我國預制剪力墻結構的歷史與現狀概述

汪 震 李檢保

(同濟大學結構工程與防災研究所，上海200092)

1 引言

預制混凝土結構體系在中國的發展現在有著比現澆混凝土更為明顯的優勢，主要體現在預制結構體系中的施工質量可控，施工性能得到提升，對環境的影響和資源的消耗控制以及適應了今后中國社會人口結構的特點。從國家的宏觀層面分析，預制結構的主流化主要是因為現在的我國經濟發展已經從資源過度消耗轉換成為了現在的可持續發展模式。就目前的發展趨勢而言，我國的建筑工業化進程已經從之前的以追求數量和提高勞動效率為重點的第一階段進入了目前從追求數量轉向追求建筑品質的第二階段，即“第二代建筑工業化”階段;而更符合可持續發展理念的第三階段的建筑工業化特征不僅僅是生產方式上的組織專業化、構件生產社會化和供應商品化，更是把重點轉向節能、降低能耗、降低環境的壓力和資源循環利用的發展，即“第三代建筑工業化”。預制結構體系充分地符合了建筑發展第三階段的要求。

2 目前我國混凝土結構建筑的困境

我國現在的建筑行業的發展，特別是混凝土結構的發展受制于傳統生產方式的影響，使得今后尤其是我國社會步入老齡化社會以后面臨著不小的考驗。

2．1 建筑行業勞動力素質的影響

傳統的建筑行業屬于勞動密集型行業，我國早期建筑行業享受人口紅利，但是大量勞動力專業技能缺乏使得生產效率低下。舉例來說，美國建筑行業勞動生產率從1997年的6．8萬美元增長到2002年的7．5萬美元，同期中國的建筑行業勞動生產率只有1．39萬人民幣和1．76萬美元。而按人均竣工面積，2008年發達國家可以達到183 m2/人，同期對比中國只有48 m2/人，中國的這個數據只有美國和日本的1/4不到。與現場混凝土結構施工不同，混凝土結構工廠預制化生產后在現場拼裝的方式能夠極大的改善目前的現狀［1］。

2．2 我國社會人口結構轉型的影響

20世紀90年代大量農村剩余勞動力涌入市場，給予了早期建筑行業人力成本優勢。而隨著老齡化社會的出現，建筑工人越來越少。而目前需要完成的工程量并沒有相應地降低，這使得人力成本越來越高的同時管理也越來越吃力。而專業化的工業生產可以最大程度地緩解中國步入老齡化社會后帶來的勞動力不足的影響。

2．3 資源消耗嚴重的影響

中國的傳統建筑行業因為從業人員的流動性和業余性使得建筑行業從來都是資源和能源消耗的大戶。尤其是水資源的過量消耗和在現在的耕地面積大幅度減少情況下中國土地資源不足的情況尤為突出。預制化混凝土結構雖然不能徹底解決這些問題，但是在資源和能源節約上預制混凝土結構體系已顯示出優勢。

2．4 建筑環境污染的影響

經過推算，我國每1萬平方米的建筑工程中產生500～600噸垃圾，每年共計約有4 000萬噸建筑垃圾，嚴重威脅著人們的身體健康。同時，在傳統的現澆混凝土等施工現場，揚塵等問題也十分突出而且十分難以治理。相反，在工廠進行構件制作然后在施工現場進行拼接可以有效地控制建筑生產對于環境的影響。

2．5 建筑質量的影響

據統計，建筑設計使用年限只在2000年以后我國建筑設計提出了設計使用年限的概念以后才得以重視。相比于發達國家大量的超過百年的存量房，我國的“短命”住宅屢見不鮮。只有實現標準化的生產，先進的生產方式與專業人員進行預制構件拼裝的配合，我國的建筑結構才能夠保證預期的質量要求。

3 預制混凝土技術在國外的發展

上文中提到的我國傳統混凝土結構體系的困境表明，目前我國建筑行業已經到達了要改變的時候。而預制混凝土結構的諸多優點:施工速度快、建造質量高、項目成本較低以及適應可持續發展的特點等，使得預制混凝土結構在1989年的國際建筑研究與文獻委員會第11屆大會上被列為當前世界建筑技術的八大發展趨勢之一，被認為是各國的建筑行業發展的一個共同趨勢［2］。

