裝配式混凝土結(jié)構(gòu)豎向接縫抗震受剪承載力計(jì)算

林麗萍，劉 霽，李 云，鄒艷花

(湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，湖南 湘潭 411201)

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展至今，在地震作用下，其接縫處的抗剪強(qiáng)度研究一直是重點(diǎn).各國(guó)對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)接縫處的抗剪強(qiáng)度的計(jì)算基于不同的破壞機(jī)理.美國(guó)建筑豎向接縫處的抗剪強(qiáng)度依據(jù)規(guī)范(ACI 318-08)[1]計(jì)算，該規(guī)范認(rèn)為其主要影響因素是剪切作用后接縫混凝土之間的摩擦作用，但去除了混凝土本身的抗剪作用.加拿大規(guī)范(CSA A23.3)[2]認(rèn)為不同時(shí)期澆筑的鋼筋混凝土界面的抗剪能力主要由摩擦剪力和縱筋銷(xiāo)栓作用組成.目前，我國(guó)主要將接縫分為豎縫和平縫，并依據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3](JGJ 1-2014)和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4](JGJ 3-2010)，在單一荷載作用下進(jìn)行設(shè)計(jì).很多學(xué)者對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的接縫抗剪強(qiáng)度、抗震性能等進(jìn)行了一系列的探討和研究.宋國(guó)華、王東煒等[5-6]考慮接縫寬度等影響因素，對(duì)豎向齒槽接縫抗剪強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，并給出了齒槽型接縫的抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式.陸偉等[7]利用數(shù)值分析法探討了受拉剪力墻的剪切破壞模式的判別標(biāo)準(zhǔn)，提出最大軸拉力判斷方法應(yīng)該采用滑移破壞公式還是剪壓破壞公式.余志武等[8]提出了裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的一種新型的連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，并對(duì)其抗震性能進(jìn)行研究.郭少華[9]對(duì)裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造在整體性研究上提出了建議.朱張峰等[10]則基于有限元模型探討了節(jié)點(diǎn)連接鋼筋構(gòu)造，并對(duì)預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)中間層邊節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究.

以上研究均是在未考慮地震作用，豎向構(gòu)件可類(lèi)似水平構(gòu)件承受彎剪作用時(shí)，且豎向接縫在一定的截面尺寸條件下獨(dú)立作為彎剪構(gòu)件承擔(dān)剪力的研究.基于此，以裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)中相鄰一字墻連接豎縫為例，將豎向接縫作為獨(dú)立構(gòu)件，提出抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式.

1 受剪承載力計(jì)算公式分析

本文考慮的是在地震作用下豎向接縫作為獨(dú)立構(gòu)件的受剪承載力的計(jì)算.在地震作用下，豎向構(gòu)件主要承受地震水平荷載的影響，類(lèi)似于受彎構(gòu)件的受力狀態(tài)，故參考了以下規(guī)范及文獻(xiàn)進(jìn)行探討.

1.1 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中受彎構(gòu)件斜截面受剪承載力

當(dāng)配置箍筋和彎起鋼筋時(shí)，矩形、T 形和I形截面受彎構(gòu)件(獨(dú)立梁)的斜截面受剪承載力應(yīng)符合式(1)規(guī)定[11]：

1.2 裝配式大板結(jié)構(gòu)齒槽豎向接縫受剪承載力

文獻(xiàn)[5]給出了裝配式大板結(jié)構(gòu)齒槽型接縫的受剪承載力計(jì)算公式.其受剪承載力主要由接合筋作用和接縫處混凝土斜桿作用2 部分組成.接縫處接合筋作用需在接縫處混凝土壓力僅作用于齒槽且均勻分布，以及在反復(fù)荷載作用下混凝土接縫處齒槽表面的剪切摩擦系數(shù)相等的條件下發(fā)生.

裝配式大板結(jié)構(gòu)齒槽型接縫考慮在抗震作用下的受剪承載力為

1.3 梁端齒槽接頭受剪承載力

通過(guò)剪力傳遞機(jī)理分析，在一定剪跨比范圍內(nèi)，齒槽式梁端頭的極限受剪承載力可用式(3)[12]表示：

2 開(kāi)裂前齒槽豎向接縫作為獨(dú)立構(gòu)件受剪承載力計(jì)算公式

綜合分析受剪承載力計(jì)算式(1)～式(3)發(fā)現(xiàn)：式(1)中抗剪能力主要由混凝土本身抗剪作用、箍筋的抗剪作用、彎起鋼筋的抗剪作用以及預(yù)應(yīng)力彎起鋼筋的抗剪作用組成；式(2)中其抗剪能力主要由齒槽的斜桿作用和結(jié)合筋的銷(xiāo)栓作用組成；式(3)中主要考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度、受拉鋼筋和受壓鋼筋的抗剪作用，以及截面受壓引起的摩擦作用.

