裝配式剪力墻新型水平連接節(jié)點創(chuàng)新研究

王成元 王 娟 曾雯琳 張玉程 張武

(新余學(xué)院建筑工程學(xué)院，江西 新余338000)

0 引言

裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)以其高效、環(huán)保的特點在建筑結(jié)構(gòu)中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。由于裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件多為廠家預(yù)制而成。裝配式剪力墻預(yù)制構(gòu)件之間通過有效的節(jié)點連接形成一個共同受力體系，節(jié)點處的連接質(zhì)量成為裝配式結(jié)構(gòu)能否抵抗外力荷載作用的重要因素，是裝配式結(jié)構(gòu)受力的薄弱環(huán)節(jié)[2]。裝配式結(jié)構(gòu)破壞通常表現(xiàn)為預(yù)制構(gòu)件破壞較輕，節(jié)點和鋼筋連接處失效，從而使整個受力體系破壞[3]。所以，節(jié)點處鋼筋的連接技術(shù)是進(jìn)行裝配式混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究的重要部分，對推動裝配式建筑的發(fā)展有促進(jìn)作用[4]。

目前，裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點連接分為鋼筋連接、型鋼連接和其他連接方式。但現(xiàn)階段裝配式剪力墻連接節(jié)點的不穩(wěn)定、施工繁瑣等問題仍較為突出，因此，設(shè)計一種合理且高效的新型連接方式，使裝配式建筑在裝配環(huán)節(jié)能夠保證結(jié)構(gòu)的安全性的同時，具有施工快捷、高效、環(huán)保的優(yōu)勢。

1 裝配式剪力墻連接方式及要點分析

1.1 裝配式剪力墻鋼筋連接方式

鋼筋連接方式有套筒灌漿連接、漿錨鋼筋搭接、機(jī)械連接等。

1.1.1 套筒灌漿連接

套筒灌漿連接是在上層混凝土預(yù)制構(gòu)件中預(yù)留套筒，下層預(yù)制構(gòu)件預(yù)留的鋼筋插入上層套筒中，通過套筒與微膨脹灌漿料的相互擠壓作用，使套筒內(nèi)側(cè)與鋼筋帶肋表面之間產(chǎn)生正向作用力，鋼筋可以借助該豎直方向上的正向力在其帶肋、粗糙表面產(chǎn)生足夠的縱向摩擦力，從而實現(xiàn)應(yīng)力在受力鋼筋之間的可靠傳遞，套筒灌漿連接如圖1所示。

圖1 套筒灌漿連接

為了驗證這種水平連接方式在裝配式剪力墻中運用的可靠性，對5個預(yù)制剪力墻試件試驗后，證明了套筒灌漿連接在應(yīng)對連接豎向鋼筋的問題上是安全有效的。

套筒灌漿連接有著適用面廣和施工簡便的優(yōu)點，是一種安全、穩(wěn)定的連接方式，同時在對框架柱的縱向鋼筋和剪力墻中，基本實現(xiàn)“裝配等同現(xiàn)澆”理念[5]。然而此連接在混凝土灌漿時易受積水、空泡等影響，且施工現(xiàn)場條件和技術(shù)水平也會導(dǎo)致灌漿時飽滿程度難以保證。

1.1.2 漿錨鋼筋搭接

漿錨鋼筋連接是預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的一種常見縱向鋼筋連接方式，在混凝土預(yù)制墻柱體構(gòu)件中預(yù)留連接孔，通過灌注專用的高強水泥基漿料與帶肋鋼筋作用連接，可以使連接空腔內(nèi)部通過荷載鋼筋的搭接而達(dá)到鋼筋之間的應(yīng)力傳遞[6]，漿錨鋼筋連接如圖2所示。此技術(shù)核心在于灌漿料的質(zhì)量，需具備高強、穩(wěn)定、早強等特點。

