装配式砼剪力墙结构连接方式及抗震研究

刘 权

(中铁十八局集团产业发展有限公司，天津 300222)

0 前 言

装配式建筑施工绿色环保满足中国建筑生态文明建设的行业理念，工业化程度高.施工方便是装配式剪力墙结构的一大优点，并成为近几年我国及国外学者的重点研究对象.它不仅能有效地防止大气污染和水污染，具有保护环境等优点，同时工厂化的高效预制大大降低了施工劳动强度[1].

装配式砼剪力墙结构是由一套预制的剪力墙体通过水平和垂直连接方式组成稳定的整体.同时也有大量的节点，其水平、垂直连接方法是剪力墙研究的重点[2].装配式砼剪力墙结构连接方式的分类和优缺点详见表1.

表1 装配式砼剪力墙结构连接方式的分类和优缺点

1 干式连接

干连接工作原理通过电焊、螺栓、栓钉等连接形式把预制构件进行连接，无须现浇钢筋砼，在性能上“非等同现浇形式”.

1.1 钢筋机械连接

图1 钢筋机械连接

构造形式：钢筋机械连接一般通过机械连接件将受力钢筋进行牢固连接的方式[3]，如图1所示.机械连接中常见的方式之一就是螺栓连接，它是利用高强度螺栓的抗弯拉和抗剪切性能，将上部和下部剪力墙作为一个整体连接起来，如图2所示.

优点：通过试验验证，在反复作用力下，螺栓连接的滞回曲线相对完整，如图3所示，抗震性能良好，基本满足等效现浇的目标,与“湿连接”相比，便于现场施工，提升了施工效率.可以充分发挥高强螺栓的特性，具有良好的抗震性能.

图2 螺栓连接示意图(单位：mm) 图3 螺栓连接预制剪力墙滞回曲线

缺点：受外部环境因素影响，容易出现松动导致分离；螺栓孔的对齐要求非常精确.

1.2 型钢连接

构造形式：在工厂把工字钢在上、下部剪力墙中预埋好，运到现场施工时，将上下剪力墙工字钢对齐后进行螺栓连接或焊接，然后通过浇筑砼形成后浇带[4]，详见图4.

优点：型钢连接结构比较简约，连接比较牢固.

缺点：工厂加工生产和运输工程中如果操作不当，会造成预埋型钢出现偏斜错位，表明此连接方法在生产时的精度要求比较高，另外后浇施工也提高了施工成本，延长了施工时间.

优化建议：在两个型钢连接器的连接位置设置“一”字形螺栓孔,两个螺栓孔一旦交叉就可构成“十”字形可调节的连接孔，形成可容差型钢连接结构,在实现两块剪力墙墙体在横向、纵向的位置固定的同时,还具备一定的容差功能和纠正误差功能,方便进行剪力墙安装,极大地降低了安装难度系数.

图4 型钢连接 图5 型钢-螺栓连接

1.3 型钢-螺栓连接

构造形式：提前在工厂对剪力墙连接钢板进行加工并牢牢固定，进场施工后，第一步在下层剪力墙顶部上涂抹厚度适中的沙浆，然后把下层剪力墙预埋好的连接钢板精准对接上层剪力墙预留孔，然后把螺杆插入到预留孔当中，并拧紧螺母实现有效连接[4].详见图5.

优点：型钢-螺栓剪力墙连接方式构造比较简约，能够借助调节螺栓和连接钢板的刚度和强度调节剪力墙连接位置的抗剪及抗拉性能，其效果和现浇连接基本相同.

缺点：型钢-螺栓剪力墙连接方式进行预制时的精度要求比较严格,而且不能有效处理螺栓裸露时容易生锈的弊端.

1.4 后张拉预应力连接

构造形式：后张拉预应力连接施工时将剪力墙通过预应力钢筋进行连接,接着在接缝中注入适宜强度的砂浆,具体连接方式见图6.后张拉预应力连接通常借助砼抗压和预应力钢筋张拉进行外力的防御.接缝区域发生变形的可能性较大，当没有外力时，通过预应力钢筋自身的修复功能确保剪力墙保持最状态位置[5].