發達國家的預制化進程大概從二戰之后便開始了迅猛的發展。預制結構在低地震的歐洲區域的應用十分廣泛，在工程技術上積累了大量經驗，強調了設計、材料和施工工藝的完美結合。

美國和加拿大等從20世紀20年代才開始進行預制混凝土探索，直到20世紀六七十年代預制混凝土技術才得到大面積應用。預制混凝土結構在例如停車庫，單層工業廠房等建筑中都得到大量的應用。在工程實踐中，由于大量使用大型預應力預制混凝土構件技術，使預制混凝土結構技術更充分地發揮了其優越性，體現了施工速度快、工程質量好、工作效率高、經濟耐久等優勢。

日本和我國國情有些類似，屬于地震頻繁的國家，因此預制混凝土也要經過結構抗震性能的檢驗。日本在國內政府的大力支持下，經過自己國內的研究和與美國的合作，已經研發出了比較完善的結構技術體系，其中的 W-PC、WR-PC、RPC、SR-PC結構技術體系是目前應用最廣泛。日本的預制結構技術理論和經驗是值得我們學習的［3］。

4 我國早期預制大板結構的發展

4．1 我國預制大板結構早期應用

我國的建筑工業化進程始于上世紀50年代，工業建筑和民用建筑同時發展。其間發布的一整套以國家標準設計為技術引導的全裝配單層工業廠房圖集沿用至今。而早期的民用建筑體系則來自1959年引入的蘇聯預制混凝土結構技術。這項技術在20世紀70年代和80年代間迅速發展，出現了裝配式建筑的第二次發展高峰。第二次發展的高峰是以全裝配的大板裝配體系為代表，相關的標準開始配套。當時主要的結構類型包括高層的鋼筋混凝土大板建筑，少筋的大板混凝土建筑等主要的類型。

大板結構應用廣泛，在北京地區尤為突出。當時在北京的建設平臺上，從20世紀50年代末開始的鋼筋混凝土薄腹大板住宅和振動磚板住宅發展到后來的粉煤灰礦渣大板住宅和20世紀70年代的加氣混凝土大板住宅，據統計截至1985年底共建成了200多萬平方米的多高層住宅以及單層住宅。在成片建設的居住小區中，據不完全統計大概有1 000多萬平方米。僅北京市年設計任務量達到30萬～50萬平方米，占北京市住宅總任務量的8% ～10%，最高的建筑層數達到18層。東北地區因為氣候原因廣泛地應用裝配大板結構，在20世紀70年代這10年左右沈陽市已經建成裝配大板住宅20多萬平方米，黑龍江大慶地區、齊齊哈爾和哈爾濱三地在1979年一年內建成住宅約10萬平方米［4］。在當時的南方使用了很多的預制空心大板構件等。以上都表明了裝配大板結構的廣泛應用。

4．2 我國預制大板結構早期的研究

4．2．1 我國預制大板結構早期的技術研究

早期的科研工作者做出了大量研究，主要是圍繞設計標準化和多樣化，外墻板的防水，維護結構的隔熱功能，大板結構接縫處的受力性能等方面。并且在當時比較艱苦的條件下，相關的學者和研究生產機構進行了一些整體裝配大板結構在地震作用下的振動臺試驗的研究。

對于裝配大板結構而言，結構的首要研究工作應該是對其力學性能的研究。特別因為區別于現澆結構的裝配結構連接處應變跳躍和連接應力不明確的問題，一直以來是研究裝配大板結構的重點。

我國20世紀90年代以及之前，各地裝配式大板結構的接縫處有規定的豎向接縫和水平接縫的構造方式。豎向接縫，一般按照房間的開間和進深設置，除采用現澆混凝土的銷鍵外，還要將承重橫墻板插入縱墻內20 mm，否則要在地震區考慮設置板側連接鋼筋。北京、廣東、湖南等地已經建成的住宅中，墻板的連接構造中均在板上部伸出鋼筋焊接，下部伸出鋼筋綁扎，然后澆灌混凝土連成整體。四川則取消下部鋼筋選擇預留缺口現澆混凝土。至于水平接縫構造，墻板與樓板(包括屋面板)之間的水平接縫除了要有水泥砂漿座漿外，各墻板的水平接縫內應該有抗剪剛性節點。其做法可以利用上下墻板、樓板的吊鉤或者預埋鋼筋相互焊接并且澆灌混凝土。樓板和樓板之間則可以利用樓板的四角的連接鋼筋或吊環焊接，并且與豎向插筋錨拉。同時，樓板的四邊預留缺口以及連接鋼筋與墻板的預留鋼筋互相焊接，使之沿著樓板四周形成封閉的圈梁［5］。

