預制混凝土柱接縫的施工要點與受剪承載力計算*

同濟大學建筑工程系 上海 200092

0 引言

預制混凝土結構具有生產效率高、產品質量好、施工工期短、現場勞動強度低、節能環保等優點，在工業與民用建筑中具有廣闊的應用前景[1]。

預制混凝土結構中，接縫是影響結構整體性和抗震性能的關鍵部位。合理的構造措施和科學的施工方法是保證預制柱接縫受力性能和結構整體穩定性的重要環節。而在預制柱接縫的受力性能中，受剪性能是其中最值得關注的重點內容[2]。目前，國內外學者針對預制混凝土柱接縫的受剪性能已開展了較多的試驗與理論研究，并提出了不同受剪機理及其計算方法，國內外規范也給出了具體的設計計算規定。

1 預制混凝土柱接縫構造要求

1.1 結合面的粗糙處理

預制柱接縫處的受剪承載力隨著結合面粗糙程度的提高而增大。因此需要對預制柱底面和頂面設置粗糙面。宜采用拉毛或鑿毛處理，大面積的混凝土表面可涂刷緩凝劑，以延緩混凝土表面凝結，使石子外露。我國《裝配式混凝土結構技術規程》（JGJ 1—2014）中規定：粗糙面的面積不宜小于結合面的80%，預制柱端的粗糙面凹凸深度不應小于6 mm。

1.2 剪力鍵的構造

剪力鍵可顯著提高接縫的受剪承載力，預制柱底應設置剪力鍵。為提高抗剪性能，剪力鍵需要有良好的幾何形狀。當剪力鍵過低時，其破壞形態就會由斜向剪切破壞轉化為強度較低的角部局壓破壞。同時，剪力鍵的抗剪性能也隨著其端部傾角的減小而增大，但傾角過小不易于施工。我國JGJ 1—2014中規定：剪力鍵高度不宜小于30 mm，端部斜面傾角不宜大于30°。

1.3 縱筋的連接構造

連接縱筋的構造要求主要有以下3點：

1）穿過接縫的柱縱筋直徑不宜小于20 mm。選用較大直徑的鋼筋可減少鋼筋根數，增大間距，便于柱鋼筋連接及節點區鋼筋布置；

2）縱筋采用套筒灌漿連接時，預制柱中鋼筋接頭處套筒外側箍筋的混凝土保護層厚度不應小于20 mm；套筒之間的凈距不應小于套筒外徑；

3）縱筋采用漿錨搭接連接時，預留漿錨管的長度應比縱筋搭接長度大30 mm；漿錨管內徑應比縱筋直徑大15 mm。

2 預制混凝土柱接縫施工要點

2.1 縱筋連接的施工要點

1）縱筋采用套筒灌漿或漿錨搭接連接時，應檢查套筒、預留孔的規格、位置、數量和深度以及被連接鋼筋的規格、數量、位置和長度；應及時清理套筒、預留孔內的雜物；當連接鋼筋傾斜時，應進行校直。連接鋼筋偏離套筒或孔洞中心線不宜超過5 cm；

2）縱筋采用焊接連接時，應采取措施防止因連續施焊引起的連接部位混凝土開裂。

2.2 灌漿的施工要點

當縱筋采用套筒灌漿或漿錨搭接連接時，柱底接縫厚度宜為20 mm，并采用灌漿料填實。灌漿施工過程中應符合以下規定：

1）灌漿施工時，環境溫度不應低于5 ℃；當連接部位養護溫度低于10 ℃時，應采取加熱保溫措施；

2）豎向構件與樓面連接處的水平縫應清理干凈，灌漿前24 h 結合面應充分澆水濕潤，灌漿前1 h應吸干積水；

3）灌漿前，應對接縫周圍進行封堵，封堵措施應符合結合面承載力設計要求；

4）灌漿操作全過程應有專職檢驗人員負責旁站監督并及時形成施工質量檢查記錄；

5）應按產品使用說明書的要求計算灌漿料和水的用量，并攪拌均勻；每次拌制的灌漿拌和物應進行流動度的檢測，且其流動度應滿足本規程的規定；

6）灌漿施工應采用壓漿法從下口灌注，當漿料從上口流出后應及時封堵，必要時可設分倉進行灌漿；

7）灌漿料拌和物應在制備后30 min內用完；

8）灌漿結束后應及時將灌漿口及構件表面的漿液清理干凈，并將灌漿口表面抹壓平整。

2.3 后澆混凝土的施工要點

當預制柱接縫為新舊混凝土接縫時，后澆混凝土的施工應符合以下規定：

1）結合面疏松部分的混凝土應剔除并清理干凈；

2）模板應保證后澆混凝土部分形狀、尺寸和位置準確，并應防止漏漿；

3）澆筑混凝土前應灑水潤濕結合面，混凝土應振搗密實。

3 預制混凝土柱受剪承載力計算

3.1 接縫受剪機理

預制混凝土柱接縫的受剪機理主要包括界面摩擦機理、剪切摩擦機理、鋼筋銷栓抗剪機理和剪力鍵機理等。

3.1.1 界面摩擦機理

柱的軸壓力能夠提高接縫的受剪承載力，而軸拉力會降低接縫的受剪承載力[3]。當預制柱受壓時，接縫可通過界面摩擦力抗剪。界面摩擦力的大小與軸壓力N成線性關系，可近似由接縫所受壓力N與界面摩擦因數μ相乘得到，其中μ隨接縫的材料性質及表面粗糙度而異。

