預制混凝土剪力墻結構的研究現狀

孫 浩 文

(同濟大學土木工程學院，上?！?00092)

0　引言

在建筑工業化發展道路上，預制結構體系是先進的建筑工業化發展的重要結果。其主要核心在于以空間模塊為單位的預制裝配式構件的標準化。相比于目前大量使用的現澆混凝土技術，預制混凝土技術具有生產效率高、產品質量好、工業化生產對環境影響小等優點，是一種有利于可持續發展的混凝土技術應用[1,2]。近年來我國勞動力市場日益緊縮，勞動力價格不斷上漲；同時現澆結構環境污染嚴重，資源消耗大，這與建設環境友好資源解決型社會格格不入，與綠色建筑的發展理念背道而馳。因此，建筑的綠色化、工業化要求越來越迫切，上海市更是直接出臺了《上海市綠色建筑發展三年行動計劃(2014—2016)》，要求2016年外環以內的新建民用建筑將全部采用裝配式建造。

本文將對當前國內外預制結構中的預制混凝土剪力墻研究現狀作出一些總結。

1　結構體系特點

剪力墻結構體系作為高層住宅樓與辦公樓的常用結構形式得以廣泛應用，現階段中國的剪力墻結構主要為現澆鋼筋混凝土剪力墻。雖然現澆的剪力墻結構提供了較好的抗震受力體系，但是其在工程應用中暴露的問題也越來越多。與現澆剪力墻結構相比，預制剪力墻結構體系具有如下優勢：

1)結構構件和連接部件在工廠統一制作，采用標準化生產，與復雜的現場施工相比，可以很大程度上提高構件單元的質量水平；

2)工廠統一標準化的結構體系，能夠精簡現場構件的組裝，減小大量的人工勞動，縮短工期，大大提高生產效率；

3)不需要模板支撐，現場濕作業少，施工噪聲小，大大減少資源浪費及對環境的污染；

4)預制的墻體和樓板在工程完成時收縮縫隙已基本完成，工程完工后的維護和檢修成本較小。

預制剪力墻雖然具有許多現澆剪力墻不可比擬的優點，但是在實際工程一直沒能得到廣泛應用，主要原因有：

1)預制結構的關鍵在于節點連接的可靠性。良好的受力特性必須確保具有較強的節點連接，而現階段預制構件節點連接還難以保證預制結構形成完全有效的整體承載體系。

2)工廠標準化生產的精度還不夠高，不能保證工地現場的快速精確拼裝。隨著我國對預制結構科研工作的不斷推進，工廠標準化生產水平與精度的不斷提高，預制結構勢必會在建筑工程領域逐步推廣起來。

2　研究進展

2.1預制混凝土大板結構

最早的預制混凝土剪力墻結構出現在1875年，英國提出了一種新型的預制混凝土大板結構[3]，并申請了專利。該結構是通過許多墻板，以及墻板之間的連接縫拼裝成整體。但是其也表現出了和現澆結構的相比的劣勢：其整體的性能較差，應力集中容易出現在連接縫中，同時也會產生不連續的變形，所以墻板間的連接縫所能發揮出的整體性能直接影響結構的抗震性能。

Wilson J L等[4]提出了采用能力譜法研究墻體與樓板通過鋼筋與套箍連接的低層大板結構抗震性能的方法，具體采用子結構試驗法與有限元數值模擬相結合，獲取能力曲線，以此評價其該體系抗震性能，結果表明大板結構的連接處是結構的關鍵部位。

尹之潛等[5]通過振動臺模擬一座14層和一座10層的高層裝配式大板結構地震試驗，結果表明此類結構在地震作用下以剪切破壞為主，板間連接處的破壞在剪力的作用下較為集中，連接接頭處鋼筋未伸直，鋼筋受力初期未發揮作用。

萬墨林和曾兵[6]進行了相關試驗，研究了大板結構的連接縫處的剛度以及強度。垂直的連接縫一方面傳遞了剪力墻單元間的力，另一方面決定了結構的耗能能力；水平接縫不僅傳遞著上層墻板的壓力，同樣也影響著結構的變形。

宋國華、柳炳康等[7]進行了反復的荷載下18榀試件相關試驗，總結和歸納了豎向接縫的受力原理及其相關的抗震性能，并提出了考慮接縫寬度影響的豎縫受剪承載力設計公式。

2.2無粘結后張拉預應力預制混凝土剪力墻20世紀90年代，PRESSS項目(由美日聯合展開)提出了一種新的預制混凝土剪力墻結構：無粘結后張拉預應力剪力墻結構。這種新型的剪力墻結構有很好的自復位能力，罕遇地震下能形成較大側移，連接節點往往優先破壞，地震后可修復度較高。

Kurama Y C等[8]考慮體系在水平側向荷載作用下的影響，評價其能量的耗散與位移能力等指標，結果表明該結構體系在側向荷載作用并發生大非線性往復變形下仍能夠保證穩定的抗力。

Kurama Y C[9]和Marriott D J等[10]在該類結構體系中采用粘滯阻尼器和軟鋼阻尼器，這些阻尼器均有效提高了結構耗能能力，并達到了降低結構側向位移的目的。

