我国预制剪力墙结构的历史与现状概述

汪 震 李检保

(同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092)

1 引言

预制混凝土结构体系在中国的发展现在有着比现浇混凝土更为明显的优势，主要体现在预制结构体系中的施工质量可控，施工性能得到提升，对环境的影响和资源的消耗控制以及适应了今后中国社会人口结构的特点。从国家的宏观层面分析，预制结构的主流化主要是因为现在的我国经济发展已经从资源过度消耗转换成为了现在的可持续发展模式。就目前的发展趋势而言，我国的建筑工业化进程已经从之前的以追求数量和提高劳动效率为重点的第一阶段进入了目前从追求数量转向追求建筑品质的第二阶段，即“第二代建筑工业化”阶段;而更符合可持续发展理念的第三阶段的建筑工业化特征不仅仅是生产方式上的组织专业化、构件生产社会化和供应商品化，更是把重点转向节能、降低能耗、降低环境的压力和资源循环利用的发展，即“第三代建筑工业化”。预制结构体系充分地符合了建筑发展第三阶段的要求。

2 目前我国混凝土结构建筑的困境

我国现在的建筑行业的发展，特别是混凝土结构的发展受制于传统生产方式的影响，使得今后尤其是我国社会步入老龄化社会以后面临着不小的考验。

2．1 建筑行业劳动力素质的影响

传统的建筑行业属于劳动密集型行业，我国早期建筑行业享受人口红利，但是大量劳动力专业技能缺乏使得生产效率低下。举例来说，美国建筑行业劳动生产率从1997年的6．8万美元增长到2002年的7．5万美元，同期中国的建筑行业劳动生产率只有1．39万人民币和1．76万美元。而按人均竣工面积，2008年发达国家可以达到183 m2/人，同期对比中国只有48 m2/人，中国的这个数据只有美国和日本的1/4不到。与现场混凝土结构施工不同，混凝土结构工厂预制化生产后在现场拼装的方式能够极大的改善目前的现状［1］。

2．2 我国社会人口结构转型的影响

20世纪90年代大量农村剩余劳动力涌入市场，给予了早期建筑行业人力成本优势。而随着老龄化社会的出现，建筑工人越来越少。而目前需要完成的工程量并没有相应地降低，这使得人力成本越来越高的同时管理也越来越吃力。而专业化的工业生产可以最大程度地缓解中国步入老龄化社会后带来的劳动力不足的影响。

2．3 资源消耗严重的影响

中国的传统建筑行业因为从业人员的流动性和业余性使得建筑行业从来都是资源和能源消耗的大户。尤其是水资源的过量消耗和在现在的耕地面积大幅度减少情况下中国土地资源不足的情况尤为突出。预制化混凝土结构虽然不能彻底解决这些问题，但是在资源和能源节约上预制混凝土结构体系已显示出优势。

2．4 建筑环境污染的影响

经过推算，我国每1万平方米的建筑工程中产生500～600吨垃圾，每年共计约有4 000万吨建筑垃圾，严重威胁着人们的身体健康。同时，在传统的现浇混凝土等施工现场，扬尘等问题也十分突出而且十分难以治理。相反，在工厂进行构件制作然后在施工现场进行拼接可以有效地控制建筑生产对于环境的影响。

2．5 建筑质量的影响

据统计，建筑设计使用年限只在2000年以后我国建筑设计提出了设计使用年限的概念以后才得以重视。相比于发达国家大量的超过百年的存量房，我国的“短命”住宅屡见不鲜。只有实现标准化的生产，先进的生产方式与专业人员进行预制构件拼装的配合，我国的建筑结构才能够保证预期的质量要求。

3 预制混凝土技术在国外的发展

上文中提到的我国传统混凝土结构体系的困境表明，目前我国建筑行业已经到达了要改变的时候。而预制混凝土结构的诸多优点:施工速度快、建造质量高、项目成本较低以及适应可持续发展的特点等，使得预制混凝土结构在1989年的国际建筑研究与文献委员会第11届大会上被列为当前世界建筑技术的八大发展趋势之一，被认为是各国的建筑行业发展的一个共同趋势［2］。

发达国家的预制化进程大概从二战之后便开始了迅猛的发展。预制结构在低地震的欧洲区域的应用十分广泛，在工程技术上积累了大量经验，强调了设计、材料和施工工艺的完美结合。