對于這種構造下的裝配大板結構，曾經也進行過一些振動臺試驗，尹之潛等的高層裝配式大板結構地震模擬試驗從振動臺試驗結構的角度說明了結構的破壞發生在接縫的連接處，而且剪力起了主要作用。但是在這種并沒有完善的結構構造中，在8度地震時候的破壞情況是當時現行規范允許的，說明了裝配式大板結構的可行性［6］。那向謙等清華大學的研究人員從14層裝配大板結構模型的地震模擬結果說明了裝配大板結構在抗震時候的可行性:即持續時間較長的地震作用下，裝配式大板結構在底部開裂的水平裂縫上形成一個整體質量塊沿水平縫搖擺形成新的抗震耗能機制［7］。

在經過一系列的研究以后，我國研究機構在原《裝配式大板居住建筑結構設計和施工暫行規定》(J78－1)的基礎上修編而成了《裝配式大板居住建筑設計施工規程》(以下簡稱《規程》)。《規程》基本上對裝配式大板結構的設計與施工進行了系統的說明。其中對比于現澆結構的規范，受限于當時的經濟水平與相應的工程技術水平，《規程》強調了裝配式大板結構的混凝土抗剪強度，少筋結構的確立與取值，墻板豎向接縫的剛度折減與水平接縫處的節點承載力的安全系數取值，并且對裝配大板結構的最高層數限定以及大板結構的抗連續倒塌問題的進行了說明［8］。

4．2．2 我國預制大板結構早期的問題

唐山和豐南的強烈地震讓裝配式大板結構受到了第一次實際的考驗。在此次地震中，大板結構僅僅受到了6度到7度地震烈度的考驗，在調查結果中，7度地震情況下現有裝配大板結構受到的損傷一般是比較小的，基本在接縫處有裂縫展開但是同期同地區的磚混結構損失慘重。裝配式大板結構的各種裝配拼縫的性能是影響這類結構整體性和總體強度的主要因素，除開干縮影響導致出現的裂縫外，另外一個重要原因在于當前的墻板和墻板、墻板和樓板之間連接構造做法使得接縫的強度要比墻體本身弱，地震時候會首先形成裂縫。而結構方案的設置不當以及平面布置也對房屋的損傷有重要影響。通過調查以及總結發現，現有的裝配大板結構即使墻體材料稍差，強度較低，在7度地震下也不致倒塌，并且在當時展望了精心設計裝配的大板結構能夠較好的抗震，而關鍵的問題在于如何提高接頭以及接縫的性能從而能夠使裝配大板結構整體性能更優秀［9］。

除開結構設計外，制約裝配式大板結構發展的還有接縫處的防水問題以及隔熱防火問題等等。但是，中國裝配式建筑，包括了裝配式大板結構在1990年到2000年前后基本處于停滯狀態，幾乎在全中國可以說是預制結構數量為零的狀態。之所以出現這樣的情況，原因在于當時裝配式大板結構，甚至于所有的裝配式建筑結構考慮到當時中國的經濟力量和技術條件，最終成型的住宅結構的質量是不滿足要求的或者支出成本遠遠大于現澆結構的成本。出現問題的原因在于受制于當時的經濟條件約束機械設備運輸以及吊裝能力不足，限制了大板結構的高度、建筑形式和工藝等。而且，當時的技術水平以及研究能力還不足以滿足裝配大板結構接頭等同于現澆結構的要求。同時預制大板結構在接縫處的滲水問題也十分突出，使得人們的居住環境受到了極大的影響。還有更重要的一點，雖然預制大板結構在唐山、豐南等地的地震中表現不錯，但是因為當時中國的建筑結構預制化主要體現在了磚混結構和預制多孔樓板的組合中，而抗震性能不佳，磚混結構和施工質量控制不嚴的多孔預制樓板使得在唐山、豐南地震中損毀嚴重。因為這些預制結構損失慘重的印象牢牢地印在了人們腦中，加深了人們對于預制構件不好的印象。尤其在改革開放以后，大量的剩余勞動力涌入了建筑行業，使得起步階段規模較小，成本較大的預制產業在不高的經濟效益和更新緩慢的技術這兩個方面上敗給了因為勞動力眾多而使手工勞動成本低廉的現場作業模式［10］。

