預制預裝修模塊化箱體連接節點力學性能試驗研究

段良杰，郁有升,*，王 濤，付長春

(1.青島理工大學 土木工程學院，青島 266525；2.青島青建理工建筑工業化研究院有限公司，青島 266033)

裝配式建筑具有現場施工人數少以及施工速度快等優點，在我國得到大力發展。PPVC(Prefabricated Prefinished Volumetric Construction)指預制預裝修模塊化箱體，是將一個可運輸尺度內的完整房間在預制工廠進行組裝加工、裝修、安裝固定設備，達到模塊內精裝修入住前的程度后再運到工地進行現場吊裝[1]，類似于搭積木。箱式模塊大部分在工廠預制，裝配率高，能大大減少現場施工作業，有利于環境保護。

箱式模塊之間的連接主要靠預埋件以及連接件把來自相鄰的兩個模塊的混凝土墻連成一體來承受樓板傳遞來的荷載[2]，如圖1所示。 PPVC的連接主要分為上下模塊之間的連接，如模塊2與模塊3；水平模塊之間的連接，如模塊1與模塊2。墻1與墻2之間的連接方式為波紋管內插入鋼筋并在波紋管內灌漿，如圖2所示，此種墻體厚度往往在20 cm左右；墻5與墻6之間的連接方式為軟索拉環內插入鋼筋并進行灌漿，此種墻體厚度較為單薄，單片墻體厚度在9 cm左右，墻體的結合面位置處采用花紋鋼板做底模，對其作刻印花紋處理，以增加結合面的粗糙程度，如圖3所示。目前國內針對預制裝配式墻體的連接形式及結合面處的抗剪性能進行了大量的試驗探究，淡浩等[3]設計制作了3個整澆對比試件以及48個采用不同粗糙度處理的試件對其進行直剪試驗，研究表明采用沖射露骨料的方法其結合面的抗剪性能最優，結合面處的空隙表面積越大，其抗剪能力越好；陳峰等[4]設計制作了以自密實混凝土(SCC)進行新老混凝土連接的試件，對其進行直剪試驗研究，試驗結果表明，自密實混凝土與老混凝土的黏結性能優于普通混凝土，提出了自密實混凝土與老混凝土黏結抗剪強度的計算式；黃遠等[5]對采用3個墻與墻軟索連接以及三個樓板與樓板軟索連接的試件進行了靜力加載試驗，試驗結果表明，拼縫抗剪承載力主要由軟索受拉產生的界面抗剪摩擦力和軟索自身的銷栓力組成；曹春利等[6]對雙面疊合剪力墻水平連接節點和現澆連接節點進行豎向荷載及循環剪切荷載的試驗，表明灌漿層和上下墻體的交界面出現水平裂縫，水平連接節點與現澆節點抗剪承載力一致。

圖1 模塊拼裝

圖2 墻體上下連接

圖3 墻體水平連接

目前PPVC建筑已在新加坡得到廣泛應用，但還未在我國得到大力發展，其不同模塊墻體的連接性能是否符合我國規范還有待于進一步的驗征。國內針對墻體的連接已經做了大量的研究[7]，但是對于墻體水平連接靠軟索拉環內插入鋼筋并進行灌漿的方式，國內的研究還較少。因此本文設計制作了2個直剪試驗試件、2個軸壓試驗試件、1個壓剪試驗試件進行試驗研究，分析其在不同加載方式下連接節點的力學性能。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

直剪試驗試件由400 mm×400 mm×400 mm方形試塊組成，在其結合面位置處采用花紋鋼板對其表面做粗糙處理，如圖4所示。軸壓與壓剪試驗試件均采用花紋鋼板對結合面做粗糙處理。軸壓試驗試件的長、寬、高分別為200，500，2000 mm，拉環沿墻體高度每隔500 cm布置，配筋及其尺寸如圖5所示。壓剪試驗試件由加載梁、雙皮墻體以及地梁組成，配筋及其尺寸如圖6所示。

圖4 直剪試驗試件(單位：mm)

圖5 軸壓試驗試件(單位：mm)

圖6 壓剪試驗試件(單位：mm)

壓剪試驗試件由于制作過程較為復雜，故對壓剪試驗試件制作過程作一定說明。首先對墻體下半部分進行拼裝，將墻體下半部分軟索拉環扣出，如圖7(a)所示；其次在對接位置處插入插筋，控制墻體間隙為20 mm，如圖7(b)所示，利用密封膠將墻體底部四周拼接縫位置處密封，對下半部分墻體進行灌漿；最后將插筋插入上半部分墻體拉環對接處，并采用槽鋼將其與下半部分墻體暫時固定，墻體上下拼縫之間預留20 mm空隙，在拼縫位置處進行密封處理并進行灌漿，如圖7(c)所示。

圖7 壓剪試驗試件的制作過程

1.2 試件的加載方案與量測內容

1.2.1 直剪試驗

將400 mm×400 mm×400 mm的立方體試件置于直剪試驗加載裝置上。豎向荷載作用于頂部150 mm×400 mm的鋼板上，不斷進行加載直至試件破壞。

1.2.2 軸壓試驗

正式加載試驗之前先進行預加載，加載至預估承載力的15%，然后再進行正式加載，當加載至其極限承載力的70%以后，停止加載,觀察在豎向荷載作用下的試驗破壞現象。

1.2.3 壓剪試驗

試件的豎向荷載由試件頂部的液壓千斤頂施加，水平荷載由液壓伺服作動器施加。在加載過程中首先進行預加載，觀察各儀器是否正常，然后進行正式加載。先施加豎向荷載，并保持豎向荷載不變，通過分配梁與加載梁將荷載均勻加到墻體頂部，再進行水平荷載的施加，當墻體的承載力降到其極限承載力的85%時停止加載[8]。為了防止地梁產生位移，在地梁兩側各設置千斤頂，地梁上部設置壓梁，如圖8(a)所示。

