装配式剪力墙新型水平连接节点创新研究

王成元 王 娟 曾雯琳 张玉程 张武

(新余学院建筑工程学院，江西 新余338000)

0 引言

装配式剪力墙结构以其高效、环保的特点在建筑结构中得到越来越广泛的应用[1]。由于装配式结构构件多为厂家预制而成。装配式剪力墙预制构件之间通过有效的节点连接形成一个共同受力体系，节点处的连接质量成为装配式结构能否抵抗外力荷载作用的重要因素，是装配式结构受力的薄弱环节[2]。装配式结构破坏通常表现为预制构件破坏较轻，节点和钢筋连接处失效，从而使整个受力体系破坏[3]。所以，节点处钢筋的连接技术是进行装配式混凝土结构力学性能研究的重要部分，对推动装配式建筑的发展有促进作用[4]。

目前，装配式结构节点连接分为钢筋连接、型钢连接和其他连接方式。但现阶段装配式剪力墙连接节点的不稳定、施工繁琐等问题仍较为突出，因此，设计一种合理且高效的新型连接方式，使装配式建筑在装配环节能够保证结构的安全性的同时，具有施工快捷、高效、环保的优势。

1 装配式剪力墙连接方式及要点分析

1.1 装配式剪力墙钢筋连接方式

钢筋连接方式有套筒灌浆连接、浆锚钢筋搭接、机械连接等。

1.1.1 套筒灌浆连接

套筒灌浆连接是在上层混凝土预制构件中预留套筒，下层预制构件预留的钢筋插入上层套筒中，通过套筒与微膨胀灌浆料的相互挤压作用，使套筒内侧与钢筋带肋表面之间产生正向作用力，钢筋可以借助该竖直方向上的正向力在其带肋、粗糙表面产生足够的纵向摩擦力，从而实现应力在受力钢筋之间的可靠传递，套筒灌浆连接如图1所示。

图1 套筒灌浆连接

为了验证这种水平连接方式在装配式剪力墙中运用的可靠性，对5个预制剪力墙试件试验后，证明了套筒灌浆连接在应对连接竖向钢筋的问题上是安全有效的。

套筒灌浆连接有着适用面广和施工简便的优点，是一种安全、稳定的连接方式，同时在对框架柱的纵向钢筋和剪力墙中，基本实现“装配等同现浇”理念[5]。然而此连接在混凝土灌浆时易受积水、空泡等影响，且施工现场条件和技术水平也会导致灌浆时饱满程度难以保证。

1.1.2 浆锚钢筋搭接

浆锚钢筋连接是预制装配式混凝土结构的一种常见纵向钢筋连接方式，在混凝土预制墙柱体构件中预留连接孔，通过灌注专用的高强水泥基浆料与带肋钢筋作用连接，可以使连接空腔内部通过荷载钢筋的搭接而达到钢筋之间的应力传递[6]，浆锚钢筋连接如图2所示。此技术核心在于灌浆料的质量，需具备高强、稳定、早强等特点。

图2 预留孔浆锚搭接

为了证明此连接方式的可靠性，将搭接长度、混凝土强度和钢筋直径设为变量，对108个浆锚钢筋连接构件施加单向拉伸荷载，并对运用此连接的剪力墙墙体进行低周往复加载试验，结果显示约束浆锚钢筋搭接的连接方式是可行的。通过拔拉试验，发现81个试件均因外部钢筋屈服而被破坏，也可表明这种连接方式是可靠的。为了能使施工工序进一步简化，对浆锚钢筋搭接研究发现，除了在试验前期相较于现浇试件的耗能能力更好，在应力的传递上也表现出色，可使施工简化，值得推广。

1.1.3 机械连接

在预制装配式混凝土结构中，将相邻两根受力钢筋用浆锚搭接接头、套筒灌浆连接接头或者按照其他的连接方式进行连接，使钢筋承压端和连接试件相互咬合以均匀传递应力。

通过调查报告分析显示，日本在2010年钢筋的连接方式已有60种余种，而机械连接就占60%，表明钢筋机械连接可靠性深受认可。我国从1980年就开始对钢筋的螺栓连接等机械连接方式进行研究，证明该连接方式在各项工程的运用中几乎不受天气影响，施工快，无污染。