5 我國現階段預制剪力墻結構體系的發展

5．1 現階段預制剪力墻結構體系

現在國內主要研究的預制混凝土結構體系有框架結構、剪力墻結構、框架－剪力墻結構，超高層裝配式混凝土結構體系，例如常用的框筒結構體系及新的結構體系的水平構件與豎向構件尚未納入現在預備的規程。大板結構，現即混凝土剪力墻結構，按照國外現行的技術要求，在日本和美國均可以完成預制剪力墻結構的建設。而在我們國家大規范的框架下，出于我國建造的大量高層住宅考慮，剪力墻結構是很重要的一種結構體系，也是目前預制結構的研究重點。

現階段的預制剪力墻結構同我國20世紀的預制大板結構體系在技術上的進步主要體現在兩個方面:其一是設計理論的逐步完善;其二是滿足并且支撐新的設計理念的技術條件的實現與完善。

關于設計理論的進步，主要是完善了體系。其關鍵點在于將預制剪力墻結構能夠做到整體性能等同于現澆結構的性能。目前的設計步驟除原有傳統結構設計步驟，還有各拼接處節點的設計。

如此可知，節點設計能否做到等同現澆是關鍵之處。從JGJ 1—1991《裝配式大板居住建筑設計和施工規程》［11］來看，早期預制裝配大板結構，認為其整體性因為水平接縫和豎向接縫的存在，其剛度有較大損失，體現出來的就是在對接縫處的受力計算時進行了較為明顯的強度折減。而現階段的設計理念與以前不同的地方在于，在借鑒了國外的預制剪力墻技術與工程經驗基礎上，我國預制剪力墻結構要求接合部即接縫處滿足包括強度、剛度、回復力特性、耐火性的要求，要求能夠做到等同現澆的性能，即經過力學分析連接處的受力可以不進行折減而直接來進行設計［12］。

現階段預制剪力墻結構在更加注重裝配式結構的整體性，結構形式多樣化，較早期我國預制裝配大板結構形式單一有了新的發展。

建筑用材料與相應的機械設備的發展更新也推動了預制結構的發展。現在保溫隔熱方面有新型而高效的夾心墻板保溫材料。因外墻板之間采用新型密封材料，改進防水構造，同時在接縫處使用了無收縮的高強度水泥基砂漿，使得目前的預制剪力墻結構避免漏水滲水，較之以前的封漿有了極大的改善。早期的吊裝施工受限于機械設備的承載能力限制，預制大板結構的拆分單元尺寸有非常嚴格的控制。而現代的運輸和吊裝機日漸多樣化地同時保證了預制結構的制備流程，提升了預制結構構件的擴展能力。

總結新時期的預制剪力墻結構的關鍵點就是使裝配式混凝土結構具有跟現澆混凝土結構完全等同的整體性、穩定性和延性。跟現澆等同的設計理念，在許多強地震的國家都得到了設計實踐。日本曾經在阪神大地震中做過相關的調查統計，從統計數據看出，遵守等同現澆的設計概念設計建造的房屋可以經歷大地震的考驗，有其實用性［13］。

5．2 現階段預制剪力墻結構發展的關鍵技術

對比我國早期的預制剪力墻結構體系，新時期的預制剪力墻結構的設計理念要求做到同于現澆結構的性能。支撐這個理念的主要有兩個關鍵技術:第一個最關鍵的技術是對預制剪力墻接縫處的研究從而保證接縫強度的技術手段;第二個就是不強求全預制結構拼裝而轉為預制結構與適量現澆結構相結合的方式。借鑒日本較為成熟的經驗來看，接縫處，特別是水平接縫處的連接構造應該采用混凝土濕作業的方式。濕作業方法要求在現場填充混凝土或者砂漿，同時為了增強其水平的抗剪能力應該設置抗剪鍵等。剪力墻水平接縫處要求用砂漿將剪力墻和樓板或者剪力墻之間覆蓋，同時使用能夠確保鋼筋接頭性能的方式進行連接。如果水平接縫處受力情況有足夠的考慮并且通過計算可以使用干接(鋼筋或者內埋鋼板焊接)的方式［14］。

