预制混凝土柱接缝的施工要点与受剪承载力计算*

2015-09-18

建筑施工 2015年5期

同济大学建筑工程系上海 200092

0 引言

预制混凝土结构具有生产效率高、产品质量好、施工工期短、现场劳动强度低、节能环保等优点，在工业与民用建筑中具有广阔的应用前景[1]。

预制混凝土结构中，接缝是影响结构整体性和抗震性能的关键部位。合理的构造措施和科学的施工方法是保证预制柱接缝受力性能和结构整体稳定性的重要环节。而在预制柱接缝的受力性能中，受剪性能是其中最值得关注的重点内容[2]。目前，国内外学者针对预制混凝土柱接缝的受剪性能已开展了较多的试验与理论研究，并提出了不同受剪机理及其计算方法，国内外规范也给出了具体的设计计算规定。

1 预制混凝土柱接缝构造要求

1.1 结合面的粗糙处理

预制柱接缝处的受剪承载力随着结合面粗糙程度的提高而增大。因此需要对预制柱底面和顶面设置粗糙面。宜采用拉毛或凿毛处理，大面积的混凝土表面可涂刷缓凝剂，以延缓混凝土表面凝结，使石子外露。我国《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1—2014）中规定：粗糙面的面积不宜小于结合面的80%，预制柱端的粗糙面凹凸深度不应小于6 mm。

1.2 剪力键的构造

剪力键可显著提高接缝的受剪承载力，预制柱底应设置剪力键。为提高抗剪性能，剪力键需要有良好的几何形状。当剪力键过低时，其破坏形态就会由斜向剪切破坏转化为强度较低的角部局压破坏。同时，剪力键的抗剪性能也随着其端部倾角的减小而增大，但倾角过小不易于施工。我国JGJ 1—2014中规定：剪力键高度不宜小于30 mm，端部斜面倾角不宜大于30°。

1.3 纵筋的连接构造

连接纵筋的构造要求主要有以下3点：

1）穿过接缝的柱纵筋直径不宜小于20 mm。选用较大直径的钢筋可减少钢筋根数，增大间距，便于柱钢筋连接及节点区钢筋布置；

2）纵筋采用套筒灌浆连接时，预制柱中钢筋接头处套筒外侧箍筋的混凝土保护层厚度不应小于20 mm；套筒之间的净距不应小于套筒外径；

3）纵筋采用浆锚搭接连接时，预留浆锚管的长度应比纵筋搭接长度大30 mm；浆锚管内径应比纵筋直径大15 mm。

2 预制混凝土柱接缝施工要点

2.1 纵筋连接的施工要点

1）纵筋采用套筒灌浆或浆锚搭接连接时，应检查套筒、预留孔的规格、位置、数量和深度以及被连接钢筋的规格、数量、位置和长度；应及时清理套筒、预留孔内的杂物；当连接钢筋倾斜时，应进行校直。连接钢筋偏离套筒或孔洞中心线不宜超过5 cm；

