带边框预制装配式剪力墙关键技术研究进展

陈建伟，苏幼坡，陈海彬，徐国强，高林

(河北联合大学建筑工程学院，河北省地震工程研究中心，河北唐山063009)

0 引言

随着我国经济的快速发展和城市化进程的加速，也伴随着建筑结构设计和施工技术水平的提高，高层建筑在我国的发展十分迅速。近十年来，我国在装配式混凝土建筑方面的研究也在逐渐升温，中国建筑科学研究院、清华大学、哈尔滨工业大学、北京工业大学等多家单位开展了相关技术研究，并与国家住宅产业化基地进行合作，在一些房地产开发项目中得到了一定规模的示范和应用。

在众多结构体系中，剪力墙作为一种抵抗侧向力的结构单元，其刚度大，承载力高，几乎不可避免地要在大多数的高层建筑中进行应用。高层建筑结构中，水平地震作用下产生的层间剪力和水平位移在结构抗震设计中起到控制作用，其高度越高控制作用也就越强。大量的钢筋混凝土高层建筑通常由梁、柱、楼板和剪力墙及筒体构成，剪力墙是高层建筑抗震的核心部分，其承担了80%以上的水平地震作用［1］，所以剪力墙结构的抗震性能对于高层建筑的安全可靠有着至关重要的作用，是工程界十分关注和亟待解决的关键问题之一。

与普通的剪力墙结构相比，预制钢管混凝土边框剪力墙结构具有以下特点［2］:(1)有效发挥钢和混凝土材料各自的优势;(2)钢管混凝土具有后期承载力高，抗剪性能及延性好等特点;(3)钢管边框的约束作用可以提高墙板的抗剪能力;(4)改变抗震防线较为单一的状况，提高结构整体抗震性能。相比现浇的带边框剪力墙结构，预制钢管混凝土边框剪力墙结构具有以下特点［3］:(1)可以工厂预制、现场装配，实现剪力墙结构住宅产业化;(2)有效节约资源和能源，减少建筑垃圾和环境的不良影响;(3)减少现场施工场地等环境条件的要求。

从国内外的研究和应用经验来看，与装配式框架结构相比，装配式剪力墙结构中存在更大量的水平接缝、竖向接缝，这些接缝的受力性能直接决定结构的整体性能，因此，受力合理、方便施工的墙板节点和接缝设计是装配式混凝土结构设计的关键技术，是决定该结构形式能否推广应用的重要影响因素。预制装配式剪力墙结构可以分为部分预制剪力墙结构和全预制剪力墙结构。部分预制剪力墙结构主要指内墙现浇、外墙预制的结构，该结构目前在北京万科的工程中已经示范应用。由于内墙仍为现浇，其预制化率较低［3］。全预制剪力墙结构是指全部剪力墙采用预制构件拼装装配。该结构体系的预制化率高，但拼缝的连接构造比较复杂、施工难度较大，难以保证完全等同于现浇剪力墙结构，目前的研究和工程实践还不充分，尤其是在地震区的推广应用还有待进一步的研究。

众所周知，地震作用属于动力荷载的范畴，会使结构或构件产生较高的应变率。当结构受到地震作用时，相对于静力荷载，钢筋和混凝土的动态力学行为都有显著变化，而这一变化将会影响到整体结构的动力性能，因此应变率的影响不容忽视。当以周期为0.3s的正弦波对结构进行激振时，混凝土的应变率会达到0.03/s，强度增加近20%［4］。因此，目前地震作用下的结构设计只依赖于某一平均荷载速率的方法，不能完全真实地反映结构地震反应的本质。本文对带边框预制剪力墙研究的关键技术进行总结，结合国内外的相关研究成果，提出带边框预制剪力墙整体、构件受力性能、节点和接缝连接受力性能以及考虑加载速率影响的剪力墙受力性能等问题值得深入研究。

