全螺栓连接混凝土剪力墙施工技术的应用

张树海（山西国峰煤电有限责任公司，山西 汾阳 032200）

混凝土剪力墙是建筑中最常用的结构类型之一，特别是在地震多发地区[1]，混凝土剪力墙具有足够的抗侧向刚度[2]。李锡洲等[3]对循环荷载下的再生混凝土墙体试样进行了研究，研究发现，轴向荷载的增加导致钢筋混凝土剪力墙具有较高的峰值载荷，且存在较低的极限漂移能力；潘晨等[4]研究了低矮超高性能纤维增强混凝土剪力墙抗震行为，研究表明，钢纤维的存在增强了剪力墙的强度、约束性和裂缝宽度控制能力；李力怡[5]等研究了多预埋钢型材复合剪力墙，研究发现，在混凝土剪力墙中使用多埋钢是提高结构延性的有效方法。但上述研究方法所研究的混凝土剪力墙仍具有较低的抗震性能，无法满足高烈度地震区的应用[6]。而全螺栓连接混凝土剪力墙目前主要应用在装配式混凝土中，较少应用在混凝土剪力墙中。

因此，本文进一步研究全螺栓在混凝土剪力墙结构中的应用，进一步将全螺栓连接构件扩展到剪力墙结构。

1 全螺栓混凝土剪力墙试样设计

1.1 试验材料

试验中使用的材料包括再生混凝土、箍筋用HPB300钢筋、纵向钢筋用HRB335钢筋、全螺栓连接用Q235钢材[7]。

再生混凝土抗压强度为30MPa，再生粗骨料替代率为100%。骨料尺寸范围为5mm～20mm，所用细骨料为普通河砂，所用水泥为普通硅酸盐水泥P·O 42.5，所用外加剂为聚羧酸高效减水剂。骨料的主要物理特性见表1，配合比见表2，该配合比是根据骨料的性质和工程实际情况设计的，强度满足C30混凝土的要求[8]。根据试件试验，HPB300钢筋的弹性模量为2.09×105MPa，屈服强度和极限强度分别为505MPa 和630MPa；HPB335 钢筋的弹性模量为2.13×105MPa，屈服强度和极限强度分别为543.3MPa和669.1MPa；Q235钢的弹性模量为2.0×105MPa，屈服强度为235MPa。

表1 再生骨料材料特性

表2 再生混凝土配合比

1.2 全螺栓连接设计

本研究提出采用全螺栓端板连接制作再生混凝土剪力墙，虽然已经对螺栓端板进行了大量测试，但很少有研究将其视为全复合连接。试样包括一个可拆卸的混凝土剪力墙和预埋端板。可拆卸混凝土墙由纵向钢筋、横向箍筋和混凝土组成，端板预埋在墙内。混凝土墙的纵向钢筋焊接在预埋工字钢的翼缘板上。此外，端板上还焊接了一系列剪力螺栓，以确保结构的锚固和抗剪能力。墙端预埋的端板不仅为全螺栓拆卸提供了足够的空间，还为剪力墙提供了较高的平面内和平面外承载力，符合设计原则。端板上的超大孔洞考虑到了全螺栓连接的拆卸和重建公差。在施工过程中，一旦完成上墙和下墙的对齐，就可以安装螺栓，并以适当的设计扭矩将其拧紧在两个端板上[9]。然后，在全螺栓连接处涂上适当的防火和防腐蚀涂层。需要拆除时，可松开螺栓，进行反向施工。

1.3 试件设计

本文共设计四种全螺栓连接的再生混凝土剪力墙，分别为低矮剪力墙（LW）、全螺栓低矮剪力墙（DLW）、细长高剪力墙（HW）和全螺栓细长高剪力墙（DHW）。主要参数为长宽比和装配方式，如表3所示。

表3 试件设计

长宽比为3的细长墙的抗弯能力小于抗剪能力，而长宽比为1.25 的低矮剪力墙的抗剪能力小于抗弯能力。此外，还制作了两个全螺栓连接的现浇试件，以比较在相同长宽比条件下现浇试件和全螺栓连接试件的力学性能。

剪力墙截面为工字形截面，两端设置了端柱。截面总宽度为800mm，端柱宽度为100mm，墙体厚度为130mm，端柱厚度为200mm。端柱的纵向配筋率为2.45%，箍筋体积率为0.89%，混凝土墙的配筋率为0.47%，符合现行混凝土剪力墙规范的要求[10]。

1.4 测试方法

本研究轴压比设置为0.2，据此在剪力墙顶部施加692.8kN的恒定垂直荷载，并通过专门设计的装置将荷载传递到试件上，该装置与高强度钢制成的垂直千斤顶相匹配，试验采用了润滑剂以减少摩擦，试验期间垂直千斤顶可随墙壁在水平方向自由移动。同时，水平滚柱支架用于连接垂直千斤顶和墙壁，确保加载方向始终与墙面垂直。采用法向荷载-位移双控制加载系统来获得剪力墙的抗震性能。然后使用高液压推杆提供侧向荷载，荷载通过一个定制的荷载传递支架施加到试件上。该支架由两块厚钢板和六根直径为32mm的钢筋组成。全螺栓连接试样的拆卸性通过试验校准。首先，在3mm 和5mm 位移加载循环中，通过拆卸螺栓的方法探讨了不同数量螺栓对剪力墙刚度的影响。在3mm 位移荷载循环中，分别测试拆卸2 个螺栓和4个螺栓的情况；在5mm位移荷载循环中，分别测试拆卸2个螺栓、4个螺栓和6个螺栓的情况。