1.2 装配式剪力墙型钢连接方式

装配式剪力墙型钢连接方式主要包括焊接预埋型钢、高强螺栓连接预埋型钢、钢管混凝土套筒灌浆连接等。

1.2.1 焊接预埋型钢

使用焊接H型钢的方式连接混凝土剪力墙结构，此连接方式效率高、结构简单、施工过程简易、连接节点安全。但此连接方式在制作时需高度精确，在后期的浇筑处理过程中需要花费不少的时间。

1.2.2 高强螺栓连接预埋型钢

高强螺栓按照“干连接”连接方式可以将预制剪力墙连接成抗弯、抗剪的整体，很大程度地提高了装配式剪力墙结构的抗震性。总结预埋型钢连接的经验，提出了一种采用螺栓连接水平缝的连接方式，其优势在于作业环境干燥、施工方便，能够有效承受墙体的各项荷载。但是这种连接方式需使用大量的螺栓，因而对其裸露节点的金属表面需要有较高的防腐要求。因此，通过设计一种新型水平节点连接方式，该连接方式减少了螺栓的使用数量，且节点构造简单，其连接钢材的刚度和强度可以通过改变高强螺栓来调节节点连接处的力学性能，与现浇连接近似等效[7]。但此连接方式对预制墙体的精度要求高，且螺栓易腐蚀。

1.2.3 钢管混凝土套筒灌浆连接

钢管混凝土套筒灌浆连接是由钢筋、高强水泥基浆料及钢套筒所组成，依靠高强水泥灌浆料作用构成稳定可靠的整体，如图3所示。这三者在受到外部荷载的情况下能够相互作用，完成作用力的传递。

图3 钢管套筒灌浆连接

通过对此连接方式的钢管混凝土剪力墙进行试验，发现此连接设备在方钢管混凝土破坏之后才被破坏，这表明连接设备的强度大于方钢管混凝土，证明了此连接方式设计合理、可靠安全。我国现阶段主要是以“强节点弱构件”的理念来进行水平连接节点装配式剪力墙的设计。所以此连接的强度是影响此连接件整体连接性能的主要因素[8]。

1.3 装配式剪力墙其他连接方式

1.3.1 后张预应力连接

后张预应力连接如图4所示。后张预应力连接可以通过施加竖直方向上的作用力以增强接合面的抗剪能力，从而提供良好的结构恢复性能，便于地震灾后的修复。整根预应力筋在预留孔道内穿束、张拉等施工工艺较复杂，后张无黏结预应力锚固的安全性和可靠性也还存在缺陷，安装效率不够高，尤其对于高层装配式框架，标准层装配施工时间还有待提升[9]。按照有无黏结可以分为后张有黏结预应力连接和后张无黏结预应力连接。后张有黏结预应力连接的特点是有很高的安全性、可靠性，对锚具依赖性较低，但造价偏高，施工过程繁琐，施工危险性高。后张无黏结预应力连接的特点是施工作业较前者简单，受地震作用影响小，但其抗火性能差，施工存在安全隐患。

图4 后张预应力连接

通过设计装配式短肢剪力墙的模型，并进行了剪力墙拟静力试验探究其抗震性能，结果表明“强墙弱梁”的构造原理是可以在后张无黏结剪力墙的合理设计中实现的，同时在对使用后张无黏结预应力连接加大荷载时，主要在墙与连梁的连接处发生塑性变形，其他部位几乎没有发生破坏，方便后期的修复。

1.3.2 剪力墙混合装配式连接

为了对新型混合装配式混凝土剪力墙的性能进行研究，通过多次低周往复加载试验发现，与一般混凝土剪力墙相比，这种结构承载能力、刚度和抗裂能力明显提高。同时，通过对采用纵向无黏结预应力筋连接的预制混凝土剪力墙结构进行试验表明，预应力钢筋贯穿试件的连接，能够有助于震后的修复和自复位，而在剪力墙墙体边缘处布置高强钢筋也有助于地震耗能。分析发现该剪力墙混合装配式连接具有不错的可靠性，满足设计要求，可以应用于中、大地震等地区。

1.3.3 多孔剪力墙插筋连接

对使用多孔剪力墙插筋连接的装配式预制墙体试件进行了相关试验，发现一字型的墙体试件墙角处均被破坏，但是墙体试件的水平方向并没有出现较大错位，证明此水平连接方式能够达到墙体的抗剪要求，安全可靠。