优点：通过试验分析,后张拉预应力连接能增强连接位置与剪力墙强度、刚度以及延展性,其功能和现浇剪力墙效果一样.

缺点：消能效果不明显，需要增加U形板、O形阻尼器和梳形板等耗能器增加消能效果，增加减震作用.另外,后张拉预应力连接张拉过程比较复杂,实施不太方便.

1.5 键槽连接

构造形式：把键槽在剪力墙上进行平均配置，接着进行砼浇筑，将剪力墙进行连接.此种连接形式主要用于装配式的大板结构.键槽尺寸的设定至关重要，键槽的合理布置可确保剪力均匀地传递[6].键槽连接见图7.

优点：通过试验，研究发现键槽连接形式滞回曲线比较均匀饱满,见图8.在破坏试验中，装配式剪力墙竖向接缝的裂缝基本遍布整个墙体，能有效地传递内力.后浇部分有利于墙体的能耗；其峰值荷载较现浇墙的高22.3%，说明力学性能良好.

缺点：键槽连接方式不能保证结构的延性，易发生脆性破坏.破坏时墙体暗柱区最外边缘钢筋被拉断，而墙体预制部分损坏较小，说明后浇部分的钢筋未完全发挥作用.

优化建议：设计时可适当减少后浇部分钢筋配筋率.

图6 后张拉预应力连接图7键槽连接 图8 键槽连接预制剪力墙滞回曲线

2 湿连接

湿连接的机理就是把相邻剪力墙的受力纵筋借助连接构件进行有效连接后，接着对连接处浇筑砼，性能“等同现浇形式”.

2.1 环筋扣合锚接连接

构造形式:上方的剪力墙底伸出竖向“U”形钢筋，下方剪力墙墙顶也伸出竖向“U”形钢筋，上下“U”形钢筋插入上下“U”形扣内，然后将砼灌入，通过环筋扣合锚接连接，使上下两道剪力墙形成一个整体.装配式剪力墙环筋扣合锚连接步骤详见图9，构造详见图10.

图9 装配式剪力墙环筋扣合锚连接步骤图

图10 装配式环筋扣合锚连接结构 图11 灌浆套筒构造示意图

优点：环筋扣锚连接结构体系具有良好的抗震性能，满足“小震不破坏，大震不倒塌”的防震目标.

缺点：精度要求较高，环筋扣合锚接连接环筋施工不太方便.

2.2 套筒灌浆连接

构造形式:套筒灌浆连接借助空心钢套筒将剪力墙钢筋进行有效连接，钢筋从套管两端插入后，然后通过设置在套管中的灌浆孔向孔内注入速凝、收缩性小的砂浆(砂浆由强度水泥、砂子等辅助材料混而成)，砂浆实现硬化后，意味着实现连接.详见图11.

优点：如图12所示，对现浇剪力墙和灌浆套筒连接预制剪力墙的滞回曲线对比分析，两者的滞回曲线都非常饱和，而且能耗基本一致.经试验分析研究可以发现，灌浆套筒可以将钢筋应力进行实时传递，力学性能非常稳定,并且抗震效果较好,可以实现同时现浇效果.而且套筒灌浆方式能够让施工过程更便捷，施工产生的噪声更小.

图12 现浇和预制剪力墙滞回曲线对比

缺点：灌浆套筒连接预制剪力墙常受施工环境和施工条件限制，另外，灌浆饱满程度常常受积水、杂物和空泡等干扰.剪力墙之间的连接缝不容易实现密实浇筑，因而削弱了受力性能；预制构件的精度要求很高，灌浆料没有很好的流动性，早期强度不高，收缩程度偏大，特别是整体投入较高.

优化建议：为了提升速度，工程中可采用新型紧固构件，该构件由固定块和销钉一起组成.固定块可以非常牢固固定套管，并且将套管进行精准定位，在确保剪力墙质量的同时，还能提高施工效率速度.紧固件构造结构见图13，灌浆套管与剪力墙连接见图14.