圖2 預(yù)留孔漿錨搭接

為了證明此連接方式的可靠性，將搭接長度、混凝土強度和鋼筋直徑設(shè)為變量，對108個漿錨鋼筋連接構(gòu)件施加單向拉伸荷載，并對運用此連接的剪力墻墻體進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗，結(jié)果顯示約束漿錨鋼筋搭接的連接方式是可行的。通過拔拉試驗，發(fā)現(xiàn)81個試件均因外部鋼筋屈服而被破壞，也可表明這種連接方式是可靠的。為了能使施工工序進(jìn)一步簡化，對漿錨鋼筋搭接研究發(fā)現(xiàn)，除了在試驗前期相較于現(xiàn)澆試件的耗能能力更好，在應(yīng)力的傳遞上也表現(xiàn)出色，可使施工簡化，值得推廣。

1.1.3 機(jī)械連接

在預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，將相鄰兩根受力鋼筋用漿錨搭接接頭、套筒灌漿連接接頭或者按照其他的連接方式進(jìn)行連接，使鋼筋承壓端和連接試件相互咬合以均勻傳遞應(yīng)力。

通過調(diào)查報告分析顯示，日本在2010年鋼筋的連接方式已有60種余種，而機(jī)械連接就占60%，表明鋼筋機(jī)械連接可靠性深受認(rèn)可。我國從1980年就開始對鋼筋的螺栓連接等機(jī)械連接方式進(jìn)行研究，證明該連接方式在各項工程的運用中幾乎不受天氣影響，施工快，無污染。

1.2 裝配式剪力墻型鋼連接方式

裝配式剪力墻型鋼連接方式主要包括焊接預(yù)埋型鋼、高強螺栓連接預(yù)埋型鋼、鋼管混凝土套筒灌漿連接等。

1.2.1 焊接預(yù)埋型鋼

使用焊接H型鋼的方式連接混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，此連接方式效率高、結(jié)構(gòu)簡單、施工過程簡易、連接節(jié)點安全。但此連接方式在制作時需高度精確，在后期的澆筑處理過程中需要花費不少的時間。

1.2.2 高強螺栓連接預(yù)埋型鋼

高強螺栓按照“干連接”連接方式可以將預(yù)制剪力墻連接成抗彎、抗剪的整體，很大程度地提高了裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性。總結(jié)預(yù)埋型鋼連接的經(jīng)驗，提出了一種采用螺栓連接水平縫的連接方式，其優(yōu)勢在于作業(yè)環(huán)境干燥、施工方便，能夠有效承受墻體的各項荷載。但是這種連接方式需使用大量的螺栓，因而對其裸露節(jié)點的金屬表面需要有較高的防腐要求。因此，通過設(shè)計一種新型水平節(jié)點連接方式，該連接方式減少了螺栓的使用數(shù)量，且節(jié)點構(gòu)造簡單，其連接鋼材的剛度和強度可以通過改變高強螺栓來調(diào)節(jié)節(jié)點連接處的力學(xué)性能，與現(xiàn)澆連接近似等效[7]。但此連接方式對預(yù)制墻體的精度要求高，且螺栓易腐蝕。

1.2.3 鋼管混凝土套筒灌漿連接

鋼管混凝土套筒灌漿連接是由鋼筋、高強水泥基漿料及鋼套筒所組成，依靠高強水泥灌漿料作用構(gòu)成穩(wěn)定可靠的整體，如圖3所示。這三者在受到外部荷載的情況下能夠相互作用，完成作用力的傳遞。

圖3 鋼管套筒灌漿連接

通過對此連接方式的鋼管混凝土剪力墻進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)此連接設(shè)備在方鋼管混凝土破壞之后才被破壞，這表明連接設(shè)備的強度大于方鋼管混凝土，證明了此連接方式設(shè)計合理、可靠安全。我國現(xiàn)階段主要是以“強節(jié)點弱構(gòu)件”的理念來進(jìn)行水平連接節(jié)點裝配式剪力墻的設(shè)計。所以此連接的強度是影響此連接件整體連接性能的主要因素[8]。

