预制装配式剪力墙结构接缝的研究现状

龚厚松, 孙金坤, 汪小平, 邓晨曦, 杨 茹

(1.江西理工大学土木与测绘工程学院，江西赣州 341000；2.攀枝花学院土木与建筑工程学院，四川攀枝花 617000；3.西华大学应急学院，四川成都 6100392；4.攀枝花学院钒钛学院，四川攀枝花 617000)

装配式剪力墙结构有较好的抗震性能，因此装配式剪力墙结构主要是用于中、高层建筑的抗侧力结构。随着建筑业的快速发展装配式剪力墙结构更多的也在低、多层建筑中应用。装配式剪力墙结构具有受气候条件影响因素小等优点，是未来建筑业工业化发展的趋势，这也符合我国绿色建筑和建筑工业化的发展需求。在新加坡、德国、法国、瑞典等国家，装配式建筑的应用极为广泛，在瑞典住宅所占的比例中更是高达95%。我国也在大力推动装配式建筑的发展，这使得装配式剪力墙结构不断的优化和创新。

近年来装配式建筑快速发展，装配式剪力墙结构的需求也逐渐增多。接缝连接的可靠性一直是装配式剪力墙结构的核心问题，为了提升经济性、实用性和施工的效率，装配式剪力墙结构连接节点中有了代替钢筋连接的构件连接，如焊接、螺栓连接、专用连接器连接等[1]。虽然有关接缝的研究比较多，但仍需进行深入的全面的研究。装配式剪力墙结构接缝的深入研究将使我国的建筑业由传统粗放式的发展模式向节能、环保、可持续发展的模式转变。

本文首先对预制装配式剪力墙结构接缝进行了概述，然后对国内外的连接形式、连接技术、连接工艺和接缝的抗震性能进行了详细的文献综述。

1 预制装配式剪力墙结构接缝分类及受力

1.1 接缝的分类

预制剪力墙结构存在着大量的接缝，当外部载荷作用在结构上时，接缝处容易产生应力集中，从而导致结构产生裂缝甚至损坏。因此，良好的连接节点设计是保证装配式剪力墙结构整体性的关键[2]。装配式混凝土剪力墙结构每个单元间的连接根据连接位置的不同，可分为竖向连接和水平连接[3]。

竖向接缝连接技术主要有现浇带连接技术、后张拉预应力技术、套筒灌浆连接技术等；预应力连接技术预制的剪力墙结构是通过张拉竖向及水平的预应力筋，使各预制剪力墙构件间有可靠的连接而形成的剪力墙结构体系[4]。界面混凝土连接主要有键槽连接、粗糙面连接和FRP连接技术等。水平接缝钢筋的连接有整体套箍销栓连接、螺栓连接、焊接等。

1.2 接缝的受力

剪力墙接缝主要受剪力，皮正波等[5]对钢筋桁架叠合墙体的界面受剪性能进行了研究。结果表明凿毛深度和桁架受剪配筋率与受剪承载力是正相关。理论上还推导了预制混凝土板和钢筋桁架叠合墙体界面的抗剪强度设计见式(1)。

(1)

式中:As为叠合构件界面桁架腹筋配筋率；fb为桁架腹筋的屈服强度。

2 预制装配式剪力墙结构接缝研究

2.1 竖向接缝连接的研究

Guo等[6]对有限滑移螺栓和预应力筋相结合进行了相关研究，采用角形钢部件进行包裹保护(图1)，结果表明：主体结构至实验结束仍保持弹性，即连接方式可靠。

秦鹏等[7]对现浇剪力墙试件和2个竖向钢筋用不同的连接方法，进行了对比研究。结果表明:现浇剪力墙试件为弯剪破坏，另外2个装配式剪力墙试件为弯曲破坏；试件的位移延性系数与承载力高出现浇剪力墙试件，刚度与现浇剪力墙试件一致。