美国和加拿大等从20世纪20年代才开始进行预制混凝土探索，直到20世纪六七十年代预制混凝土技术才得到大面积应用。预制混凝土结构在例如停车库，单层工业厂房等建筑中都得到大量的应用。在工程实践中，由于大量使用大型预应力预制混凝土构件技术，使预制混凝土结构技术更充分地发挥了其优越性，体现了施工速度快、工程质量好、工作效率高、经济耐久等优势。

日本和我国国情有些类似，属于地震频繁的国家，因此预制混凝土也要经过结构抗震性能的检验。日本在国内政府的大力支持下，经过自己国内的研究和与美国的合作，已经研发出了比较完善的结构技术体系，其中的 W-PC、WR-PC、RPC、SR-PC结构技术体系是目前应用最广泛。日本的预制结构技术理论和经验是值得我们学习的［3］。

4 我国早期预制大板结构的发展

4．1 我国预制大板结构早期应用

我国的建筑工业化进程始于上世纪50年代，工业建筑和民用建筑同时发展。其间发布的一整套以国家标准设计为技术引导的全装配单层工业厂房图集沿用至今。而早期的民用建筑体系则来自1959年引入的苏联预制混凝土结构技术。这项技术在20世纪70年代和80年代间迅速发展，出现了装配式建筑的第二次发展高峰。第二次发展的高峰是以全装配的大板装配体系为代表，相关的标准开始配套。当时主要的结构类型包括高层的钢筋混凝土大板建筑，少筋的大板混凝土建筑等主要的类型。

大板结构应用广泛，在北京地区尤为突出。当时在北京的建设平台上，从20世纪50年代末开始的钢筋混凝土薄腹大板住宅和振动砖板住宅发展到后来的粉煤灰矿渣大板住宅和20世纪70年代的加气混凝土大板住宅，据统计截至1985年底共建成了200多万平方米的多高层住宅以及单层住宅。在成片建设的居住小区中，据不完全统计大概有1 000多万平方米。仅北京市年设计任务量达到30万～50万平方米，占北京市住宅总任务量的8% ～10%，最高的建筑层数达到18层。东北地区因为气候原因广泛地应用装配大板结构，在20世纪70年代这10年左右沈阳市已经建成装配大板住宅20多万平方米，黑龙江大庆地区、齐齐哈尔和哈尔滨三地在1979年一年内建成住宅约10万平方米［4］。在当时的南方使用了很多的预制空心大板构件等。以上都表明了装配大板结构的广泛应用。

4．2 我国预制大板结构早期的研究

4．2．1 我国预制大板结构早期的技术研究

早期的科研工作者做出了大量研究，主要是围绕设计标准化和多样化，外墙板的防水，维护结构的隔热功能，大板结构接缝处的受力性能等方面。并且在当时比较艰苦的条件下，相关的学者和研究生产机构进行了一些整体装配大板结构在地震作用下的振动台试验的研究。

对于装配大板结构而言，结构的首要研究工作应该是对其力学性能的研究。特别因为区别于现浇结构的装配结构连接处应变跳跃和连接应力不明确的问题，一直以来是研究装配大板结构的重点。

我国20世纪90年代以及之前，各地装配式大板结构的接缝处有规定的竖向接缝和水平接缝的构造方式。竖向接缝，一般按照房间的开间和进深设置，除采用现浇混凝土的销键外，还要将承重横墙板插入纵墙内20 mm，否则要在地震区考虑设置板侧连接钢筋。北京、广东、湖南等地已经建成的住宅中，墙板的连接构造中均在板上部伸出钢筋焊接，下部伸出钢筋绑扎，然后浇灌混凝土连成整体。四川则取消下部钢筋选择预留缺口现浇混凝土。至于水平接缝构造，墙板与楼板(包括屋面板)之间的水平接缝除了要有水泥砂浆座浆外，各墙板的水平接缝内应该有抗剪刚性节点。其做法可以利用上下墙板、楼板的吊钩或者预埋钢筋相互焊接并且浇灌混凝土。楼板和楼板之间则可以利用楼板的四角的连接钢筋或吊环焊接，并且与竖向插筋锚拉。同时，楼板的四边预留缺口以及连接钢筋与墙板的预留钢筋互相焊接，使之沿着楼板四周形成封闭的圈梁［5］。

