度的增加以及贯通筋直径的增加，预制剪力墙的承载力、变形能力、耗能能力均得到提高。中间增设贯通筋可以提高承载力、变形能力，但对刚度及耗能能力的影响较小。混合连接中，钢板增加了结构的延性，剪力墙的承载力提高。

2   钢筋连接形式研究现状

2.1   套筒灌浆连接

（1）构造形式

下层预制剪力墙的预留钢筋插入上层剪力墙预埋的套筒里，钢筋与套筒之间的缝隙由灌浆料灌满，力的传递简单明确，是目前装配式剪力墙中竖向钢筋最常见的连接方法。套筒灌浆连接主要包括全灌浆套筒连接和半灌浆套筒连接两种形式。

（2）抗震性能分析

王宁提出了一种新型的钢筋连接灌浆套筒连接方法。在套筒的一端焊接钢垫片，垫片再与钢筋焊接，另一端提前焊接一圈5 mm的钢筋。预制剪力墙的预留钢筋插入套筒再灌注高强灌浆料形成一个整体。试验表明，钢筋直径、套筒高度对整体抗拉强度有影响。钢筋直径越小、套筒越高，接头的连接性能越好。

吴涛等对钢筋半灌浆套筒连接接头进行了力学性能研究。分析了材质、钢筋直径和锚固长度对连接接头力学性能的影响。铜质套筒、锚固长度越大以及钢筋直径越小，筒壁应变值越小。同时验证了有限元方法可以模拟套筒灌浆连接的力学性能。

肖阿林对套筒灌浆施工工艺进行了试验研究，分析了连通腔灌浆和坐浆法两种施工工艺对套筒灌浆接头及水平接缝力学性能的影响。对于连通腔灌浆法，提出了研发密封性好、可靠、安拆方便且适于连续灌浆的连通腔干式封堵工装。对于坐浆法，提出了利用排气堵头和止回堵头来增加灌浆料饱满度及工作效率的建议。

套筒灌浆连接是最成熟的钢筋连接方法，而连接钢筋直径、套筒长度、灌浆料性能、锚固长度、套筒材质、施工工艺等因素都对连接节点的抗震性能有重要影响。

2.2   浆锚搭接连接

（1）构造形式

下层预制剪力墙的预留钢筋插入上层剪力墙预埋的螺旋箍筋中，通过注入灌浆料形成整体。

（2）抗震性能分析

谢快等对钢筋浆锚连接接头进行了试验研究。分别设计了单螺旋箍筋约束浆锚连接接头和双螺旋箍筋约束浆锚连接接头，对两种接头分别进行了单向拉伸试验、高应力反复拉压、大变形反复拉压试验。试验表明，螺旋箍筋浆锚搭接连接是可靠的，且具有较好的延性。同时增加直径、提高混凝土强度等级可以提高接头承载力。

余琼等提出了一种套筒约束浆锚搭接新型接头。竖向钢筋在套筒内搭接连接，并分别对Ⅰ型接头和Ⅲ型接头进行了接头单向拉伸试验和剪力墙拟静力试验。试验表明，两种连接接头是可靠的。采用新型接头连接的预制剪力墙与现浇剪力墙相比，具有同等承载力，且预制剪力墙具有较好的耗能能力。

马军卫等对箍筋约束浆锚搭接连接进行了试验。分析了钢筋直径、搭接长度、箍筋体积配筋率、混凝土强度等因素对连接接头的影响。单向拉伸试验表明，72个试件都是由于纵筋拉断而破坏，箍筋约束的浆锚搭接连接可以保证钢筋的可靠连接。

箍筋约束的浆锚搭接连接具有施工方便、构造简单、传力可靠的特点，是目前装配式剪力墙中纵筋的可靠连接方式之一。箍筋约束的浆锚搭接连接的抗震性能主要受连接钢筋直径、接头面积、搭接长度因素的影响。