3.1.2 剪切摩擦機理

剪切摩擦機理最早由國外學者Mast[4]提出。在剪力作用下，接縫發生滑移的同時也產生縱向分離，穿過接縫的鋼筋拉伸變形，對混凝土產生壓力，從而產生垂直于壓力方向的摩擦力。影響剪切摩擦受剪承載力的主要因素有界面類型、受力方式、抗剪鋼筋特性、混凝土種類與強度等[5]。Shaikh[6]、萬墨林[7]等通過試驗研究各自提出了剪切摩擦受剪的計算方法。

3.1.3 鋼筋銷栓抗剪機理

接縫受剪過程中，在裂縫面發生滑移和分離時，垂直穿過接縫的鋼筋中產生的拉力的水平分量可直接抵抗剪力，即為鋼筋的銷栓作用。鋼筋銷栓力隨著鋼筋直徑的增大而增大，拉力作用下，鋼筋的銷栓力有所折減并隨拉力的增大而減小[8]。Millard[8]、劉偉慶[9]通過試驗研究各自提出了鋼筋銷栓力的計算方法。

3.1.4 剪力鍵機理

剪力鍵是在相互嵌合的凹凸形狀的混凝土上傳遞剪切作用力的構造（圖1）。在達到剪切強度前，在界面上幾乎不產生錯位變形。剪力鍵的受剪承載力是由剪力鍵凸出部位的承壓強度和剪力鍵剪切強度的較小者決定。我國學者柳炳康等[10]通過試驗研究，分析了剪力鍵接縫的抗剪機理。研究表明為提高剪力鍵的抗剪性能，抑制剪力鍵的變形，需要具有良好的剪力鍵形狀，槽深不宜小于2 cm[11]。

圖1 剪力鍵機理

3.2 國內外規范計算方法介紹

目前，美國、歐洲、新西蘭、新加坡、中國等國的規范都給出了接縫受剪承載力計算方法，但各規范中的計算方法差異較大，下面具體介紹這6部規范中的計算方法。

3.2.1 ACI 318—2011的計算方法

美國ACI 318—2011所提出的計算方法是將結構構件按預裂構件考慮的。該規范認為混凝土構件在制作安裝和長期使用過程中，會因各種原因而產生裂縫，混凝土本身強度不予利用，故無法考慮混凝土強度變化對接縫受剪承載力的影響。該計算方法下接縫剪力主要通過橫向鋼筋的剪切摩擦作用來承擔，未考慮軸向力對接縫抗剪的影響，在接縫處存在壓力的情況下偏于保守。受剪承載力按公式（1）計算。

式中：Vu——受剪承載力；

φ——抗剪能力折減系數，取0.75；

Vn——名義抗剪強度，不超過0.2f'cAc，且不超過5.5Ac；

Ac——剪切平面面積；

— —混凝土圓柱體抗壓強度設計值；

As——抗剪鋼筋面積；

fy——抗剪鋼筋屈服強度，不超過414 MPa；

μ——界面摩擦因數，取值參考表1；

α——抗剪鋼筋與剪切平面的夾角（取銳角）。

表1 ACI 318—2011界面摩擦因數取值

3.2.2 PCI設計手冊（第七版）的計算方法

美國PCI設計手冊（第七版）中的計算方法與ACI 318—2011相同，都基于剪切摩擦機理。在ACI 318—2011的基礎上引入了有效摩擦抗剪系數并提高了受剪承載力的上限值，接縫受剪承載力按公式（2）計算。

式中：fy——抗剪鋼筋屈服強度，不超過414 MPa；

μe——有效摩擦抗剪系數。

μ的取值和μe、Vu的限值如表2所示。

表2 PCI設計手冊（第七版）摩擦因數取值及受剪承載力限值

3.2.3 EN 1992-1-1—2004的計算方法

歐洲EN 1992-1-1—2004中的計算方法考慮了界面摩擦機理和剪切摩擦機理。與ACI 318—2011相比，考慮了混凝土強度的貢獻、界面摩擦機理和剪力鍵對摩擦因數的影響，在機理上更加完善，但計算公式相對復雜。接縫的受剪承載力按公式（3）計算。