1 我国住宅产业化的研究现状

2010年我国竣工的城镇住宅建筑面积超过10亿m2，2011—2030年城镇新建住宅建筑面积年均增长将超过4%，由于我国人均建设用地的限制，高层住宅所占比例将显著增加。长期以来，我国混凝土建筑主要采用现场施工的传统生产方式，工业化程度低，水耗、能耗、人工、垃圾和污水排放量大，不符合国家的节能、环保的可持续发展政策。住宅产业化，采用预制装配式施工方式，是实现建筑节能减排的重要途径之一。据测算，绿色施工方式每平方米能耗可以减少20%，水耗可以减少63%，木模板消耗量减少87%，产生的施工垃圾量减少91%。

住宅产业化是我国住宅建设的发展方向，国内对这方面的研究逐渐加大。1999年，国务院办公厅颁发了《关于推进住宅产业现代化提高住宅质量的若干意见》。2005年11月30日，《住宅性能评定技术标准》由建设部和国家质量监督总局发布，2006年3月1日开始施行。2006年6月21日，建设部颁布《国家住宅产业化基地实施大纲》。万科工业化实验1号是万科住宅产业化的第一个实验项目，采用全预制方式的一套工业化住宅，是国内第一个采用装配整体式方式建造的预制混凝土住宅实体［5］。

张季超，楚先锋，邱剑辉等［6］(2008年)首先分析了住宅产业化的必要性和意义，指出我国科技进步对住宅产业发展的贡献率刚过30%，而欧美主要发达国家均在70%～80%以上。我国住宅产业的产业化率仅为15%，美国、日本达70%～80%。按国际通行标准，集约型发展的产业要求科技进步对产业的贡献率超过50%。文中对一种新型装配式预制钢筋混凝土结构体系节点的受力特性、抗震性能及其破坏模式等方面进行了试验研究。

姜阵剑［7］(2004年)总结了住房产业化的概念和特点，对国外住宅产业化的发展方向以及我国住宅产业化的发展现状进行了详尽论述。

陈彤，郭惠琴，马涛等［8］(2011年)介绍了一栋装配整体式剪力墙结构的高层住宅建筑设计，其抗震设防烈度为8度。指出基于性能目标的设计是装配整体式混凝土结构设计的一种有效方法，预制构件与现浇构件不必一律采用等强连接的方式。通过试点工程的设计实践，文中给出了住房产业化的一些总结与思考。

21世纪前20年，是我国建筑业发展的鼎盛时期，每年建成的房屋面积将高达16～20亿m2［3］。可以预见，随着国家建筑政策的进一步完善，建筑材料性能的逐步改进和施工工艺水平的不断提高，预制混凝土结构将具有广阔的发展与应用前景。

2 预制装配式混凝土剪力墙研究

国内已有中国建筑科学研究院、清华大学、东南大学、哈尔滨工业大学、合肥工业大学、安徽建筑工业学院等多家单位开展了预制剪力墙的部分技术研究。通过试验研究，在结构体系的连接构造、抗震性能、设计方法、施工方法等方面取得了很多成果，并编制了部分地方标准，在万科集团、南通建筑工程总承包有限公司、上海瑞安集团、黑龙江宇辉集团等的开发项目中开展了部分工程应用［3］。

朱张峰，郭正兴［9］(2011年)对2个现浇和2个预制装配式足尺比例试件进行低周反复荷载试验。结合非线性分析手段，从试件的承载能力、变形能力、受力机理及破坏模式等方面综合分析了其抗震性能，并初步探讨了墙板连接钢筋的合理直径。文献［10］以江苏海门中南世纪城33号楼的1/2缩尺模型，试验研究全预制装配整体式剪力墙结构的抗震性能。

