装配式混凝土预制柱接缝设计要点分析

王延臣， 高振旭

（1.天津子牙循环经济产业投资发展有限公司，天津 301600；2.创意（天津）建筑科技有限公司，天津 301600）

装配式建筑是指在工厂加工制作的构件运输到施工现场，以可靠的连接方式在现场组装而成的建筑。目前，装配式钢结构和装配式混凝土结构是我国装配式建筑应用最广泛的两种体系，而其中装配式混凝土结构的应用比例最高。在装配式混凝土结构中，预制构件间的连接是关键，其性能的优劣对整体结构的受力和抗震性能影响较大，对预制混凝土柱而言，其柱底水平接缝的受剪性能是影响结构受力性能的关键部位。预制柱底部接缝剪力由结合面混凝土的黏结强度、键槽或粗糙面、钢筋的摩擦抗剪作用、销栓抗剪作用承担，其受剪机理主要有结合面摩擦机理、钢筋销栓受剪机理以及剪力键机理等。我国现行规范[1～2]对预制柱底部水平接缝的受剪承载力计算都有较为全面的要求和规定。国内外学者针对预制柱底部接缝受剪机理做了一部分研究，Birkeland P W等[3]针对装配式混凝土柱的水平缝抗剪机理提出了有关理论，认为结构会在水平荷载的作用下沿着柱水平缝接触面产生滑移，而钢筋内沿其轴线方向存在拉应力，此拉应力会在混凝土接触面上产生压应力，接触面为粗糙构造，因此在滑移的过程中这种压应力会产生摩擦力，柱接触面的抗剪承载力主要由此摩擦力构成。Mast R F[4]对19个具有中心裂缝的试件进行了试验和数值模拟，以研究水平接缝的受剪机理，结果表明，水平接缝的抗剪强度受混凝土的强度和钢筋数量的影响，但其并不显著影响接触面发生滑移的时机且水平接触面的摩擦系数与混凝土强度无关。邓艾等[5]等应用中国及日本规范水平缝抗剪承载能力计算公式，计算了96组截面的预制混凝土柱的承载能力并对中日规范进行分析总结，提出了改进的水平缝抗剪承载能力的计算公式，有限元分析结果表明，预制柱在小轴压比下会发生水平缝的剪切滑移破坏，而中国规范关于水平缝的抗剪承载能力公式表明滑移破坏不可能发生，与实际结果有较大差异，准确性有待进一步研究。

某采用装配整体式混凝土框架结构体系的多层建筑预制构件主要采用预制混凝土柱，预制柱应用比例为35%。本文以该工程为例，总结了预制混凝土柱底部接缝的受剪承载力计算方法，为预制装配式建筑提供设计参考。

1 预制柱底部接缝受剪承载力计算方法

1.1 我国规范中规定的计算方法

我国现行规范[1]中给出了预制柱底部接缝受剪承载力的计算方法，该计算公式主要考虑了结合面摩擦作用和纵筋销栓抗剪作用。

根据规范，预制柱柱底接缝的受剪承载力应符合下列规定[1]

持久设计状况下

地震设计状况下

在预制柱端部箍筋加密区，尚应符合下式要求

式中：γ0为结构重要性系数；Vjd为持久设计状况下接缝剪力设计值；VjdE为地震设计状况下接缝剪力设计值；Vu为持久设计状况下柱端底部接缝受剪承载力设计值；VuE为地震设计状况下柱端底部接缝受剪承载力设计值；Vmua为被连接预制柱端部按实配钢筋面积计算的斜截面受剪承载力设计值；ηj为接缝受剪承载力增大系数，抗震等级为一、二级取1.2，三、四级取1.1；γRE为承载力抗震调整系数。

对于持久设计状况，按式（1）进行验算；对于地震设计状况，柱端箍筋非加密区按式（2）进行验算；柱端箍筋加密区则按式（2）和式（3）进行包络验算；承载力抗震调整系数受剪时取0.85。

式（3）主要是确保预制柱箍筋加密区底部接缝实现强连接，保证不在接缝处发生破坏，因此要求接缝的承载力设计值要大于被连接构件的承载力设计值乘以强连接系数。

地震设计状况下柱端底部接缝受剪承载力设计值可按下式计算[1]

预制柱受压时

预制柱受拉时

式中：fc为预制柱混凝土轴心抗压强度设计值；fy为垂直穿过结合面钢筋抗拉强度设计值；N为与剪力设计值V相应的垂直于结合面的轴向力设计值取绝对值进行计算；Asd为垂直穿过结合面所有钢筋的面积。