呂西林等[11]分析了影響此類結構自復位能力的參數，主要有預應力、豎向恒荷載、低碳鋼含量、端部墻體構造等。

黨像梁等[12]利用ABAQUS軟件建立了底部水平縫搖擺剪力墻的有限元模型并進行推覆分析和滯回性能分析，結果表明底部水平縫剪力墻與普通剪力墻相比，初期承載力有所降低，但延性明顯提高且殘余變形較小。

2.3預制疊合剪力墻結構

Lee B J等[13]通過相關預制空心板的剪力墻的有限元分析，提出了其可以增大墻體的保溫性能和受力特性。

連星和葉獻國等[14]對擬靜力試驗下的預制疊合板式剪力墻作了相關非線性分析和研究，得出以下結論：疊合面具有足夠的抗剪強度，能夠保證疊合板的整體工作性能；設置不同邊緣約束構造措施的預制疊合板式剪力墻其抗震性能無明顯的差異。

章紅梅和呂西林等[15]進行了半預制鋼筋混凝土疊合墻(PPRC-CW)的非線性研究。通過對兩片構件進行相關的低周反復試驗，證明了PPRC-CW抗側移性能良好，混凝土之間的協同工作性能良好。

2.4其他的預制剪力墻體系結構

錢稼茹和張微敬等[16,17]對將單片的預制圓孔板剪力墻在往復水平力，同時軸向抗下的試驗條件下進行了研究。試驗研究證明，按照剪切破壞或彎曲破壞設計的構件，墻體底部截面均開裂，水平裂縫沿著高度分布在各邊緣構件中，剪力墻面大部分呈現斜裂縫，雙片墻試件較單片墻試件，其可承受的最大荷載以及開裂荷載均有明顯的提高，證明設置現澆邊緣構件的預制圓孔板剪力墻可以作為房屋建筑的抗震結構構件。

3　結語

本文對預制剪力墻結構的特點，研究進程作了概要的梳理。預制剪力墻結構尤其是節點的有效連接是至關重要的。一些復雜的節點連接技術還需要后人作出努力，希望本文能給致力于預制剪力墻結構研究的學者一些參考。相信隨著建筑工業化進程的推進以及一些關鍵技術的解決，預制剪力墻結構體系將成為今后我國建筑體系中不可或缺的一環。

參考文獻：

[1]Yee,A.A.Social and environmental benefits of precast concrete technology[J].Pci Journal,2016,46(1):45-47.

[2]Yee,A.A., Hon.,D.Structural and economic benefits of precast/prestressed concrete construction[J].Pci Journal,2001,46(4):3-7.

[3]Clough R.W,Malhas F,Oliva M.G.Seismic Behavior of Large Panel Precast Concrete Walls:Analysis and Experiment[J].PCI Journal,1989(8):42-66.

[4]Wilson J L,Robinson A J,Balendra T.Performance of precast concrete load-bearing panel structures in regions of low to moderate seismicity[J].Engineering Structures,2008,30(7):1831-1841.

[5]尹之潛,朱玉蓮.高層裝配式大板結構模擬地震試驗[J].土木工程學報,1996(3):57-64.

[6]萬墨林,曾兵.大板結構接縫的強度和剛度[J].建筑結構學報,1986(4):54-69.

[7]宋國華,柳炳康,王東煒.反復荷載作用下PBPS豎縫抗震性能試驗及理論研究[J].建筑結構學報,2003,45(6):18-24.

[8]Kurama Y C,Shen Q.Posttensioned Hybrid Coupled Walls under Lateral Loads[J].Journal of Structural Engineering,2004,130(2):297-309.

[9]Kurama Y C.Seismic Design of Unbonded Post-Tensioned Precast Concrete Walls with Supplemental Viscous Damping[J].ACI Structural Journal,2000:648-658.

[10]Marriott D,Pampanin S,Bull D,et al.Dynamic Testing of Precast,Post-Tensioned Rocking Wall Systems with Alternative Dissipating Solutions[J].University of Canter-bury Civil & Natural Resources Engineering,2008(9)：17.

[11]Xilin Lv,Dun Wang,Ming Cheng.Discussion on “Self-Centering Behavior of Unbonded,Post-tensioned Precast Concrete Shear Walls”[J].Journal of Earthquake Engineering,2010,14(4):626-627.

[12]黨像梁,呂西林,周穎.底部開水平縫搖擺剪力墻抗震性能分析[J].地震工程與工程振動,2013,33(5):182-189.

[13]Byoung-Jun L,Stephen P.Design and analysis of precast,prestressed concrete,three-wythe sandwich wall panels[J].Pci Journal,2007(5)：71.

[14]連星,葉獻國,王德才,等.疊合板式剪力墻的抗震性能試驗分析[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2009,32(8):1219-1223.

[15]章紅梅,呂西林,段元峰,等.半預制鋼筋混凝土疊合墻(PPRC-CW)非線性研究[J].土木工程學報,2010,43(S2):93-99.

[16]張微敬,孟濤,錢稼茹,等.單片預制圓孔板剪力墻抗震性能試驗[J].建筑結構,2010,40(6):76-80.

[17]張微敬,孟濤,錢稼茹.預制圓孔板剪力墻非線性有限元分析[J].建筑結構,2010,1(1):15-18.