1.3 裝配式剪力墻其他連接方式

1.3.1 后張預(yù)應(yīng)力連接

后張預(yù)應(yīng)力連接如圖4所示。后張預(yù)應(yīng)力連接可以通過施加豎直方向上的作用力以增強接合面的抗剪能力，從而提供良好的結(jié)構(gòu)恢復(fù)性能，便于地震災(zāi)后的修復(fù)。整根預(yù)應(yīng)力筋在預(yù)留孔道內(nèi)穿束、張拉等施工工藝較復(fù)雜，后張無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨固的安全性和可靠性也還存在缺陷，安裝效率不夠高，尤其對于高層裝配式框架，標(biāo)準(zhǔn)層裝配施工時間還有待提升[9]。按照有無黏結(jié)可以分為后張有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力連接和后張無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力連接。后張有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力連接的特點是有很高的安全性、可靠性，對錨具依賴性較低，但造價偏高，施工過程繁瑣，施工危險性高。后張無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力連接的特點是施工作業(yè)較前者簡單，受地震作用影響小，但其抗火性能差，施工存在安全隱患。

圖4 后張預(yù)應(yīng)力連接

通過設(shè)計裝配式短肢剪力墻的模型，并進(jìn)行了剪力墻擬靜力試驗探究其抗震性能，結(jié)果表明“強墻弱梁”的構(gòu)造原理是可以在后張無黏結(jié)剪力墻的合理設(shè)計中實現(xiàn)的，同時在對使用后張無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力連接加大荷載時，主要在墻與連梁的連接處發(fā)生塑性變形，其他部位幾乎沒有發(fā)生破壞，方便后期的修復(fù)。

1.3.2 剪力墻混合裝配式連接

為了對新型混合裝配式混凝土剪力墻的性能進(jìn)行研究，通過多次低周往復(fù)加載試驗發(fā)現(xiàn)，與一般混凝土剪力墻相比，這種結(jié)構(gòu)承載能力、剛度和抗裂能力明顯提高。同時，通過對采用縱向無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋連接的預(yù)制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗表明，預(yù)應(yīng)力鋼筋貫穿試件的連接，能夠有助于震后的修復(fù)和自復(fù)位，而在剪力墻墻體邊緣處布置高強鋼筋也有助于地震耗能。分析發(fā)現(xiàn)該剪力墻混合裝配式連接具有不錯的可靠性，滿足設(shè)計要求，可以應(yīng)用于中、大地震等地區(qū)。

1.3.3 多孔剪力墻插筋連接

對使用多孔剪力墻插筋連接的裝配式預(yù)制墻體試件進(jìn)行了相關(guān)試驗，發(fā)現(xiàn)一字型的墻體試件墻角處均被破壞，但是墻體試件的水平方向并沒有出現(xiàn)較大錯位，證明此水平連接方式能夠達(dá)到墻體的抗剪要求，安全可靠。

2.2 兩組患兒實驗室數(shù)據(jù)比較 兩組患兒血鈣檢查結(jié)果比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，血鈉、血鉀、肝功能指標(biāo)丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶(ALT)及腎功能指標(biāo)肌酐(Cr)水平均在正常范圍內(nèi)，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。見表2。

從以上關(guān)于各種裝配式剪力墻連接的應(yīng)用和研究中，基于剪力墻試件各連接節(jié)點的準(zhǔn)靜態(tài)試驗或與普通剪力墻試件進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，各種連接方式在各自的范圍內(nèi)都能滿足抗震性能的要求，各有優(yōu)劣。

2 裝配式剪力墻新型水平連接方式——預(yù)留孔H型鋼連接

通過對現(xiàn)階段裝配式剪力墻的各種連接方式的性能及優(yōu)缺點進(jìn)行分析，結(jié)合其中的漿錨鋼筋搭接和焊接預(yù)埋型鋼連接方式的特點，提出了一種預(yù)留孔型鋼搭接的新型水平連接方式，如圖5所示。該連接方式主要包括4個部分：左右兩片預(yù)制密肋復(fù)合墻體、預(yù)埋鋼筋、待插入鋼筋、上下部H型鋼連接件。