图13 紧固件构造结构示意图

图14 剪力墙灌浆套筒连接示意图

2.3 浆锚搭接连接

构造形式:在剪力墙中提前预埋金属波纹管,然后插入钢筋,接着将高强度、收缩性小的灌浆料注入凝固后，实现有效连接,详见图15.浆锚搭接连接重点是孔洞的成型方式以及灌浆自身质量.

优点：通过试验证明,浆锚搭接装配式砼构件与现浇的效果差不多,而且受力性能比较好,工序简单，构件对位精度不高，节约钢材,投入成本不高，连接性能稳定，通过锚搭接的预制剪力墙与现浇剪力墙破坏程度大致相同.

缺点：因为事先预留过的钢筋插孔，尽管提升了精密性，但容易造成保护层偏薄，而且加大了施工难度；灌浆时假如出现漏浆情况，造成浆锚孔端部存在空洞现象，导致安全和质量问题.

2.4 现浇带连接

构造形式:现浇带连接借助剪力墙上下钢筋的搭接，接着浇筑砼进行连接，见图16.

优点：过现浇带连接的施工比较便捷，适用于连接位置比较窄小的剪力墙构件.

缺点:研究发现,通过现浇带连接形式的滞回曲线不太规则，见图17,耗能比较低,承载力到达峰值以后立即下降，抗震性不强.其力学性能不太稳定,上下两片墙体不容易精准对齐,另外后浇带砼也不方便进行密实浇筑.而且对浇筑模型要求比较高.

图15 浆锚搭接构造示意图 图16 现浇带连接 图17 现浇带滞回曲线

3 抗震优化举措

目前U形板、O形阻尼器和梳形板等耗能器常作为抗震配置工装.这些阻尼器大多为面外弯曲耗能，滞回性能虽然比较稳定，然而刚度偏小，容易折断.

通过研究发现，借助截面为X形的金属阻尼器能够很好配合钢材顺着截面全长屈服的需要，而且初始刚度以及耗能性能较强，一些项目在装配式剪力墙的竖向接缝中配置X形的金属阻尼器，剪力墙整体抗震能力得到了非常大的提升.金属阻尼器构造见图18.

图18 金属阻尼器构造示意图(单位:mm) 图19 阻尼器试件的耗能能力

试验时，金属阻尼器试件XMD20削弱段宽度为20 mm、XM D30削弱段宽度为30 mm、XM D40削弱段宽度为40 mm，当外部荷载进行反复施加，X形金属阻尼器滞回性能表现很强.图19是反复荷载作用下，金属阻尼器试件单圈滞回环耗能值Ed以及等效黏滞阻尼系数ξeq随着位移的变化曲线.从图19可知，XMD的耗能能力随着削弱段宽度的增加而降低，尤其是当增加阻尼器削弱段的宽度时，阻尼器的承载能力以及刚度也得到加强，可耗能功能却降低，而且X形金属阻尼器和剪力墙间体现了很好的协同效应，而且随着金属阻尼器数量的递增，阻尼器被破坏形式从弯剪破坏过渡到弯曲破坏，这充分表明其抗震性能随金属阻尼器数量的递增而增强.

4 结束语

本文全面介绍了九种国内外装配式承重墙连接方式的构造及优缺点.目前在兼顾预制装配式剪力墙“湿连接”方式的同时，建议加大施工更为方便的“干连接”节点形式的应用和研究分析，特别是针对“干连接”形式中裸露在外重要部件容易出现被腐蚀的现象,建议将连接部件进行内置.另外一些项目的装配式砼剪力墙连接尽管实现了工厂化、标准化、快捷化，但是存在着成本高、工艺繁琐等弊端.X形金属阻尼器(XMD)极大提升了剪力墙抗震作用，建议在做好剪力墙连接方式抗震性能、受力性能的同时，兼顾防水、防火、防氧化等性能的实践和研究.