预制柱底截面按实配箍筋面积计算的斜截面受剪承载力设计值Vmua，可按GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中式11.4.7和式11.4.8计算。

该项目中预制柱截面尺寸为800 mm×800 mm，混凝土强度等级为C40，纵筋和箍筋采用HRB400三级钢，抗震等级为二级，接缝受剪承载力增大系数为1.2，柱剪跨比为2.45，柱端加密区箍筋实配为8 mm@100 mm，箍筋面积为251.2 mm2，轴压力设计值为1 120.8 kN，按式（2）和式（3）进行包络计算，其中式（3）起控制作用。根据GB 50010—2010中式11.4.7，计算得到Vmua为1 065.9 kN。由式（3）和式（4），可得

可知，当预制柱实配纵筋面积＞2 799.7 mm2时，预制柱底部接缝受剪承载力可满足要求。设计时，该预制柱实配纵筋为16根25 mm，纵筋总面积为7 856 mm2，满足接缝受剪承载力验算所需的钢筋面积要求。

1.2 考虑滑移影响的计算方法

邓艾等[5]通过对中日规范的分析总结，考虑弯矩及水平缝滑移破坏的影响因素，建立了改进的水平缝抗剪承载能力计算公式，在柱底发生滑移后，假设：受拉区由于钢筋伸长应力达到屈服；受压区由于钢筋伸长应力释放，为0，仅发挥销栓作用。

水平缝的抗剪承载能力计算公式为

式中：N为预制柱在接缝处所受到的轴力；fy为受拉钢筋的设计屈服值；As为受拉区钢筋的截面面积；Nc为接缝处混凝土上承受的压力；μ为接触面的摩擦系数；Vc为水平缝处的摩擦抗剪作用；Asd为受压区起到销栓作用的钢筋截面面积；fc为混凝土的抗压强度设计值。

因计算公式中考虑了受拉区钢筋拉应力对摩阻力的增强作用，此种计算方法计算得出的摩擦力较规范更大，销栓作用更小。

2 预制柱底部接缝构造要点

2.1 键槽构造

预制柱底应设置剪力键，预制柱结合面设置键槽可提高接缝的受剪承载力，其受剪性能随键槽端部倾角的减小而增大；但过小的倾角不易于施工。当剪力键位置较低时，会形成角部局压破坏，导致强度下降。预制柱底部键槽应均匀布置，键槽深度不宜＜30 mm，键槽端部斜面倾角不宜＞30°[1]。

2.2 结合面粗糙度要求

随着结合面粗造程度的增加，预制柱接缝处受剪承载力提高，故预制柱顶面和底面应设置粗糙面。预制柱顶应设置粗糙面，预制柱的底部应设置键槽且宜设置粗糙面，粗糙面的面积不宜小于结合面的80%，粗糙面凹凸深度不应＜6 mm[1]。

2.3 柱纵筋连接构造

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＜20 mm；套筒间的净距不应＜25 mm；柱纵筋直径不宜＜20 mm；预制柱纵筋在柱底采用套筒灌浆连接时，柱箍筋加密区长度不应小于纵向受力钢筋连接区域长度与500 mm之和；套筒上端第一道箍筋距离套筒顶部不应＞50 mm[1]。

3 预制柱设计注意事项

1）预制柱纵筋尽量采用大直径钢筋（d≥25 mm），以减少预制构件钢筋数量以及钢筋连接接头数量。

2）梁布置时应控制梁柱偏心距不超过1/4，尽量不采用加腋方案，避免因加腋梁带来的施工困难等问题。

3）梁布置时应尽量居中，当不能居中布置时，建议梁与柱边错开50 mm以上，以避免出现梁与柱一边对齐时梁纵筋与柱纵筋位置冲突，施工时安装困难等问题。

4）对偏心受拉的框架柱以及轴压力较小的框架柱宜采用现浇法。

5）应尽量避免框架柱形成剪跨比＜2的短柱，因为短柱导致预制柱箍筋配筋增大，实配箍筋反算的柱端剪力Vmua过大，柱底接缝受剪承载力计算不易满足规范要求。

4 结语

本文总结了预制柱底部接缝受剪承载力计算方法，包括我国规范中规定的和国内学者提出的两种方法。通过对预制柱底部接缝受剪机理、接缝受剪承载力计算以及接缝纵筋连接构造等内容的分析和计算，给出了预制柱设计时的注意事项，可为类似装配式建筑的设计提供参考。