钱稼茹［11-12］，张薇敬［13］等(2011年)分别进行了5个剪跨比为2.25和3个剪跨比为2.32的预制钢筋混凝土剪力墙试件拟静力试验。墙体竖向钢筋采用了不同的连接方法，对其破坏特征、耗能能力等抗震性能进行分析，并且给出预制装配式剪力墙可靠连接的一些建议。

陈再现［14］，姜洪斌［15］等(2011年)分别进行了预制钢筋混凝土剪力墙结构的拟动力子结构和拟静力试验。试验模型均为足尺模型，研究该结构在地震作用或反复周期荷载作用下的破坏过程和变形能力，给出了该结构的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线等详细数据。

郭正兴，董年才，朱张峰等［16］(2011年)在已有全预制装配整体式剪力墙试验基础上，结合有限元方法，对各影响参数进行计算，比较不同参数条件下的单调荷载-位移曲线，分析各个参数对该节点抗震能力的影响规律，并根据分析结果探索更为合理且经济的构造措施。

国外对预制钢筋混凝土剪力墙的连接构造及抗震性能也进行了一些相关研究。

Arturo［17］(1994年)对预制剪力墙板之间竖向连接的抗震性能进行试验研究，旨在通过竖向节点的设计改进墙板之间水平力的传递，增强整体刚度来提高预制剪力墙结构的抗震性能，文中给出试件和试验装置的设计、节点的细部设计。

Adajar和 Yamaguchi［18］(1996 年)提出了一种新的预制剪力墙主筋的连接方法，如图1所示，通过四个系列的试验，考察了最大受拉荷载和抗粘结性能的影响。试验表明影响节点抗拉性能的三个主要因素是搭接长度、混凝土约束水平以及约束筋的用量。

Schultz、Erkmen 和 Magana［19］(2004 年)基于DRAIN-2DX对预制剪力墙抗震设计中的两个因子进行参数分析，即响应修正因子R和位移系数Cd。由于该因子是针对现浇剪力墙的(R=4－6，Cd=4－4.5)，工程师在实际工程中设计预制剪力墙时仍采用上述取值，然而现浇和预制剪力墙受力性能有很大不同，文中对两个因子的合理取值进行了数值分析。

图1 搭接节点细部构造

虽然目前对预制装配式混凝土结构的研究和应用已经取得了一定的进展，但是应用中还存在关键技术不完备、不系统，缺乏支撑规模化应用的集成技术及技术标准，规模化推广受到很大限制［3］。

3 带边框组合剪力墙研究

采用带边框的组合剪力墙，是将不同形式的边框和墙板结合起来可以发挥组合效应，进一步提高剪力墙的抗震能力［20］。目前有很多学者投入研究，采用的边框形式主要包括钢管混凝土边框、劲性钢筋混凝土边框［21］等。

钱稼茹，江枣，纪晓东［22］(2010年)对6个剪跨比大于2.0的高轴压比钢管混凝土剪力墙试件和1个钢筋混凝土剪力墙试件进行试验研究，分析了钢管混凝土剪力墙的破坏形态、承载能力及耗能能力等性能，研究了轴压比和约束边缘构件的箍筋量对其抗震性能的影响，并提出了钢管混凝土剪力墙的相关设计建议。

曹万林，王敏，张建伟等［23］(2008年)对不同轴压比、不同强弱抗剪连接键的矩形钢管混凝土边框剪力墙进行了低周反复荷载下抗震性能试验研究，试验模型采用1/4缩尺，钢管内和墙体采用同批商品混凝土现浇，通过4个剪力墙试件的试验，分析了各剪力墙的承载力、延性、刚度及其滞回性能、破环特征，并建立了该型剪力墙的承载力N和水平承载力F计算公式:

Driver等［24］(2006年)进行了一个4层单跨的带钢管混凝土边框的钢板剪力墙的低周反复荷载试验。对试件加载30个周期，其中20个周期处在非弹性阶段，结果表明试件失效之前的最低层变形是屈服变形的9倍，经历大变形和周期荷载后表现出良好的延性、耗能及稳定性，同时文中给出了试验装置、加载步骤以及试件性能的说明。