本文將接縫看作受彎構(gòu)件獨(dú)立梁進(jìn)行抗剪計(jì)算，接縫截面形式依據(jù)文獻(xiàn)[5]所給形式進(jìn)行分析，見(jiàn)圖1.由圖1 可知，Y方向兩側(cè)有墻體，剛度較大，故地震作用下水平荷載主要在X方向產(chǎn)生彎剪作用.在受力過(guò)程中，式(2)中的齒槽產(chǎn)生的杠桿作用在X方向未形成，配置的結(jié)合筋也未能在X方向起到箍筋或彎起鋼筋的作用，但其結(jié)合筋銷(xiāo)栓作用依然存在；且在地震作用下引起的水平荷載會(huì)對(duì)獨(dú)立梁形成壓力作用.因此，接縫X方向抗剪能力主要從混凝土本身的抗剪作用Vc，接縫結(jié)合筋的銷(xiāo)栓作用Vs以及受壓引起的摩擦作用Vf這3 個(gè)方面考慮，提出接縫作為獨(dú)立構(gòu)件的受剪承載力計(jì)算公式：

圖1 豎向接縫截面形式/mm

由表1 可知，接縫的抗剪強(qiáng)度隨接縫寬度增加而遞增，隨鋼筋直徑增大而遞增.本文提出的公式計(jì)算值均高于破壞荷載值和文獻(xiàn)[5]的計(jì)算值，這說(shuō)明在地震引起的水平荷載作用下，接縫作為獨(dú)立梁構(gòu)件抵抗剪力能力高于接縫接觸面薄弱處，若接縫接觸面開(kāi)裂，但接縫整體穩(wěn)定的情況下可作為受彎構(gòu)件獨(dú)立梁繼續(xù)抗剪，也可在一定程度上保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性.

表1 抗剪強(qiáng)度計(jì)算值比較

3 開(kāi)裂后齒槽豎向接縫作為獨(dú)立構(gòu)件受剪承載力計(jì)算公式

本文所提式(6)中的Vf是在接縫與兩側(cè)墻體保持整體接觸情況下，產(chǎn)生的摩擦作用.當(dāng)接縫受荷載破壞時(shí)，其摩擦作用減弱甚至消失，則其抗剪作用將大大降低.因式(6)與齒槽數(shù)無(wú)關(guān)，故可經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的混凝土表面粗糙工序后，選擇雙齒槽或矩形接縫形式皆可.基于“大震不倒，中震可修，小震不壞”的抗震設(shè)計(jì)原則，對(duì)接縫進(jìn)行配筋設(shè)計(jì).考慮施工方便，可將直線型結(jié)合筋改為在預(yù)制墻體中預(yù)設(shè)U 型箍或環(huán)型箍，其平行墻體鋼筋可作為結(jié)合筋，發(fā)揮結(jié)合筋銷(xiāo)栓作用，垂直墻體鋼筋可作為箍筋，增加箍筋的抗剪作用.結(jié)合筋布置形式見(jiàn)圖2，其三維示意圖見(jiàn)圖3.顯然，當(dāng)接縫裂開(kāi)后，無(wú)摩擦作用時(shí)的齒槽豎向接縫受剪承載力計(jì)算公式可變形為

圖2 結(jié)合筋布置形式

圖3 結(jié)合筋配置三維示意

齒槽接縫結(jié)合筋與混凝土之間的摩擦作用對(duì)接觸面會(huì)產(chǎn)生較大摩擦壓力，從而破壞齒槽內(nèi)的混凝土，降低其抗剪能力，故接縫配筋率建議取值范圍為0.25%～1.5%.

4 算例

選取某裝配式大板結(jié)構(gòu)舊房改造設(shè)計(jì)項(xiàng)目為算例.該項(xiàng)目采用了外殼預(yù)制接縫現(xiàn)澆的裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)房屋進(jìn)行防水和抗震性能的改造.其豎向接縫截面形式采用雙齒槽截面，配筋采用U 型筋.圖4 為算例截面圖.

圖4 算例豎向接縫截面形式/mm

4.1 抗剪設(shè)計(jì)

4.2 U 型筋間距計(jì)算

算例所得豎向接縫的截面尺寸和配筋結(jié)果可保證外殼預(yù)制結(jié)構(gòu)在抗震作用下的整體穩(wěn)定性.

5 結(jié)語(yǔ)

1)基于齒槽豎向接縫受剪承載力研究，發(fā)現(xiàn)接縫可作為獨(dú)立構(gòu)件進(jìn)行抗剪.接縫整體穩(wěn)定且在未開(kāi)裂的情況下可作為獨(dú)立構(gòu)件繼續(xù)抗剪，其抗剪能力主要包括混凝土本身的抗剪強(qiáng)度、接縫結(jié)合筋的銷(xiāo)栓作用以及作用平面內(nèi)壓力引起的摩擦作用，并提出了受剪承載力計(jì)算公式.

2)通過(guò)改變結(jié)合筋形式，如采用U 型箍筋或環(huán)形箍筋，可以保證結(jié)合筋的銷(xiāo)栓作用，還可將垂直于墻體方向的鋼筋作為抗剪箍筋，對(duì)豎向接縫增加箍筋抗剪作用，以保證接縫開(kāi)裂后的抗剪能力，并提出了接縫開(kāi)裂后、無(wú)摩擦作用下，齒槽豎向接縫作為獨(dú)立構(gòu)件的受剪承載力計(jì)算公式.

3)本文所提出的公式(式(6)～式(7))表明了地震作用下豎向裂縫可作為獨(dú)立構(gòu)件抗剪，保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性.