裝配式混凝土預(yù)制柱接縫設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

王延臣， 高振旭

（1.天津子牙循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)投資發(fā)展有限公司，天津 301600；2.創(chuàng)意（天津）建筑科技有限公司，天津 301600）

裝配式建筑是指在工廠加工制作的構(gòu)件運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，以可靠的連接方式在現(xiàn)場(chǎng)組裝而成的建筑。目前，裝配式鋼結(jié)構(gòu)和裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是我國(guó)裝配式建筑應(yīng)用最廣泛的兩種體系，而其中裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用比例最高。在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，預(yù)制構(gòu)件間的連接是關(guān)鍵，其性能的優(yōu)劣對(duì)整體結(jié)構(gòu)的受力和抗震性能影響較大，對(duì)預(yù)制混凝土柱而言，其柱底水平接縫的受剪性能是影響結(jié)構(gòu)受力性能的關(guān)鍵部位。預(yù)制柱底部接縫剪力由結(jié)合面混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度、鍵槽或粗糙面、鋼筋的摩擦抗剪作用、銷栓抗剪作用承擔(dān)，其受剪機(jī)理主要有結(jié)合面摩擦機(jī)理、鋼筋銷栓受剪機(jī)理以及剪力鍵機(jī)理等。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范[1～2]對(duì)預(yù)制柱底部水平接縫的受剪承載力計(jì)算都有較為全面的要求和規(guī)定。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)預(yù)制柱底部接縫受剪機(jī)理做了一部分研究，Birkeland P W等[3]針對(duì)裝配式混凝土柱的水平縫抗剪機(jī)理提出了有關(guān)理論，認(rèn)為結(jié)構(gòu)會(huì)在水平荷載的作用下沿著柱水平縫接觸面產(chǎn)生滑移，而鋼筋內(nèi)沿其軸線方向存在拉應(yīng)力，此拉應(yīng)力會(huì)在混凝土接觸面上產(chǎn)生壓應(yīng)力，接觸面為粗糙構(gòu)造，因此在滑移的過(guò)程中這種壓應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生摩擦力，柱接觸面的抗剪承載力主要由此摩擦力構(gòu)成。Mast R F[4]對(duì)19個(gè)具有中心裂縫的試件進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值模擬，以研究水平接縫的受剪機(jī)理，結(jié)果表明，水平接縫的抗剪強(qiáng)度受混凝土的強(qiáng)度和鋼筋數(shù)量的影響，但其并不顯著影響接觸面發(fā)生滑移的時(shí)機(jī)且水平接觸面的摩擦系數(shù)與混凝土強(qiáng)度無(wú)關(guān)。鄧艾等[5]等應(yīng)用中國(guó)及日本規(guī)范水平縫抗剪承載能力計(jì)算公式，計(jì)算了96組截面的預(yù)制混凝土柱的承載能力并對(duì)中日規(guī)范進(jìn)行分析總結(jié)，提出了改進(jìn)的水平縫抗剪承載能力的計(jì)算公式，有限元分析結(jié)果表明，預(yù)制柱在小軸壓比下會(huì)發(fā)生水平縫的剪切滑移破壞，而中國(guó)規(guī)范關(guān)于水平縫的抗剪承載能力公式表明滑移破壞不可能發(fā)生，與實(shí)際結(jié)果有較大差異，準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步研究。

某采用裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)體系的多層建筑預(yù)制構(gòu)件主要采用預(yù)制混凝土柱，預(yù)制柱應(yīng)用比例為35%。本文以該工程為例，總結(jié)了預(yù)制混凝土柱底部接縫的受剪承載力計(jì)算方法，為預(yù)制裝配式建筑提供設(shè)計(jì)參考。

1 預(yù)制柱底部接縫受剪承載力計(jì)算方法

1.1 我國(guó)規(guī)范中規(guī)定的計(jì)算方法

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范[1]中給出了預(yù)制柱底部接縫受剪承載力的計(jì)算方法，該計(jì)算公式主要考慮了結(jié)合面摩擦作用和縱筋銷栓抗剪作用。

根據(jù)規(guī)范，預(yù)制柱柱底接縫的受剪承載力應(yīng)符合下列規(guī)定[1]

