装配式混凝土结构竖向接缝抗震受剪承载力计算

林丽萍，刘 霁，李 云，邹艳花

(湖南城建职业技术学院 建筑工程系，湖南 湘潭 411201)

装配式混凝土结构发展至今，在地震作用下，其接缝处的抗剪强度研究一直是重点.各国对装配式混凝土结构接缝处的抗剪强度的计算基于不同的破坏机理.美国建筑竖向接缝处的抗剪强度依据规范(ACI 318-08)[1]计算，该规范认为其主要影响因素是剪切作用后接缝混凝土之间的摩擦作用，但去除了混凝土本身的抗剪作用.加拿大规范(CSA A23.3)[2]认为不同时期浇筑的钢筋混凝土界面的抗剪能力主要由摩擦剪力和纵筋销栓作用组成.目前，我国主要将接缝分为竖缝和平缝，并依据《装配式混凝土结构技术规程》[3](JGJ 1-2014)和《高层建筑混凝土结构技术规程》[4](JGJ 3-2010)，在单一荷载作用下进行设计.很多学者对装配式混凝土结构的接缝抗剪强度、抗震性能等进行了一系列的探讨和研究.宋国华、王东炜等[5-6]考虑接缝宽度等影响因素，对竖向齿槽接缝抗剪强度进行试验研究，并给出了齿槽型接缝的抗剪强度计算公式.陆伟等[7]利用数值分析法探讨了受拉剪力墙的剪切破坏模式的判别标准，提出最大轴拉力判断方法应该采用滑移破坏公式还是剪压破坏公式.余志武等[8]提出了装配式剪力墙结构的一种新型的连接节点构造，并对其抗震性能进行研究.郭少华[9]对装配式剪力墙结构的连接构造在整体性研究上提出了建议.朱张峰等[10]则基于有限元模型探讨了节点连接钢筋构造，并对预制装配式剪力墙结构中间层边节点的抗震性能进行了试验研究.

以上研究均是在未考虑地震作用，竖向构件可类似水平构件承受弯剪作用时，且竖向接缝在一定的截面尺寸条件下独立作为弯剪构件承担剪力的研究.基于此，以装配式剪力墙结构中相邻一字墙连接竖缝为例，将竖向接缝作为独立构件，提出抗剪强度计算公式.

1 受剪承载力计算公式分析

本文考虑的是在地震作用下竖向接缝作为独立构件的受剪承载力的计算.在地震作用下，竖向构件主要承受地震水平荷载的影响，类似于受弯构件的受力状态，故参考了以下规范及文献进行探讨.

1.1 《混凝土结构设计规范》中受弯构件斜截面受剪承载力

当配置箍筋和弯起钢筋时，矩形、T 形和I形截面受弯构件(独立梁)的斜截面受剪承载力应符合式(1)规定[11]：

1.2 装配式大板结构齿槽竖向接缝受剪承载力

文献[5]给出了装配式大板结构齿槽型接缝的受剪承载力计算公式.其受剪承载力主要由接合筋作用和接缝处混凝土斜杆作用2 部分组成.接缝处接合筋作用需在接缝处混凝土压力仅作用于齿槽且均匀分布，以及在反复荷载作用下混凝土接缝处齿槽表面的剪切摩擦系数相等的条件下发生.

装配式大板结构齿槽型接缝考虑在抗震作用下的受剪承载力为

1.3 梁端齿槽接头受剪承载力

通过剪力传递机理分析，在一定剪跨比范围内，齿槽式梁端头的极限受剪承载力可用式(3)[12]表示：

2 开裂前齿槽竖向接缝作为独立构件受剪承载力计算公式

综合分析受剪承载力计算式(1)～式(3)发现：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、弯起钢筋的抗剪作用以及预应力弯起钢筋的抗剪作用组成；式(2)中其抗剪能力主要由齿槽的斜杆作用和结合筋的销栓作用组成；式(3)中主要考虑混凝土的抗拉强度、受拉钢筋和受压钢筋的抗剪作用，以及截面受压引起的摩擦作用.