王涛等[8]制作了1个现浇剪力墙试件，2个竖缝连接的装配式混凝土剪力墙试件，通过静力试验。结果表明：L型剪力墙的破坏模式为弯曲破坏，滞回曲线饱满；变形能力和耗能能力与现浇剪力墙无明显差异。

图1 有限滑移摩擦螺栓连接

2.2 水平接缝连接的研究

孙健等[9]研究了螺栓连接的工字形装配式剪力墙。结果表明：该装配式剪力墙有着极高的承载力、延性和耗能能力。Ling等[10]用标准的钢管设计了圆柱形的WBS套筒与锥形的THS套筒，并进行了单向拉伸试验。结果表明：套筒的形状对粘结强度有着重要影响。

Sungnam Hong[11]进行了搭接钢筋反复拉压的试验研究，结果表明：搭接钢筋能有效的传递应力，其各个性能良好。Rahman等[12]对灌浆套管进行了单向拉伸试验。结果表明：套筒内壁的剪力键能够增强灌浆料与钢筋之间的粘结强度。

综上所述，国内外学者对水平和竖向连接的受力性能进行了大量研究，但并未同时考虑竖向和水平接缝相互影响而进行研究。

3 预制装配式剪力墙结构接缝新技术新工艺研究

潘广斌等[13]提出了一种新型冷挤压套筒钢筋连接技术，钢筋套筒尺寸如表1所示。试件进行拟静力试验的对比，结构破坏后套筒形态如图2所示。结果表明:试件破坏形式相同均为压弯破坏，即冷挤压套筒钢筋连接可以有效传递钢筋的拉压力，还具有良好的抗震性能。

表1 钢筋套筒尺寸 单位：mm

图2 破坏后套筒形态

图3 钢锚环灌浆连接

图4 钢筋浆锚连接

李然等[14]对钢锚环灌浆连接(图3)的接缝进行了直剪试验，结果表明：钢锚环灌浆连接性能可靠，初始刚度和承载力较高。当钢锚环灌浆连接技术连接竖向接缝和钢筋浆锚连接技术(图4)连接水平接缝协同工作时，可以有效地连接多层预制剪力墙。

陈伟等[15]提出了新型大尺寸配筋齿槽连接技术(图5)，配筋齿槽装配式剪力墙钢筋布置如图6所示，并对试件进行对比分析。结果表明：配筋齿槽承担了拼缝界面的大部分剪力，改善了接缝面的受力且实现了装配式剪力墙接缝的弯剪受力分离。

图5 配筋齿槽装配式剪力墙构造

赵阳等[16]提出了一种用于低层的新型装配式剪力墙结构体系(图6)。将预制剪力墙、边缘约束和水泥砂浆结合在一起，并进行低周往复加载试验。结果表明：在一定范围内增加轴压比可以明显提高墙体的承载力，整体性和抗震性能较好。其中试件的刚度退化是采用平均割线刚度的方法，计算平均割线刚度见式(2)。

图6 配筋齿槽装配式剪力墙钢筋

(2)

式中：±Pi分别是第i级加载中正负向加载荷载的最大值;±Δi是与±Pi相对应的墙顶水平位移。

陈婷等[17]提出了一种新型“螺栓-连接件”式的水平接缝技术(图7)，并利用ABAQUS建立了与现浇剪力墙结构试件的模型进行理论对比分析。结果表明：新型装配式剪力墙结构试件的抗震性能优于装配式剪力墙结构试件；承载力和刚度与现浇剪力墙结构试件一致。

图7 新型装配式剪力墙构造

4 预制装配式剪力墙结构的抗震研究

4.1 剪力墙的抗震性能研究

秦士洪等[18]用拟静力试验来研究竖向接缝对预制装配式L型剪力墙抗震性的影响，结果表明：对延性和耗能能力影响显著。高林等[19]对型钢预制装配式混凝土剪力墙进行了试验，结果表明：型钢预制装配式混凝土剪力墙比现浇墙体的抗震性能稍弱，但基本能够实现“等同现浇”。薛伟辰等[20]提出并设计了在低轴压比平面外对叠合剪力墙进行低周反复加载试验。试验的结果表明：叠合剪力墙主要是发生受弯破坏，与现浇剪力墙相比其平面外的抗震性能相近。