持久設(shè)計(jì)狀況下

地震設(shè)計(jì)狀況下

在預(yù)制柱端部箍筋加密區(qū)，尚應(yīng)符合下式要求

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；Vjd為持久設(shè)計(jì)狀況下接縫剪力設(shè)計(jì)值；VjdE為地震設(shè)計(jì)狀況下接縫剪力設(shè)計(jì)值；Vu為持久設(shè)計(jì)狀況下柱端底部接縫受剪承載力設(shè)計(jì)值；VuE為地震設(shè)計(jì)狀況下柱端底部接縫受剪承載力設(shè)計(jì)值；Vmua為被連接預(yù)制柱端部按實(shí)配鋼筋面積計(jì)算的斜截面受剪承載力設(shè)計(jì)值；ηj為接縫受剪承載力增大系數(shù)，抗震等級(jí)為一、二級(jí)取1.2，三、四級(jí)取1.1；γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)。

對(duì)于持久設(shè)計(jì)狀況，按式（1）進(jìn)行驗(yàn)算；對(duì)于地震設(shè)計(jì)狀況，柱端箍筋非加密區(qū)按式（2）進(jìn)行驗(yàn)算；柱端箍筋加密區(qū)則按式（2）和式（3）進(jìn)行包絡(luò)驗(yàn)算；承載力抗震調(diào)整系數(shù)受剪時(shí)取0.85。

式（3）主要是確保預(yù)制柱箍筋加密區(qū)底部接縫實(shí)現(xiàn)強(qiáng)連接，保證不在接縫處發(fā)生破壞，因此要求接縫的承載力設(shè)計(jì)值要大于被連接構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)值乘以強(qiáng)連接系數(shù)。

地震設(shè)計(jì)狀況下柱端底部接縫受剪承載力設(shè)計(jì)值可按下式計(jì)算[1]

預(yù)制柱受壓時(shí)

預(yù)制柱受拉時(shí)

式中：fc為預(yù)制柱混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fy為垂直穿過(guò)結(jié)合面鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；N為與剪力設(shè)計(jì)值V相應(yīng)的垂直于結(jié)合面的軸向力設(shè)計(jì)值取絕對(duì)值進(jìn)行計(jì)算；Asd為垂直穿過(guò)結(jié)合面所有鋼筋的面積。

預(yù)制柱底截面按實(shí)配箍筋面積計(jì)算的斜截面受剪承載力設(shè)計(jì)值Vmua，可按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中式11.4.7和式11.4.8計(jì)算。

該項(xiàng)目中預(yù)制柱截面尺寸為800 mm×800 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，縱筋和箍筋采用HRB400三級(jí)鋼，抗震等級(jí)為二級(jí)，接縫受剪承載力增大系數(shù)為1.2，柱剪跨比為2.45，柱端加密區(qū)箍筋實(shí)配為8 mm@100 mm，箍筋面積為251.2 mm2，軸壓力設(shè)計(jì)值為1 120.8 kN，按式（2）和式（3）進(jìn)行包絡(luò)計(jì)算，其中式（3）起控制作用。根據(jù)GB 50010—2010中式11.4.7，計(jì)算得到Vmua為1 065.9 kN。由式（3）和式（4），可得

可知，當(dāng)預(yù)制柱實(shí)配縱筋面積＞2 799.7 mm2時(shí)，預(yù)制柱底部接縫受剪承載力可滿足要求。設(shè)計(jì)時(shí)，該預(yù)制柱實(shí)配縱筋為16根25 mm，縱筋總面積為7 856 mm2，滿足接縫受剪承載力驗(yàn)算所需的鋼筋面積要求。

1.2 考慮滑移影響的計(jì)算方法

鄧艾等[5]通過(guò)對(duì)中日規(guī)范的分析總結(jié)，考慮彎矩及水平縫滑移破壞的影響因素，建立了改進(jìn)的水平縫抗剪承載能力計(jì)算公式，在柱底發(fā)生滑移后，假設(shè)：受拉區(qū)由于鋼筋伸長(zhǎng)應(yīng)力達(dá)到屈服；受壓區(qū)由于鋼筋伸長(zhǎng)應(yīng)力釋放，為0，僅發(fā)揮銷栓作用。