对于这种构造下的装配大板结构，曾经也进行过一些振动台试验，尹之潜等的高层装配式大板结构地震模拟试验从振动台试验结构的角度说明了结构的破坏发生在接缝的连接处，而且剪力起了主要作用。但是在这种并没有完善的结构构造中，在8度地震时候的破坏情况是当时现行规范允许的，说明了装配式大板结构的可行性［6］。那向谦等清华大学的研究人员从14层装配大板结构模型的地震模拟结果说明了装配大板结构在抗震时候的可行性:即持续时间较长的地震作用下，装配式大板结构在底部开裂的水平裂缝上形成一个整体质量块沿水平缝摇摆形成新的抗震耗能机制［7］。

在经过一系列的研究以后，我国研究机构在原《装配式大板居住建筑结构设计和施工暂行规定》(J78－1)的基础上修编而成了《装配式大板居住建筑设计施工规程》(以下简称《规程》)。《规程》基本上对装配式大板结构的设计与施工进行了系统的说明。其中对比于现浇结构的规范，受限于当时的经济水平与相应的工程技术水平，《规程》强调了装配式大板结构的混凝土抗剪强度，少筋结构的确立与取值，墙板竖向接缝的刚度折减与水平接缝处的节点承载力的安全系数取值，并且对装配大板结构的最高层数限定以及大板结构的抗连续倒塌问题的进行了说明［8］。

4．2．2 我国预制大板结构早期的问题

唐山和丰南的强烈地震让装配式大板结构受到了第一次实际的考验。在此次地震中，大板结构仅仅受到了6度到7度地震烈度的考验，在调查结果中，7度地震情况下现有装配大板结构受到的损伤一般是比较小的，基本在接缝处有裂缝展开但是同期同地区的砖混结构损失惨重。装配式大板结构的各种装配拼缝的性能是影响这类结构整体性和总体强度的主要因素，除开干缩影响导致出现的裂缝外，另外一个重要原因在于当前的墙板和墙板、墙板和楼板之间连接构造做法使得接缝的强度要比墙体本身弱，地震时候会首先形成裂缝。而结构方案的设置不当以及平面布置也对房屋的损伤有重要影响。通过调查以及总结发现，现有的装配大板结构即使墙体材料稍差，强度较低，在7度地震下也不致倒塌，并且在当时展望了精心设计装配的大板结构能够较好的抗震，而关键的问题在于如何提高接头以及接缝的性能从而能够使装配大板结构整体性能更优秀［9］。

除开结构设计外，制约装配式大板结构发展的还有接缝处的防水问题以及隔热防火问题等等。但是，中国装配式建筑，包括了装配式大板结构在1990年到2000年前后基本处于停滞状态，几乎在全中国可以说是预制结构数量为零的状态。之所以出现这样的情况，原因在于当时装配式大板结构，甚至于所有的装配式建筑结构考虑到当时中国的经济力量和技术条件，最终成型的住宅结构的质量是不满足要求的或者支出成本远远大于现浇结构的成本。出现问题的原因在于受制于当时的经济条件约束机械设备运输以及吊装能力不足，限制了大板结构的高度、建筑形式和工艺等。而且，当时的技术水平以及研究能力还不足以满足装配大板结构接头等同于现浇结构的要求。同时预制大板结构在接缝处的渗水问题也十分突出，使得人们的居住环境受到了极大的影响。还有更重要的一点，虽然预制大板结构在唐山、丰南等地的地震中表现不错，但是因为当时中国的建筑结构预制化主要体现在了砖混结构和预制多孔楼板的组合中，而抗震性能不佳，砖混结构和施工质量控制不严的多孔预制楼板使得在唐山、丰南地震中损毁严重。因为这些预制结构损失惨重的印象牢牢地印在了人们脑中，加深了人们对于预制构件不好的印象。尤其在改革开放以后，大量的剩余劳动力涌入了建筑行业，使得起步阶段规模较小，成本较大的预制产业在不高的经济效益和更新缓慢的技术这两个方面上败给了因为劳动力众多而使手工劳动成本低廉的现场作业模式［10］。