2.3   套箍连接

（1）构造形式

上下剪力墙预留U型箍筋，在箍筋中贯穿水平钢筋，连接部位后浇混凝土从而实现连接区域的连接。

（2）抗震性能分析

余志武提出了一种新型装配式剪力墙连接节点U型套箍连接，并对U型套箍连接节点进行了抗拔试验和抗震性能试验，见图8。结果表明，节点的抗拔力主要由U型箍筋与混凝土的黏结长度决定，随着U型箍筋埋深的增加，抗拔力提高。竖向和水平接缝节点，装配式剪力墙的破坏与现浇结构的破坏基本相同。预制装配式剪力墙变形能力较好，具有可靠的抗震性能。

焦安亮等提出了环筋扣合锚接连接的装配式剪力墙，并对其进行了抗震性能试验研究，见图9。装配式剪力墙的破坏与现浇结构的破坏一致。与现浇结构相比，环筋扣合锚接箍筋加密锚接连接的剪力墙具有相近的承载力，且具有良好的延性弹塑性、变形能力和耗能能力。

钱稼茹提出了装配式剪力墙水平接缝处竖向钢筋的四种连接方法：第一种连接方法是装配式剪力墙边缘构件现浇、竖向钢筋搭接、竖向分布钢筋不连接；第二种是墙体全部预制、竖向钢筋采用套筒浆锚连接、竖向分布钢筋不连接；第三种是墙体全部预制、竖向钢筋采用套筒浆锚连接、竖向分布钢筋采用套筒浆锚间接搭接；第四种是墙体底部现浇250 mm高、竖向和竖向分布钢筋采用套箍连接。分别对这四种预制构件与现浇构件进行试验研究。结果表明，装配式剪力墙的破坏形态与现浇结构基本相同。边缘构件现浇的预制剪力墙、套筒浆锚连接剪力墙、套箍连接的剪力墙滞回曲线要饱满。竖向分布钢筋与地梁的连接可以有效提高承载力。采用竖向和分布钢筋套筒浆锚连接的剪力墙极限位移角最大、变形能力最好。套箍连接的剪力墙耗能能力最小，其他剪力墙耗能能力较好。

朱张峰等提出了新型混合装配式混凝土剪力墙。在NPC研究基础上，将预应力压接技术、浆锚钢筋局部黏结、扣接封闭箍筋技术融入到剪力墙中，见图10。研究了预应力筋面、预应力筋张拉应力、浆锚钢筋无黏结长度、轴压比四个参数对剪力墙抗震性能的影响。随着预应力筋面积的增加，装配式剪力墙承载力提高、刚度提高、残余变形较小。预应力筋面积、浆锚钢筋无黏结长度对剪力墙的抗震性能影响不大。随着预应力筋张拉应力的增加，装配式剪力墙的承载力、抗裂性能、刚度均有明显提高。变形恢复能力较好，位移延性性能接近，耗能能力有所降低。随着轴压比的增加，弹性刚度与屈服刚度均有提高、承载力提高、残余变形减小、具有良好的变形恢复能力，有利于提高抗震性能。

朱张峰在前人基础上提出了考虑竖向和水平接缝的工字型装配式混凝土剪力墙。将剪力墙设计成工字型，上下剪力墙之间的连接包含水平和竖向接缝。水平接缝处，竖向钢筋采用浆锚连接。竖向接缝处设置在剪力墙腹板两端。通过现浇混凝土与预制部分连接。试验表明，装配式的破坏与现浇结构接近、滞回曲线接近、承载能力基本相当、耗能能力相当。随着轴压比的增加，剪力墙的承载能力提高，竖向接缝可以提高装配式剪力墙的承载力。

套箍连接是预制剪力墙之间的新型连接方法，与现浇结构相比，具有相近的承载力，良好的延性性能和耗能能力，抗震性能较好。

3   展望

装配式建筑是我国建筑产业化的重要组成部分，而不同连接技术对装配式建筑的抗震性能有重要影响。预制构件之间的连接主要有干连接、湿连接和混合连接三种。湿连接是装配式建筑预制剪力墙的主要连接方法，在性能上等同现浇。钢筋的连接主要有套筒灌浆连接、箍筋浆锚搭接连接和套箍连接。在选择不同连接方法时要考虑钢筋直径、锚固长度、搭接长度、灌浆料性能、施工工艺、套筒材质等因素对连接节点性能的影响。新型连接技术在预制剪力墙的连接中也有较多应用，试验也表明新型连接技术具有可靠性。