式中：ft——混凝土抗拉強度設計值；

c、μ——反應界面粗糙程度的摩擦因數，按表3取值；

N——接縫處的軸向力（壓為正、拉為負），當N為正時，不超過0.6fcAc；

α——抗剪鋼筋與剪切平面的夾角，45°≤α≤90°；

ν——開裂混凝土抗剪強度折減系數：

表3 EN 1992-1-1—2004界面摩擦因數取值

3.2.4 NZS 3101—2006的計算方法

新西蘭NZS 3101—2006中的計算方法考慮了界面摩擦機理和剪切摩擦機理，摩擦因數取值與ACI 318—2011相同。接縫的受剪承載力按公式（4）計算。

式中：μ按表1取值。

3.2.5 新加坡設計手冊（2006）的計算方法

新加坡設計手冊（2006）中的計算方法與NZS 3101 —2006類似，考慮了界面摩擦機理和剪切摩擦機理，摩擦因數取值相對較高。接縫的受剪承載力按公式（5）計算。

式中：μ按表4取值。

表4 新加坡設計手冊（2006）界面摩擦因數取值

3.2.6 我國《裝配式混凝土結構技術規程》（JGJ 1—2014）的計算方法

JGJ 1—2014中的計算方法考慮了界面摩擦機理和鋼筋銷栓抗剪機理。當預制柱受壓時，計算軸壓產生的摩擦力摩擦因數取0.8。當預制柱受拉時，對受剪承載力進行折減。接縫受剪承載力按公式（6）計算。

3.3 國內外規范計算方法對比

國內外規范中預制柱接縫受剪承載力的計算方法大多基于界面摩擦機理、剪切摩擦機理、鋼筋銷栓抗剪機理和剪力鍵機理中的一種或幾種。其中界面摩擦機理和剪切摩擦機理力學原理明確、便于設計使用，應用最為廣泛。表5歸納了上述6種計算方法所考慮的抗剪機理。

表5 各國規范接縫受剪承載力計算公式所考慮抗剪機理

1）國外5種規范中預制接縫的受剪承載力計算公式不限于柱接縫，也可用于梁柱接縫等豎向接縫。中國規程針對預制柱水平接縫和梁柱豎向接縫提出了不同的計算公式。

2）國外5種規范均以剪切摩擦抗剪機理為基礎。ACI 318—2011、PCI設計手冊（第七版）僅考慮了剪切摩擦機理，EN 1992-1-1—2004、NZS 3101—2006、新加坡設計手冊（2006）在此基礎上增加了界面摩擦機理，考慮了法向力對接縫受剪承載力的影響。中國規程考慮了界面摩擦機理和銷栓抗剪機理。

3）剪切摩擦抗剪公式形式簡單，便于設計使用，但忽略了抗剪鋼筋的銷栓作用和剪力鍵的影響，故在規范中采用了較高的μ值，因此μ也被稱為類似摩擦因數。中國規程中計算軸力產生的界面摩擦力時摩擦因數統一取0.8，未考慮不同界面類型對摩擦因數的影響。

為比較6種規范中接縫受剪承載力計算結果與試驗實測值的差異，本文收集了文獻[12]、[13]中28個接縫抗剪試件與本課題組9個接縫抗剪試件（文獻[14]）的試驗數據，其中，文獻[12]試件接縫處無壓力作用，文獻[13]與文獻[14]中試件接縫處有法向壓力作用。可見：

1）當接縫處無壓力作用時，按照NZS 3101—2006、新加坡設計手冊（2006）的計算方法所得計算結果略大于試驗值，其計算值與試驗值的比值約為1.02和1.08，標準差分別為0.35和0.37。PCI設計手冊（第七版）的計算方法精度最高，其計算值與試驗值的比值約為0.86，標準差為0.12。

2）當接縫處有壓力作用時，按照NZS 3101—2006、新加坡設計手冊（2006）的計算方法所得計算結果略大于試驗值，其計算值與試驗值的比值約為1.19和1.34，標準差分別為0.41和0.34。其余計算方法的計算值均小于試驗值，有一定的安全儲備；EN1992-1-1—2004的計算方法精度最高，其計算值與試驗值的比值約為0.78，標準差為0.19。

3）ACI 318—2011和PCI設計手冊（第七版）中的計算方法未考慮界面摩擦抗剪機理，接縫處有壓力作用時，計算值與試驗值的比值約為0.50和0.57，小于接縫處有壓力作用時的0.62和0.86。因此在接縫處有壓力作用時，ACI 318—2011和PCI設計手冊（第七版）的計算方法偏于保守。

4 結語

通過對國內外主要規范中預制混凝土柱接縫受剪承載力的計算方法進行研究，并基于已有試驗結果，對各國規范計算方法的適用性進行了對比與分析，得到以下結論：

按照NZS 3101—2006、新加坡設計手冊（2006）得出的計算結果略大于試驗值。當接縫處無壓力作用時，PCI設計手冊（第七版）有較高的計算精度；當接縫處有壓力作用時，EN1992-1-1—2004的計算方法精度較高，ACI 318—2011和PCI設計手冊（第七版）則偏于保守。