夏汉强，刘嘉祥［25］(2005年)提出了矩形钢管混凝土柱边框剪力墙设计中面临的问题，采用SAP2000对带方钢管混凝土边框剪力墙进行了有限元弹性分析，对《矩形钢管混凝土结构技术规程》》(CECS159:2004)中结构分析假定的合理性进行了验证。

廖飞宇，陶忠，韩林海［26］(2007年)基于ABAQUS有限元平台中建立了钢管混凝土柱边框RC剪力墙的三维非线性有限元模型，对剪力墙在恒定轴力和水平荷载共同作用下的受力性能进行分析。结果表明:RC剪力墙受力机制类似于斜压杆的机制，主要发生剪切破坏，在极限荷载时，剪力墙承担了大部分剪力而钢管混凝土边框承担了大部分弯矩。

成锟，张延庆［27］(2009年)通过有限元分析软件ABAQUS对方钢管混凝土约束端柱组合剪力墙进行非线性分析，其中忽略了钢管和核心混凝土的粘结滑移作用。在验证了计算模型的基础上，分析了混凝土强度等级、水平分布筋配筋率、钢管强度及轴压比等参数对组合剪力墙力学性能的影响。

文献［28-33］对钢管混凝土边框组合剪力墙在高轴压比、高强混凝土、不同连接键工作性能、圆钢管、多重组合、内藏桁架等影响因素作用下的试验研究和理论分析。

2004年中国工程建设标准化协会颁布了《矩形钢管混凝土结构技术规程》［34］(CECS159:2004)，该规程给出了带矩形钢管混凝土边框的剪力墙承载力计算假定和构造要求。另外1990年颁布的《钢管混凝土结构设计与施工规程》［35］(CECS28:90)中给出了钢管混凝土结构设计与施工的要求，推荐给工程建设有关单位在设计和施工时使用。在我国，钢管混凝土组合剪力墙已经应用在深圳72层赛格广场大厦和杭州瑞丰商业大厦等结构中［36］。

4 节点、接缝连接技术研究

预制装配式混凝土结构依靠节点及拼缝将预制构件连接成为整体，构件之间的可靠连接，是保证结构整体性及其抗震能力的关键。在保证结构整体受力性能的前提下，应力求连接构造简单、受力明确。其中钢筋、钢管的灌浆套筒连接技术得到了迅速的发展与应用［37］。

韩瑞龙，施卫星，周洋等［37］(2011年)介绍了灌浆套筒连接技术作为一种新型钢管结构连接方式的原理与优势。以某近海风力发电工程为例，列举了两种灌浆套筒连接形式，同济大学针对这两种连接节点，分别在偏心受压与轴心受压作用下以及偏心受压和偏心受拉的循环作用下的承载力、变形等性能进行的试验研究。

张莉若，汤中发，王明贵［38］(2005年)利用ANSYS软件分析了套筒式钢管混凝土梁柱节点的承载性能，同时进行了力-位移混合加载控制的节点承载力低周反复荷载试验。

钱稼茹，彭媛媛，张景明等［39］(2011年)通过5个剪跨比为2.25的剪力墙试件的拟静力试验，研究了竖向钢筋套筒浆锚连接预制剪力墙的抗震性能。试验结果表明，采用套筒浆锚连接和套筒浆锚间接搭接均能有效传递竖向钢筋应力。套筒浆锚连接能够有效传递竖向钢筋的应力，预制墙试件的破坏形态与现浇墙试件的破坏形态相同。

姜洪斌，张海顺，刘文清等［40］(2011年)设计制作了108个预制混凝土结构插入式预留孔灌浆钢筋搭接试件，考虑钢筋直径、混凝土强度、搭接长度等不同影响因素，完成了试件的单向拉伸试验，得到了插入式预留孔灌浆钢筋搭接连接的破坏模式及各因素的影响规律，计算分析并给出合理的搭接长度。