2）纵筋采用焊接连接时，应采取措施防止因连续施焊引起的连接部位混凝土开裂。

2.2 灌浆的施工要点

当纵筋采用套筒灌浆或浆锚搭接连接时，柱底接缝厚度宜为20 mm，并采用灌浆料填实。灌浆施工过程中应符合以下规定：

1）灌浆施工时，环境温度不应低于5 ℃；当连接部位养护温度低于10 ℃时，应采取加热保温措施；

2）竖向构件与楼面连接处的水平缝应清理干净，灌浆前24 h 结合面应充分浇水湿润，灌浆前1 h应吸干积水；

3）灌浆前，应对接缝周围进行封堵，封堵措施应符合结合面承载力设计要求；

4）灌浆操作全过程应有专职检验人员负责旁站监督并及时形成施工质量检查记录；

5）应按产品使用说明书的要求计算灌浆料和水的用量，并搅拌均匀；每次拌制的灌浆拌和物应进行流动度的检测，且其流动度应满足本规程的规定；

6）灌浆施工应采用压浆法从下口灌注，当浆料从上口流出后应及时封堵，必要时可设分仓进行灌浆；

7）灌浆料拌和物应在制备后30 min内用完；

8）灌浆结束后应及时将灌浆口及构件表面的浆液清理干净，并将灌浆口表面抹压平整。

2.3 后浇混凝土的施工要点

当预制柱接缝为新旧混凝土接缝时，后浇混凝土的施工应符合以下规定：

1）结合面疏松部分的混凝土应剔除并清理干净；

2）模板应保证后浇混凝土部分形状、尺寸和位置准确，并应防止漏浆；

3）浇筑混凝土前应洒水润湿结合面，混凝土应振捣密实。

3 预制混凝土柱受剪承载力计算

3.1 接缝受剪机理

预制混凝土柱接缝的受剪机理主要包括界面摩擦机理、剪切摩擦机理、钢筋销栓抗剪机理和剪力键机理等。

3.1.1 界面摩擦机理

柱的轴压力能够提高接缝的受剪承载力，而轴拉力会降低接缝的受剪承载力[3]。当预制柱受压时，接缝可通过界面摩擦力抗剪。界面摩擦力的大小与轴压力N成线性关系，可近似由接缝所受压力N与界面摩擦因数μ相乘得到，其中μ随接缝的材料性质及表面粗糙度而异。

3.1.2 剪切摩擦机理

剪切摩擦机理最早由国外学者Mast[4]提出。在剪力作用下，接缝发生滑移的同时也产生纵向分离，穿过接缝的钢筋拉伸变形，对混凝土产生压力，从而产生垂直于压力方向的摩擦力。影响剪切摩擦受剪承载力的主要因素有界面类型、受力方式、抗剪钢筋特性、混凝土种类与强度等[5]。Shaikh[6]、万墨林[7]等通过试验研究各自提出了剪切摩擦受剪的计算方法。

3.1.3 钢筋销栓抗剪机理

接缝受剪过程中，在裂缝面发生滑移和分离时，垂直穿过接缝的钢筋中产生的拉力的水平分量可直接抵抗剪力，即为钢筋的销栓作用。钢筋销栓力随着钢筋直径的增大而增大，拉力作用下，钢筋的销栓力有所折减并随拉力的增大而减小[8]。Millard[8]、刘伟庆[9]通过试验研究各自提出了钢筋销栓力的计算方法。

3.1.4 剪力键机理

剪力键是在相互嵌合的凹凸形状的混凝土上传递剪切作用力的构造（图1）。在达到剪切强度前，在界面上几乎不产生错位变形。剪力键的受剪承载力是由剪力键凸出部位的承压强度和剪力键剪切强度的较小者决定。我国学者柳炳康等[10]通过试验研究，分析了剪力键接缝的抗剪机理。研究表明为提高剪力键的抗剪性能，抑制剪力键的变形，需要具有良好的剪力键形状，槽深不宜小于2 cm[11]。

图1 剪力键机理

3.2 国内外规范计算方法介绍

目前，美国、欧洲、新西兰、新加坡、中国等国的规范都给出了接缝受剪承载力计算方法，但各规范中的计算方法差异较大，下面具体介绍这6部规范中的计算方法。

3.2.1 ACI 318—2011的计算方法

美国ACI 318—2011所提出的计算方法是将结构构件按预裂构件考虑的。该规范认为混凝土构件在制作安装和长期使用过程中，会因各种原因而产生裂缝，混凝土本身强度不予利用，故无法考虑混凝土强度变化对接缝受剪承载力的影响。该计算方法下接缝剪力主要通过横向钢筋的剪切摩擦作用来承担，未考虑轴向力对接缝抗剪的影响，在接缝处存在压力的情况下偏于保守。受剪承载力按公式（1）计算。

式中：Vu——受剪承载力；

φ——抗剪能力折减系数，取0.75；

Vn——名义抗剪强度，不超过0.2f'cAc，且不超过5.5Ac；

Ac——剪切平面面积；

— —混凝土圆柱体抗压强度设计值；

As——抗剪钢筋面积；

fy——抗剪钢筋屈服强度，不超过414 MPa；

μ——界面摩擦因数，取值参考表1；

α——抗剪钢筋与剪切平面的夹角（取锐角）。

表1 ACI 318—2011界面摩擦因数取值

3.2.2 PCI设计手册（第七版）的计算方法

美国PCI设计手册（第七版）中的计算方法与ACI 318—2011相同，都基于剪切摩擦机理。在ACI 318—2011的基础上引入了有效摩擦抗剪系数并提高了受剪承载力的上限值，接缝受剪承载力按公式（2）计算。

式中：fy——抗剪钢筋屈服强度，不超过414 MPa；

μe——有效摩擦抗剪系数。

μ的取值和μe、Vu的限值如表2所示。

表2 PCI设计手册（第七版）摩擦因数取值及受剪承载力限值

3.2.3 EN 1992-1-1—2004的计算方法

欧洲EN 1992-1-1—2004中的计算方法考虑了界面摩擦机理和剪切摩擦机理。与ACI 318—2011相比，考虑了混凝土强度的贡献、界面摩擦机理和剪力键对摩擦因数的影响，在机理上更加完善，但计算公式相对复杂。接缝的受剪承载力按公式（3）计算。