2.2 两组患儿实验室数据比较 两组患儿血钙检查结果比较，差异有统计学意义(P<0.05)，血钠、血钾、肝功能指标丙氨酸转氨酶(ALT)及肾功能指标肌酐(Cr)水平均在正常范围内，差异无统计学意义(P>0.05)。见表2。

从以上关于各种装配式剪力墙连接的应用和研究中，基于剪力墙试件各连接节点的准静态试验或与普通剪力墙试件进行对比发现，各种连接方式在各自的范围内都能满足抗震性能的要求，各有优劣。

2 装配式剪力墙新型水平连接方式——预留孔H型钢连接

通过对现阶段装配式剪力墙的各种连接方式的性能及优缺点进行分析，结合其中的浆锚钢筋搭接和焊接预埋型钢连接方式的特点，提出了一种预留孔型钢搭接的新型水平连接方式，如图5所示。该连接方式主要包括4个部分：左右两片预制密肋复合墙体、预埋钢筋、待插入钢筋、上下部H型钢连接件。

图5 预留孔H型钢连接示意图

2.1 预留孔型钢连接的创新设计要点

（1）在一片预制密肋复合墙体连接节点上下部各设有一个T型凹槽，与另一片墙体的T型凹槽对应形成H型凹槽，凹槽内部做粗糙处理，通过上下部H型钢连接件和高强水泥基浆料连接两片预制密肋复合墙体。

（2）在一片预制密肋复合墙体（左）中，由一根全贯穿预埋钢筋和左右两个同轴线非贯穿预留孔将墙体按上中下三等分，预埋钢筋在预留孔上方，全贯穿预埋钢筋左右各伸出墙体的长度为预制密肋复合墙体长度的1/3，2个预留孔长度均为墙体长度的1/3。

（3）在另一片预制密肋复合墙体（右）中，也由一根全贯穿预埋钢筋和左右两个同轴线非贯穿预留孔将墙体按上中下三等分，预埋钢筋在预留孔下方，全贯穿预埋钢筋左右各伸出墙体的长度为预制密肋复合墙体长度的1/3，2个预留孔长度均为墙体长度的1/3。

2.2 施工工艺

（1）通过塔吊和相关技术人员的配合将一片全贯穿预埋钢筋在预留孔上部的预制密肋复合墙体（左）平稳运输至指定位置的上方，由2～3个施工人员牵引到楼地面的连接处，等待与第二片墙体连接。

（3）对第一片墙体（左）右边下方的预留孔和第二片墙体（右）左边上方的预留孔均灌满微膨胀的高强水泥基浆料。

（4）水平吊装第二片墙体左移，引导全贯穿预埋钢筋插入对应的预留孔中。

（5）先后插入上、下部H型钢至新型水平连接节点的上下部凹槽中，用高强水泥基浆料对其结合面进行粘结。

（6）进行下一片剪力墙墙体的装配。

2.3 经济效益

此连接方式结合了现有的焊接预埋型钢连接方式和预留孔浆锚搭接方式的特点，较传统的装配式水平连接方式具有以下优势：

（1）稳定性、整体性较好。上下部H型钢的强抗弯能力弥补了预留孔钢筋连接方式的主体形式单一而可能在地震作用下导致的预制墙体边缘或与梁、柱连接节点易开裂等问题。

（2）抗震性能好，震后易修复。在采用该新型连接方式下的预制密肋复合墙体和插入的两根高强带肋钢筋作用下，可以达到较好的抗震要求，能应用在多震、强震等地区，且在震后修复与自复位中表现也较为出色。

（3）安全高效、绿色环保。该新型连接方式适用性广泛，装配效率高，建筑能耗低，材料回收利用率高，符合可持续发展基本理念。

3 结束语

现阶段，我国在装配式剪力墙的连接方式上仍然存在着施工、检测、补救困难且技术上体系存在不兼容等问题。为了解决这一技术难题，提出了一种装配式剪力墙新型水平连接方式——预留孔H型钢搭接方式，能够很好地解决剪力墙水平连接的稳定性问题，同时，具有提高施工安全性、减少环境污染、降低维护费用等优势，具有较大的经济效益与社会效益。