對于剪力墻結構的連接方式，近年來國外學者、國內工作人員對不同的預制混凝土剪力墻結構拼接部位進行了大量的研究。國內的研究人員對國內外近年的研究情況進行了一些歸納與總結。王敦的《預制混凝土剪力墻結構抗震性能研究進展》［2］以及李愛群等《預制鋼筋混凝土剪力墻結構抗震性能研究II》［15］總結了國外和國內已進行過相應研究的剪力墻結構，例如普通預制剪力墻結構、無粘結預應力預制剪力墻結構和預制疊合墻結構等，提出了對于預制剪力墻結構抗震性能相關的建議;李愛群等《預制鋼筋混凝土剪力墻結構抗震性能研究進展I:接縫性能研究》［16］在結構體系大構架下進一步總結了預制剪力墻結構接縫性能的研究進展，表明了水平接縫處豎向鋼筋的有效連接能夠極大地提高水平接縫的受力性能進行提高墻體的整體性能;而墻身與墻身之間的豎向接縫主要影響結構變形與耗能，從受力特點來看比較符合剪力墻中連梁的作用。日本和美國的一些預制剪力墻規程和規范對預制剪力墻的設計方法、構造形式等都提出了較為明確的要求，值得現在的國內從業人員深入地研究與學習。從近年來對預制剪力墻結構的研究總結表明在預制剪力墻接縫的影響中，水平接縫傳遞豎向荷載、承受水平剪力，而豎向接縫主要傳遞墻身之間的剪力。豎向接縫處可以通過現澆混凝土邊緣構件或者采用內埋鋼板等連接構造。而影響水平接縫受力性能同時要求保證預制剪力墻墻體的整體性能的豎向受力鋼筋的接頭連接問題則影響預制混凝土結構的發展。之前的接頭通過機械連接(彎折等)或者焊接或者預留孔洞插入連接，其性能不能與鋼筋整體連接媲美。

現階段預制剪力墻結構中的鋼筋連接技術主要有三類:套筒連接、漿錨連接與機械連接［17］。其中最關鍵的就是套筒連接技術的出現，因為套筒連接可以使得鋼筋接頭達到I級鋼筋接頭標準［18］，滿足了連續鋼筋的要求同時符合預制剪力墻結構施工方便性的要求。套筒灌漿連接技術源于美國工程師Yee，成熟于日本。這類套筒連接鋼筋也在日本和美國得到了大量的實踐，包括套筒應力－應變曲線、循環張拉疲勞試驗等。套筒連接技術經過長期試驗，經過了地震考驗，美日兩國學界都認為它可以在高層建筑中安全使用。目前我國也對這些技術進行了部分的工程應用。

其次，預制剪力墻結構的設計不再強制要求全預制結構的裝配，轉向了預制和現澆相結合的方向。因為考慮了預制剪力墻結構的整體性能要求，并且從上世紀的早期的預制大板結構中總結經驗教訓，在充分利用預制結構的基礎上，在適當的部位進行現場濕作業增加現澆混凝土，這樣使整個裝配式混凝土具有很好的延性。在日本的W-PC結構體系中，在墻－墻、墻－板等節點構造中，雖然日本的剪力墻結構不能蓋得太高，但是也廣泛地使用了與預制剪力墻和現澆混凝土結合使用的節點。

6 結語

我國預制剪力墻結構早期的發展同現階段結構體系的對比表明了現階段的預制剪力墻結構的設計理論與相應的技術條件等在基于20世紀的預制大板結構體系的基礎上有了長足的進步。雖然相較于我國20世紀的預制大板結構體系，現階段的預制剪力墻結構體系有了長足的飛躍，但是還有很多工作要做:①預制剪力墻的體系要得到完善。既要有適用于超高層的公共建筑結構體系也要有符合中小城市的多高層建筑結構體系。②連接方式還要補充研究，現有套筒灌漿連接技術還需要做深化研究與改革，連接技術的多樣化同樣也要研究。③雙向疊合板的研究。④外掛墻板的研究。⑤標準體系的完善。⑥預制混凝土結構的規模化以減少工程造價提高可用性。⑦在預制同現澆結合的基礎上，嘗試能夠設計全預制裝配結構以便能夠真正的達到建筑結構工業化生產。基于標準化、模數化、通用化、可置換性的發展，對比于20世紀的預制大板結構，現階段預制剪力墻結構不僅在建筑美觀上更符合人們的需求，而且在建筑實現和成本造價上更符合現在的經濟發展要求。預制剪力墻結構體系也將成為今后我國建筑體系中不可或缺的一環。

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