5 我国现阶段预制剪力墙结构体系的发展

5．1 现阶段预制剪力墙结构体系

现在国内主要研究的预制混凝土结构体系有框架结构、剪力墙结构、框架－剪力墙结构，超高层装配式混凝土结构体系，例如常用的框筒结构体系及新的结构体系的水平构件与竖向构件尚未纳入现在预备的规程。大板结构，现即混凝土剪力墙结构，按照国外现行的技术要求，在日本和美国均可以完成预制剪力墙结构的建设。而在我们国家大规范的框架下，出于我国建造的大量高层住宅考虑，剪力墙结构是很重要的一种结构体系，也是目前预制结构的研究重点。

现阶段的预制剪力墙结构同我国20世纪的预制大板结构体系在技术上的进步主要体现在两个方面:其一是设计理论的逐步完善;其二是满足并且支撑新的设计理念的技术条件的实现与完善。

关于设计理论的进步，主要是完善了体系。其关键点在于将预制剪力墙结构能够做到整体性能等同于现浇结构的性能。目前的设计步骤除原有传统结构设计步骤，还有各拼接处节点的设计。

如此可知，节点设计能否做到等同现浇是关键之处。从JGJ 1—1991《装配式大板居住建筑设计和施工规程》［11］来看，早期预制装配大板结构，认为其整体性因为水平接缝和竖向接缝的存在，其刚度有较大损失，体现出来的就是在对接缝处的受力计算时进行了较为明显的强度折减。而现阶段的设计理念与以前不同的地方在于，在借鉴了国外的预制剪力墙技术与工程经验基础上，我国预制剪力墙结构要求接合部即接缝处满足包括强度、刚度、回复力特性、耐火性的要求，要求能够做到等同现浇的性能，即经过力学分析连接处的受力可以不进行折减而直接来进行设计［12］。

现阶段预制剪力墙结构在更加注重装配式结构的整体性，结构形式多样化，较早期我国预制装配大板结构形式单一有了新的发展。

建筑用材料与相应的机械设备的发展更新也推动了预制结构的发展。现在保温隔热方面有新型而高效的夹心墙板保温材料。因外墙板之间采用新型密封材料，改进防水构造，同时在接缝处使用了无收缩的高强度水泥基砂浆，使得目前的预制剪力墙结构避免漏水渗水，较之以前的封浆有了极大的改善。早期的吊装施工受限于机械设备的承载能力限制，预制大板结构的拆分单元尺寸有非常严格的控制。而现代的运输和吊装机日渐多样化地同时保证了预制结构的制备流程，提升了预制结构构件的扩展能力。

总结新时期的预制剪力墙结构的关键点就是使装配式混凝土结构具有跟现浇混凝土结构完全等同的整体性、稳定性和延性。跟现浇等同的设计理念，在许多强地震的国家都得到了设计实践。日本曾经在阪神大地震中做过相关的调查统计，从统计数据看出，遵守等同现浇的设计概念设计建造的房屋可以经历大地震的考验，有其实用性［13］。

5．2 现阶段预制剪力墙结构发展的关键技术

对比我国早期的预制剪力墙结构体系，新时期的预制剪力墙结构的设计理念要求做到同于现浇结构的性能。支撑这个理念的主要有两个关键技术:第一个最关键的技术是对预制剪力墙接缝处的研究从而保证接缝强度的技术手段;第二个就是不强求全预制结构拼装而转为预制结构与适量现浇结构相结合的方式。借鉴日本较为成熟的经验来看，接缝处，特别是水平接缝处的连接构造应该采用混凝土湿作业的方式。湿作业方法要求在现场填充混凝土或者砂浆，同时为了增强其水平的抗剪能力应该设置抗剪键等。剪力墙水平接缝处要求用砂浆将剪力墙和楼板或者剪力墙之间覆盖，同时使用能够确保钢筋接头性能的方式进行连接。如果水平接缝处受力情况有足够的考虑并且通过计算可以使用干接(钢筋或者内埋钢板焊接)的方式［14］。