水平縫的抗剪承載能力計(jì)算公式為

式中：N為預(yù)制柱在接縫處所受到的軸力；fy為受拉鋼筋的設(shè)計(jì)屈服值；As為受拉區(qū)鋼筋的截面面積；Nc為接縫處混凝土上承受的壓力；μ為接觸面的摩擦系數(shù)；Vc為水平縫處的摩擦抗剪作用；Asd為受壓區(qū)起到銷栓作用的鋼筋截面面積；fc為混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

因計(jì)算公式中考慮了受拉區(qū)鋼筋拉應(yīng)力對(duì)摩阻力的增強(qiáng)作用，此種計(jì)算方法計(jì)算得出的摩擦力較規(guī)范更大，銷栓作用更小。

2 預(yù)制柱底部接縫構(gòu)造要點(diǎn)

2.1 鍵槽構(gòu)造

預(yù)制柱底應(yīng)設(shè)置剪力鍵，預(yù)制柱結(jié)合面設(shè)置鍵槽可提高接縫的受剪承載力，其受剪性能隨鍵槽端部?jī)A角的減小而增大；但過(guò)小的傾角不易于施工。當(dāng)剪力鍵位置較低時(shí)，會(huì)形成角部局壓破壞，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。預(yù)制柱底部鍵槽應(yīng)均勻布置，鍵槽深度不宜＜30 mm，鍵槽端部斜面傾角不宜＞30°[1]。

2.2 結(jié)合面粗糙度要求

隨著結(jié)合面粗造程度的增加，預(yù)制柱接縫處受剪承載力提高，故預(yù)制柱頂面和底面應(yīng)設(shè)置粗糙面。預(yù)制柱頂應(yīng)設(shè)置粗糙面，預(yù)制柱的底部應(yīng)設(shè)置鍵槽且宜設(shè)置粗糙面，粗糙面的面積不宜小于結(jié)合面的80%，粗糙面凹凸深度不應(yīng)＜6 mm[1]。

2.3 柱縱筋連接構(gòu)造

預(yù)制柱中鋼筋接頭處套筒外側(cè)箍筋的混凝土保護(hù)層厚度不應(yīng)＜20 mm；套筒間的凈距不應(yīng)＜25 mm；柱縱筋直徑不宜＜20 mm；預(yù)制柱縱筋在柱底采用套筒灌漿連接時(shí)，柱箍筋加密區(qū)長(zhǎng)度不應(yīng)小于縱向受力鋼筋連接區(qū)域長(zhǎng)度與500 mm之和；套筒上端第一道箍筋距離套筒頂部不應(yīng)＞50 mm[1]。

3 預(yù)制柱設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1）預(yù)制柱縱筋盡量采用大直徑鋼筋（d≥25 mm），以減少預(yù)制構(gòu)件鋼筋數(shù)量以及鋼筋連接接頭數(shù)量。

2）梁布置時(shí)應(yīng)控制梁柱偏心距不超過(guò)1/4，盡量不采用加腋方案，避免因加腋梁帶來(lái)的施工困難等問(wèn)題。

3）梁布置時(shí)應(yīng)盡量居中，當(dāng)不能居中布置時(shí)，建議梁與柱邊錯(cuò)開(kāi)50 mm以上，以避免出現(xiàn)梁與柱一邊對(duì)齊時(shí)梁縱筋與柱縱筋位置沖突，施工時(shí)安裝困難等問(wèn)題。

4）對(duì)偏心受拉的框架柱以及軸壓力較小的框架柱宜采用現(xiàn)澆法。

5）應(yīng)盡量避免框架柱形成剪跨比＜2的短柱，因?yàn)槎讨鶎?dǎo)致預(yù)制柱箍筋配筋增大，實(shí)配箍筋反算的柱端剪力Vmua過(guò)大，柱底接縫受剪承載力計(jì)算不易滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了預(yù)制柱底部接縫受剪承載力計(jì)算方法，包括我國(guó)規(guī)范中規(guī)定的和國(guó)內(nèi)學(xué)者提出的兩種方法。通過(guò)對(duì)預(yù)制柱底部接縫受剪機(jī)理、接縫受剪承載力計(jì)算以及接縫縱筋連接構(gòu)造等內(nèi)容的分析和計(jì)算，給出了預(yù)制柱設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)，可為類似裝配式建筑的設(shè)計(jì)提供參考。