圖5 預(yù)留孔H型鋼連接示意圖

2.1 預(yù)留孔型鋼連接的創(chuàng)新設(shè)計要點

（1）在一片預(yù)制密肋復(fù)合墻體連接節(jié)點上下部各設(shè)有一個T型凹槽，與另一片墻體的T型凹槽對應(yīng)形成H型凹槽，凹槽內(nèi)部做粗糙處理，通過上下部H型鋼連接件和高強水泥基漿料連接兩片預(yù)制密肋復(fù)合墻體。

（2）在一片預(yù)制密肋復(fù)合墻體（左）中，由一根全貫穿預(yù)埋鋼筋和左右兩個同軸線非貫穿預(yù)留孔將墻體按上中下三等分，預(yù)埋鋼筋在預(yù)留孔上方，全貫穿預(yù)埋鋼筋左右各伸出墻體的長度為預(yù)制密肋復(fù)合墻體長度的1/3，2個預(yù)留孔長度均為墻體長度的1/3。

（3）在另一片預(yù)制密肋復(fù)合墻體（右）中，也由一根全貫穿預(yù)埋鋼筋和左右兩個同軸線非貫穿預(yù)留孔將墻體按上中下三等分，預(yù)埋鋼筋在預(yù)留孔下方，全貫穿預(yù)埋鋼筋左右各伸出墻體的長度為預(yù)制密肋復(fù)合墻體長度的1/3，2個預(yù)留孔長度均為墻體長度的1/3。

2.2 施工工藝

（1）通過塔吊和相關(guān)技術(shù)人員的配合將一片全貫穿預(yù)埋鋼筋在預(yù)留孔上部的預(yù)制密肋復(fù)合墻體（左）平穩(wěn)運輸至指定位置的上方，由2～3個施工人員牽引到樓地面的連接處，等待與第二片墻體連接。

（3）對第一片墻體（左）右邊下方的預(yù)留孔和第二片墻體（右）左邊上方的預(yù)留孔均灌滿微膨脹的高強水泥基漿料。

（4）水平吊裝第二片墻體左移，引導(dǎo)全貫穿預(yù)埋鋼筋插入對應(yīng)的預(yù)留孔中。

（5）先后插入上、下部H型鋼至新型水平連接節(jié)點的上下部凹槽中，用高強水泥基漿料對其結(jié)合面進(jìn)行粘結(jié)。

（6）進(jìn)行下一片剪力墻墻體的裝配。

2.3 經(jīng)濟(jì)效益

此連接方式結(jié)合了現(xiàn)有的焊接預(yù)埋型鋼連接方式和預(yù)留孔漿錨搭接方式的特點，較傳統(tǒng)的裝配式水平連接方式具有以下優(yōu)勢：

（1）穩(wěn)定性、整體性較好。上下部H型鋼的強抗彎能力彌補了預(yù)留孔鋼筋連接方式的主體形式單一而可能在地震作用下導(dǎo)致的預(yù)制墻體邊緣或與梁、柱連接節(jié)點易開裂等問題。

（2）抗震性能好，震后易修復(fù)。在采用該新型連接方式下的預(yù)制密肋復(fù)合墻體和插入的兩根高強帶肋鋼筋作用下，可以達(dá)到較好的抗震要求，能應(yīng)用在多震、強震等地區(qū)，且在震后修復(fù)與自復(fù)位中表現(xiàn)也較為出色。

（3）安全高效、綠色環(huán)保。該新型連接方式適用性廣泛，裝配效率高，建筑能耗低，材料回收利用率高，符合可持續(xù)發(fā)展基本理念。

3 結(jié)束語

現(xiàn)階段，我國在裝配式剪力墻的連接方式上仍然存在著施工、檢測、補救困難且技術(shù)上體系存在不兼容等問題。為了解決這一技術(shù)難題，提出了一種裝配式剪力墻新型水平連接方式——預(yù)留孔H型鋼搭接方式，能夠很好地解決剪力墻水平連接的穩(wěn)定性問題，同時，具有提高施工安全性、減少環(huán)境污染、降低維護(hù)費用等優(yōu)勢，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。