4.2 接缝的抗震性能研究

Srensen等[21]在传统钢锚环的基础上进行了改进(图8)。对钢锚环的方向与位置进行了改变，经过对比试验分析结果表明：新的连接构造可以有效提高试件的延性。Vaghei等[22]对一种内填橡胶的U形槽钢连接进行了研究，研究表明：U形槽钢连接有很好的柔性，耗能能力是水平钢锚环的14～15倍。

图8 传统钢锚环连接与改造钢锚环连接的构造

赵斌等[23]对一种“螺栓-钢连接件-套筒”全装配预制剪力墙的水平接缝进行了试验研究，结果表明：总体的抗震性能良好。汪梦甫等[24]将U型筋加入预制装配式剪力墙的暗支撑体系中。试验结果表明以U型筋连接代替格构钢筋连接是有利于施工定位的，水平方向比竖向方向提高的性能更多。

张微敬等[25]对采用挤压套筒和钢筋搭接的预制框架结构试件与剪力墙试件做了相关的抗震性能研究，结果表明：连接构件抗震性能可满足规范的要求。ClayNaito等[26]在一体化的叠合墙中加入了强剪力键并做了相关的试验研究。结果表明：桁架式剪力键比针入式剪力键在抗剪响应方面更优越，提高了叠合墙结构的整体抗震性能。

4.3 剪力墙抗震的其他研究

朱张峰等[27]对混合装配式混凝土剪力墙进行了有关的试验与有限元数值模拟，结果表明：预制装配式混凝土墙体的抗震性能优于现浇混凝土墙体。Smith等[28-29]研究了双拼缝后张拉无粘结型预应力混凝土剪力墙的抗震性能。结果表明：双拼缝剪力墙采用混合连接方式具有良好的延性，结构的残余变形小，底部混凝土仅有轻微的损伤。

4.4 接缝抗震的其他研究

为了提高灌浆连接的整体抗震性能，Wu等[31]将焊接封闭钢套筒与约束扣环钢箍相组合进行了实验，并设计研究了一种新型的NPGCS连接器[30]，研究表明：NPGCS连接的剪力墙承载力比现浇剪力墙高4%，但延性系数略低于现浇结构。Wall-shoes[32]连接的相关研究表明：螺栓的塑性伸长和螺母松动可以有效传递钢筋应力，抗震性能良好。U形盒式连接[33]是2个U形钢盒采用三向锚固连接而成，研究表明：预制装配式墙体结构在强度、延性、抗侧刚度等方面表现良好。Sun等[34]研发了一种螺栓-钢框的干式连接，研究结果表明该连接方式有较好的延性、耗能能力和较高的承载力。

5 展望

预制装配式建筑是发展趋势，关键是预制构件之间的连接技术。目前灌浆连接应用最为广泛，相关的理论研究也比较成熟，可用于抗震地区的承重构件连接；对于装配式建筑的外墙会向结构保温一体化的方向发展。通过对国内外连接技术的综述、预制装配式剪力墙自身的抗震性能和接缝抗震性能的研究分析，对各种连接方式的强度、耗能、利弊等进行了详细的介绍。未来研究应考虑几个方面：

(1)我国应大力开发新型的节能技术、接缝相关的处理技术、细部节点相关的处理技术等。

(2)连接技术的开发宜有传力直接、质量可控、构造简单、操作性强等特点。

(3)应有能广泛应用于抗震的连接形式和可靠的质量控制措施。

(4)水平和竖向接缝相互影响下，预制剪力墙结构接缝的力学性能研究。

通过各种方法较为全面的解决装配式建筑存在的问题，为预制装配式建筑实现工业化奠定基础。