在加載梁、墻體以及地梁位置處分別布置位移計；布置豎向鋼筋及水平拼縫位置處的混凝土應變片，如圖8(b)所示。

圖8 壓剪試驗裝置

2 試驗現象與破壞模式

2.1 直剪試驗

在試件加載過程中，結合面處的剪應力主要靠預制混凝土與灌漿料之間的黏結力，裂縫首先產生在試件頂部，最后新老混凝土結合面處發生突然性的剪切破壞。從圖9中可以看出，新老混凝土之間的結合面

圖9 直剪試驗試件的破壞現象

為該試件的薄弱位置，部分灌漿料被包裹在預制混凝土的凹槽里，試件角部位置發生混凝土壓碎現象。

2.2 軸壓試驗

在試件加載初期，試件表面無明顯變化，此時正處于彈性階段。隨著位移荷載的增加，墻體側表面開始出現裂縫，隨著位移荷載不斷增加，裂縫也不斷延伸與發展，最終延伸至預制墻體與灌漿料結合面位置處，同時墻體加載端的角部混凝土開始出現壓碎現象。在軸壓荷載的作用下，預制墻體與灌漿料未出現明顯的豎向裂縫，如圖10所示。

圖10 軸壓試驗試件的破壞現象

2.3 壓剪試驗

在水平位移加載到6 mm左右時，墻體無裂縫出現。在水平位移加載到7 mm左右時，墻體西側水平縫位置處出現一條水平裂縫，并隨著位移荷載的增加，不斷延伸與發展，在延伸至截面2/3位置處時，沿與水平夾角呈60o向墻體下部延伸。當水平位移加載至10 mm左右時，墻體西側與水平縫交接位置處，墻體上半部分混凝土局部出現豎向裂縫，并伴有混凝土脫落現象，與此同時，墻體東側下半部分墻體也開始出現混凝土鼓裂脫落現象。當水平位移加載到13 mm左右時，墻體西側水平縫位置處開始出現一定的滑移，墻體西側上部分墻體產生一定的翹曲，混凝土也出現大量脫落現象，此時墻體東側底部混凝土被壓碎。當水平位移加載到15 mm左右時，墻體承載力下降到極限承載力的85%，停止加載，此時試驗結束，如圖11所示。

圖11 壓剪試驗試件的破壞現象

3 試驗結果及承載力分析

3.1 直剪試驗

由圖12可以看出，加載階段前期，曲線上升較為緩慢，隨著荷載的增加，曲線斜率逐漸上升，最終試件在達到其極限抗剪強度時，試件發生突然性的脆性破壞，無延性發展。2個試件的極限抗剪承載力分別為337.1，303.2 kN。結合面所承受的極限剪應力為τ=F/2A，分別為1.05，0.95 N/mm2，其中F為極限抗剪承載力，A為結合面面積。

圖12 直剪試驗試件的荷載位移曲線

3.2 軸壓試驗

由圖13可以看出，在加載階段初期曲線斜率較低，隨著位移的增加，曲線斜率有所增加；當2個試件的位移達到4～5 mm左右時，曲線存在一定的下降階段；當達到試件的極限承載力時，試件承載力下降迅速，試件的極限承載力分別為2888,3116 kN，墻體破壞的本質是混凝土兩端被壓碎。

圖13 軸壓試驗試件的荷載位移曲線

3.3 壓剪試驗

由圖14可以看出，在加載階段初期曲線斜率基本呈線性分布，表明此階段墻體還處于彈性階段；隨著位移的增加，曲線斜率有所降低，表明墻體的剛度有所下降，墻體的最大水平抗剪承載力為203 kN，試件的極限位移為15.28 mm。

圖14 壓剪試驗試件的荷載位移曲線

3.4 拼縫連接性能分析

從軸壓試驗以及壓剪試驗破壞現象可以看出，墻體的豎向拼縫位置處未出現豎向裂縫，表明采用軟索拉環內插入鋼筋并進行灌漿的方式能夠將墻體連接在一起。在壓剪試驗中，墻體之間的上下連接部位出現水平裂縫并存在水平滑移，由于水平拼縫處的滑移，使得水平拼縫位置處的插筋承受拉(壓)剪復雜內力，造成了此位置處的鋼筋過早屈服；墻體右側水平縫位置處混凝土承受了較大的壓剪內力，過早發生了壓碎而提前退出工作，墻體的薄弱位置在水平拼縫位置處；拼縫位置處主要靠界面之間的黏結力、鋼筋的銷栓作用力、混凝土與灌漿料之間的界面摩擦力來抵抗水平剪力；由圖15可知，墻體水平縫位置處左側混凝土承受拉應力，右側呈受壓應力，因此水平裂縫由左側向右側延伸且左側部分墻體向上翹曲。

圖15 墻體受力情況

圖16為壓剪試驗試件在水平作動器達到10 mm位移時墻體的層間位移情況。在豎直高度700～900 mm內，曲線斜率較高，表明試件在拼縫位置處的位移變化較大；下半部分墻體的變形較小。

圖16 壓剪試驗試件的層間位移

4 結論

1) 從直剪試驗結果可知，試件在達到極限抗剪承載力時，在試件結合面位置發生剪切破壞。

2) 從軸壓試驗結果可知，在軸壓力的作用下，試件具有較好的軸壓穩定性能，在其結合面位置不會發生劈裂現象。

3) 從壓剪試驗結果可知，墻體在水平縫位置處發生了較大的滑移，墻體的水平拼縫為墻體的薄弱位置。