本文将接缝看作受弯构件独立梁进行抗剪计算，接缝截面形式依据文献[5]所给形式进行分析，见图1.由图1 可知，Y方向两侧有墙体，刚度较大，故地震作用下水平荷载主要在X方向产生弯剪作用.在受力过程中，式(2)中的齿槽产生的杠杆作用在X方向未形成，配置的结合筋也未能在X方向起到箍筋或弯起钢筋的作用，但其结合筋销栓作用依然存在；且在地震作用下引起的水平荷载会对独立梁形成压力作用.因此，接缝X方向抗剪能力主要从混凝土本身的抗剪作用Vc，接缝结合筋的销栓作用Vs以及受压引起的摩擦作用Vf这3 个方面考虑，提出接缝作为独立构件的受剪承载力计算公式：

图1 竖向接缝截面形式/mm

由表1 可知，接缝的抗剪强度随接缝宽度增加而递增，随钢筋直径增大而递增.本文提出的公式计算值均高于破坏荷载值和文献[5]的计算值，这说明在地震引起的水平荷载作用下，接缝作为独立梁构件抵抗剪力能力高于接缝接触面薄弱处，若接缝接触面开裂，但接缝整体稳定的情况下可作为受弯构件独立梁继续抗剪，也可在一定程度上保证结构的整体稳定性.

表1 抗剪强度计算值比较

3 开裂后齿槽竖向接缝作为独立构件受剪承载力计算公式

本文所提式(6)中的Vf是在接缝与两侧墙体保持整体接触情况下，产生的摩擦作用.当接缝受荷载破坏时，其摩擦作用减弱甚至消失，则其抗剪作用将大大降低.因式(6)与齿槽数无关，故可经过专门的混凝土表面粗糙工序后，选择双齿槽或矩形接缝形式皆可.基于“大震不倒，中震可修，小震不坏”的抗震设计原则，对接缝进行配筋设计.考虑施工方便，可将直线型结合筋改为在预制墙体中预设U 型箍或环型箍，其平行墙体钢筋可作为结合筋，发挥结合筋销栓作用，垂直墙体钢筋可作为箍筋，增加箍筋的抗剪作用.结合筋布置形式见图2，其三维示意图见图3.显然，当接缝裂开后，无摩擦作用时的齿槽竖向接缝受剪承载力计算公式可变形为

图2 结合筋布置形式

图3 结合筋配置三维示意

齿槽接缝结合筋与混凝土之间的摩擦作用对接触面会产生较大摩擦压力，从而破坏齿槽内的混凝土，降低其抗剪能力，故接缝配筋率建议取值范围为0.25%～1.5%.

4 算例

选取某装配式大板结构旧房改造设计项目为算例.该项目采用了外壳预制接缝现浇的装配式钢筋混凝土结构对房屋进行防水和抗震性能的改造.其竖向接缝截面形式采用双齿槽截面，配筋采用U 型筋.图4 为算例截面图.

图4 算例竖向接缝截面形式/mm

4.1 抗剪设计

4.2 U 型筋间距计算

算例所得竖向接缝的截面尺寸和配筋结果可保证外壳预制结构在抗震作用下的整体稳定性.

5 结语

1)基于齿槽竖向接缝受剪承载力研究，发现接缝可作为独立构件进行抗剪.接缝整体稳定且在未开裂的情况下可作为独立构件继续抗剪，其抗剪能力主要包括混凝土本身的抗剪强度、接缝结合筋的销栓作用以及作用平面内压力引起的摩擦作用，并提出了受剪承载力计算公式.

2)通过改变结合筋形式，如采用U 型箍筋或环形箍筋，可以保证结合筋的销栓作用，还可将垂直于墙体方向的钢筋作为抗剪箍筋，对竖向接缝增加箍筋抗剪作用，以保证接缝开裂后的抗剪能力，并提出了接缝开裂后、无摩擦作用下，齿槽竖向接缝作为独立构件的受剪承载力计算公式.

3)本文所提出的公式(式(6)～式(7))表明了地震作用下竖向裂缝可作为独立构件抗剪，保证结构的整体稳定性.