对于剪力墙结构的连接方式，近年来国外学者、国内工作人员对不同的预制混凝土剪力墙结构拼接部位进行了大量的研究。国内的研究人员对国内外近年的研究情况进行了一些归纳与总结。王敦的《预制混凝土剪力墙结构抗震性能研究进展》［2］以及李爱群等《预制钢筋混凝土剪力墙结构抗震性能研究II》［15］总结了国外和国内已进行过相应研究的剪力墙结构，例如普通预制剪力墙结构、无粘结预应力预制剪力墙结构和预制叠合墙结构等，提出了对于预制剪力墙结构抗震性能相关的建议;李爱群等《预制钢筋混凝土剪力墙结构抗震性能研究进展I:接缝性能研究》［16］在结构体系大构架下进一步总结了预制剪力墙结构接缝性能的研究进展，表明了水平接缝处竖向钢筋的有效连接能够极大地提高水平接缝的受力性能进行提高墙体的整体性能;而墙身与墙身之间的竖向接缝主要影响结构变形与耗能，从受力特点来看比较符合剪力墙中连梁的作用。日本和美国的一些预制剪力墙规程和规范对预制剪力墙的设计方法、构造形式等都提出了较为明确的要求，值得现在的国内从业人员深入地研究与学习。从近年来对预制剪力墙结构的研究总结表明在预制剪力墙接缝的影响中，水平接缝传递竖向荷载、承受水平剪力，而竖向接缝主要传递墙身之间的剪力。竖向接缝处可以通过现浇混凝土边缘构件或者采用内埋钢板等连接构造。而影响水平接缝受力性能同时要求保证预制剪力墙墙体的整体性能的竖向受力钢筋的接头连接问题则影响预制混凝土结构的发展。之前的接头通过机械连接(弯折等)或者焊接或者预留孔洞插入连接，其性能不能与钢筋整体连接媲美。

现阶段预制剪力墙结构中的钢筋连接技术主要有三类:套筒连接、浆锚连接与机械连接［17］。其中最关键的就是套筒连接技术的出现，因为套筒连接可以使得钢筋接头达到I级钢筋接头标准［18］，满足了连续钢筋的要求同时符合预制剪力墙结构施工方便性的要求。套筒灌浆连接技术源于美国工程师Yee，成熟于日本。这类套筒连接钢筋也在日本和美国得到了大量的实践，包括套筒应力－应变曲线、循环张拉疲劳试验等。套筒连接技术经过长期试验，经过了地震考验，美日两国学界都认为它可以在高层建筑中安全使用。目前我国也对这些技术进行了部分的工程应用。

其次，预制剪力墙结构的设计不再强制要求全预制结构的装配，转向了预制和现浇相结合的方向。因为考虑了预制剪力墙结构的整体性能要求，并且从上世纪的早期的预制大板结构中总结经验教训，在充分利用预制结构的基础上，在适当的部位进行现场湿作业增加现浇混凝土，这样使整个装配式混凝土具有很好的延性。在日本的W-PC结构体系中，在墙－墙、墙－板等节点构造中，虽然日本的剪力墙结构不能盖得太高，但是也广泛地使用了与预制剪力墙和现浇混凝土结合使用的节点。

6 结语

我国预制剪力墙结构早期的发展同现阶段结构体系的对比表明了现阶段的预制剪力墙结构的设计理论与相应的技术条件等在基于20世纪的预制大板结构体系的基础上有了长足的进步。虽然相较于我国20世纪的预制大板结构体系，现阶段的预制剪力墙结构体系有了长足的飞跃，但是还有很多工作要做:①预制剪力墙的体系要得到完善。既要有适用于超高层的公共建筑结构体系也要有符合中小城市的多高层建筑结构体系。②连接方式还要补充研究，现有套筒灌浆连接技术还需要做深化研究与改革，连接技术的多样化同样也要研究。③双向叠合板的研究。④外挂墙板的研究。⑤标准体系的完善。⑥预制混凝土结构的规模化以减少工程造价提高可用性。⑦在预制同现浇结合的基础上，尝试能够设计全预制装配结构以便能够真正的达到建筑结构工业化生产。基于标准化、模数化、通用化、可置换性的发展，对比于20世纪的预制大板结构，现阶段预制剪力墙结构不仅在建筑美观上更符合人们的需求，而且在建筑实现和成本造价上更符合现在的经济发展要求。预制剪力墙结构体系也将成为今后我国建筑体系中不可或缺的一环。

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