王爱军［41］(2010年)介绍了一种新型结构灌浆接头，即钢筋灌浆直螺纹连接技术，该技术采用灌浆-直螺纹连接组合结构、钢制连接套筒和接头、专用高强灌浆料。并将这项技术应用于北京“中粮万科假日风景”13层的工业化住宅楼，该住宅为装配式剪力墙结构。

Zhao，Grundy和Lee［42］(2002年)对大变形周期荷载作用下的预应力灌浆套管连接进行一系列试验研究。考察了周期荷载作用下峰值荷载、耗能以及摩擦系数等因素的影响，依据累计滑移长度、灌浆长度和预应力大小推导出耗能及有效摩擦系数的计算公式。研究得出周期荷载作用下摩擦产生的热能有助于连接节点的抗震性能。

灌浆套管连接作为一种新型钢管结构连接形式具有施工方便、造价低廉等优点，是一种应用前景极佳的技术。日本、英国、澳大利亚等国家都对灌浆套管技术进行了较系统的研究，研究结果已经应用于工程实践中［43］。

5 考虑加载速率的剪力墙抗震性能研究

虽然地震反应过程中的应变率效应问题已经引起了人们的注意，但是目前国内外关于混凝土结构或构件动态加载的研究成果尚不多见。

张皓，李宏男［4］(2010年)基于有限元软件ABAQUS中的显式动力分析模块ABAQUS/Explicit，分别对钢筋混凝土剪力墙准静态和高应变率动力荷载作用下的响应进行了数值模拟，通过比较高应变率与准静态加载下的分析结果，探讨了地震作用下应变率对钢筋混凝土剪力墙动态性能的影响。

陈俊名［44］(2010年)通过两片钢筋混凝土剪力墙构件的快速加载试验研究了加载速率对钢筋混凝土剪力墙构件水平承载力和滞回性能的影响，同时基于有限元软件ABAQUS的损伤塑性模型并考虑应变率效应，建立了剪力墙构件的有限元模型，对不同加载速率下的力学性能进行了模拟。

Shimazaki和Wada［45］(1998年)提出了一种考虑应变速率影响的钢筋混凝土剪力墙简化分析方法，即采用拉压杆简化模型组成的三单元Maxwell模型。当以周期为0.3s的正弦波对结构进行激振时，混凝土的应变率会达到0.03/s，强度增加近20%。

Fumiya和Masayuki［46］(2001年)采用不同加载速率对钢骨混凝土剪力墙的受力性能进行试验研究。试验模型为1/3缩尺，边柱采用H型钢，试件作用往复周期荷载和变化的轴向荷载，加载速率分为0.01cm/s和1cm/s两种类型。所有试件均发生填充墙板的剪切滑移破坏，边柱没有发生剪切破坏，动态荷载情况下的初始水平刚度和水平承载力相对于静载情况均提高10%左右。

在动力荷载作用下，由于应变率效应的影响，屈服后钢筋和混凝土的强度均有不同程度的增加，屈服强度的增加较极限强度更为明显，承载能力得到显著提高［4］。因此在钢筋混凝土结构抗震分析中，应适当考虑应变率的影响，可以为完善建筑结构的抗震设计理论提供一定的理论基础和技术参数。

6结语预制带边框剪力墙结构是一种新的高层住宅建筑装配式混凝土结构体系。作为一种新的建筑结构形式，其设计理论、构造措施以及抗震设计等关键技术问题均需要进行深入系统研究与解决，尤其文中综述的整体抗震性能、节点和接缝连接技术及考虑加载速率影响的抗震性能等问题的研究。通过研究带边框预制装配式剪力墙，将有效改善目前预制装配式剪力墙单一的抗震防线，同时对于增强建筑节能减排和加快住宅产业化发展具有重要意义。

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