2 结果分析

2.1 骨架曲线

以峰值荷载和相应位移为标准获得无量纲荷载-位移曲线，即标准化骨架曲线，如图1 所示。由图可以看出，DHW 和HW 试样的标准化骨架曲线基本重合。在达到峰值荷载后，承载力缓缓下降，这表明试样具有良好的延性。试样LW和DLW的标准化骨架曲线则截然不同。DLW 试样的最大承载力明显小于LW 试样，峰值载荷对应的位移也小于LW 试样。同时，DLW 试样的刚度也小于LW试样。DLW的承载力在达到峰值荷载后有急剧下降的趋势。因此，DLW 试件的抗震性能略低于LW试件。

图1 标准化骨架曲线

表4 为各试样不同阶段的荷载和相应位移。由表4 可以看出，DHW 的屈服位移最大（18.61mm），HW、LW、DLW 的屈服位移分别下降12.09%、76.30%、72.65%。此外，LW试样在地震过程中达到峰值载荷后荷载下降较快。由于DLW 试件采用全螺栓连接，中间部分约占总体积20%的混凝土被端板取代，这部分刚度远小于实心混凝土的刚度，导致DLW 试样在初始阶段的刚度相对较小。LW 试件最大峰值载荷为453.5kN，而DHW 的最大峰值载荷仅为217.6kN。而当达到峰值荷载时，试件DLW 边缘的混凝土损坏，纵向钢筋与端板之间的焊接失效。在水平荷载作用下，试样发生了较大变形，而荷载主要由底部钢筋承受。因此，DHW和HW试样的力学性能相似，但HW的抗震性能优于DHW，而DLW 试样的刚度和延性略低于其他试样。

表4 荷载-位移曲线特性

2.2 能量消耗

图2 为墙体各荷载等级的能耗与相应漂移比之间的关系。可以发现，DHW和HW试样的能耗-漂移比曲线基本相同，表明这两种试样的能耗性能非常接近。同时，两个试样的能耗随漂移比的增加呈线性增长趋势。当试样漂移比达到1.4%时，曲线的斜率突然发生变化并大幅增加，这个突变点与剪力墙的屈服点基本一致。说明钢筋屈服后，这两个剪力墙的能耗急剧增加。当漂移比为2.5%时，HW、DHW、LW、DLW 的最大能量耗散分别为20kJ、17kJ、13kJ、9kJ。而DLW 和LW试件的能耗曲线有一定的变化，DLW 与LW 试样在漂移比0.8%后，LW 能耗变化幅度较大，直至能耗达到13kJ。LW 试件的曲线为两折线，与细长墙的曲线相似。钢筋屈服后，墙体的能耗急剧增加。然而，DLW的能耗曲线基本呈线性，没有明显的突变，表明屈服后墙体的能耗没有显著增加，这主要是由于DLW 试样中的全螺栓连接损坏所致。在试验过程中，该墙体上部的变形在屈服后呈现平移特征，整个墙体的能耗没有明显改善。

图2 能量消耗变化

2.3 施工建议

在全螺栓连接混凝土剪力墙结构施工过程中，应注意板柱翻筋保护层的厚度，一般为15mm和25mm，可采用同等强度的混凝土垫块，合理布置，并在中间部位设置捆线，保证垫块能均匀分布在钢筋表面。为保证墙与梁的交接部位完全闭合，采用网筛对其进行表面处理，并留下20mm～45mm 的岔口，为螺栓支护打下坚实的基础。采用夹具对钢筋的间距进行合理的控制。当建筑环境许可时，应采用角铁制造夹具，并确保边缘尺寸等级、圆柱接口尺寸、内部边缘尺寸等与保护层的厚度一致。

为了提高全螺栓连接混凝土剪力墙的工程质量，必须对施工过程中的质量进行控制，特别是对施工工艺的控制。在以往的建设项目中，经常会发生开裂和坍塌等质量问题，为了避免这一现象的发生，必须掌握好施工的关键，充分利用其在施工中的技术优势。因此，在施工前，要对施工人员进行全螺栓连接混凝土剪力墙施工技术知识的培训，明白施工要点和施工中需要注意的问题，按照流程和计划把各个阶段的施工做好，达到正确运用施工技术的目的。

3 结语

当漂移比为2.5%时，HW、DHW、LW、DLW 的最大能量耗散分别为20kJ、17kJ、13kJ、9kJ。所提出的全螺栓连接对大长径比剪力墙的承载力和传递方式影响有限，而长径比则显著改变了小长径剪力墙的抗剪能力。对于长宽比较大的剪力墙，墙体仍以弯曲为主。然而，对于长径比较小的剪力墙，由于全螺栓连接实际上改变了重复使用试件的长宽比，因此，刚度和延展性略低于其他试件，且HW 试件抗震性能优于DHW、LW、DLW。