式中：ft——混凝土抗拉强度设计值；

c、μ——反应界面粗糙程度的摩擦因数，按表3取值；

N——接缝处的轴向力（压为正、拉为负），当N为正时，不超过0.6fcAc；

α——抗剪钢筋与剪切平面的夹角，45°≤α≤90°；

ν——开裂混凝土抗剪强度折减系数：

表3 EN 1992-1-1—2004界面摩擦因数取值

3.2.4 NZS 3101—2006的计算方法

新西兰NZS 3101—2006中的计算方法考虑了界面摩擦机理和剪切摩擦机理，摩擦因数取值与ACI 318—2011相同。接缝的受剪承载力按公式（4）计算。

式中：μ按表1取值。

3.2.5 新加坡设计手册（2006）的计算方法

新加坡设计手册（2006）中的计算方法与NZS 3101 —2006类似，考虑了界面摩擦机理和剪切摩擦机理，摩擦因数取值相对较高。接缝的受剪承载力按公式（5）计算。

式中：μ按表4取值。

表4 新加坡设计手册（2006）界面摩擦因数取值

3.2.6 我国《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1—2014）的计算方法

JGJ 1—2014中的计算方法考虑了界面摩擦机理和钢筋销栓抗剪机理。当预制柱受压时，计算轴压产生的摩擦力摩擦因数取0.8。当预制柱受拉时，对受剪承载力进行折减。接缝受剪承载力按公式（6）计算。

3.3 国内外规范计算方法对比

国内外规范中预制柱接缝受剪承载力的计算方法大多基于界面摩擦机理、剪切摩擦机理、钢筋销栓抗剪机理和剪力键机理中的一种或几种。其中界面摩擦机理和剪切摩擦机理力学原理明确、便于设计使用，应用最为广泛。表5归纳了上述6种计算方法所考虑的抗剪机理。

表5 各国规范接缝受剪承载力计算公式所考虑抗剪机理

1）国外5种规范中预制接缝的受剪承载力计算公式不限于柱接缝，也可用于梁柱接缝等竖向接缝。中国规程针对预制柱水平接缝和梁柱竖向接缝提出了不同的计算公式。

2）国外5种规范均以剪切摩擦抗剪机理为基础。ACI 318—2011、PCI设计手册（第七版）仅考虑了剪切摩擦机理，EN 1992-1-1—2004、NZS 3101—2006、新加坡设计手册（2006）在此基础上增加了界面摩擦机理，考虑了法向力对接缝受剪承载力的影响。中国规程考虑了界面摩擦机理和销栓抗剪机理。

3）剪切摩擦抗剪公式形式简单，便于设计使用，但忽略了抗剪钢筋的销栓作用和剪力键的影响，故在规范中采用了较高的μ值，因此μ也被称为类似摩擦因数。中国规程中计算轴力产生的界面摩擦力时摩擦因数统一取0.8，未考虑不同界面类型对摩擦因数的影响。

为比较6种规范中接缝受剪承载力计算结果与试验实测值的差异，本文收集了文献[12]、[13]中28个接缝抗剪试件与本课题组9个接缝抗剪试件（文献[14]）的试验数据，其中，文献[12]试件接缝处无压力作用，文献[13]与文献[14]中试件接缝处有法向压力作用。可见：

1）当接缝处无压力作用时，按照NZS 3101—2006、新加坡设计手册（2006）的计算方法所得计算结果略大于试验值，其计算值与试验值的比值约为1.02和1.08，标准差分别为0.35和0.37。PCI设计手册（第七版）的计算方法精度最高，其计算值与试验值的比值约为0.86，标准差为0.12。

2）当接缝处有压力作用时，按照NZS 3101—2006、新加坡设计手册（2006）的计算方法所得计算结果略大于试验值，其计算值与试验值的比值约为1.19和1.34，标准差分别为0.41和0.34。其余计算方法的计算值均小于试验值，有一定的安全储备；EN1992-1-1—2004的计算方法精度最高，其计算值与试验值的比值约为0.78，标准差为0.19。

3）ACI 318—2011和PCI设计手册（第七版）中的计算方法未考虑界面摩擦抗剪机理，接缝处有压力作用时，计算值与试验值的比值约为0.50和0.57，小于接缝处有压力作用时的0.62和0.86。因此在接缝处有压力作用时，ACI 318—2011和PCI设计手册（第七版）的计算方法偏于保守。