预制装配式剪力墙结构及其连接技术

杨 涛

（北京城建十六建筑工程有限责任公司，北京 10083）

为满足现代化建筑工程项目的设计需求，施工方提出一种预制拼装剪力墙结构，此种结构是一种新型建筑结构。相比传统的建筑结构而言，此种结构采用组装的方式设计，具有较高的能源利用率，而且在实际使用中不会产生固体废物，更不会对大气和环境造成污染，因此预制装配式剪力墙结构在市场中的价值更高[1]。随着社会对可持续发展的重视，在建筑业中，对这种新型混凝土结构及其连接技术的研究与应用也日益深入，并在阶段性的工作已取得了一定的成绩，为规范此类结构的施工，下述将对此结构的连接施工展开设计。

1 预制装配式剪力墙结构及其连接技术

1.1 预制装配式剪力墙连接构造与构件布置

针对预制装配式剪力墙连接结构的设计，首先需要明确预制装配式剪力墙的截面形式，通常包含图1所示的四种类型。

图1 预制装配式剪力墙截面形式

图1中（a）代表“一”字型剪力墙截面；（b）代表“L”型剪力墙截面；（c）代表“T”型剪力墙截面；（d）代表“U”型剪力墙截面。在进行剪力墙结构设计时，接缝连接效果主要受到受力影响。要达到一个强有力的连接，就必须确保结构具有一个不会损坏连接的区域。在连接剪力墙结构的基础上，接缝的承载力要大于连接构件的实际受力[2]。为了达到“强接缝、弱构件”的设计目的，要求接缝纵向连接的钢筋面积不宜小于实际配筋面积。在地震中，各预制件的连接处是比较脆弱的，而预制件的连接处是整个结构的安全性和稳定性的重要因素，同时预制件自身的质量和施工工艺也是影响其安全性的重要因素[3]。应将牢固、可靠的联接作为工程保证，设计中，按照要求进行内力传递，明确结构受力[4]。在布置上要简单、整齐，最好是对称布置、双向布置，不要造成结构的无规则扭曲；垂直方向的设置必须是连续的，并且不能造成结构的横向刚度变化不规则，也不能改变层间的承载力；预制板的横断面形状要规整，预制板的长度不能太长，墙体的高程和墙腿的长度之比应大于3[5]。

1.2 安装缝、墙板底部加密区设计

在剪力墙结构当中，上下两个墙片之间结合面上会存在一个接缝结构，这一结构称之为安装缝，具体位置如图2所示。

图2 装配式剪力墙安装缝位置示意图

在对装配式剪力墙结构设计时，应保证安装缝是密封性的，并且在上下混凝土结合面上具有粘结效果。安装缝可采用增压喷浆、座浆等方法进行填充，安装缝的高度应不大于20 mm。节点材料的受压强度应大于剪力墙混凝土立方体10 MPa以上[6]。图3为墙板底部加密区示意图。

图3 墙板底部加密区示意图

加密区域的高度不得小于300mm。同时，根据抗震等级要求，加密间距设置参数不同。当抗震等级为一级时，加密间距不得超过120mm，钢筋直径不得小于8mm；当抗震等级为二级、三级或四级时，加密间距不得超过为160mm，钢筋直径不得小于6mm。

1.3 竖向连接方式设计

对于预制拼装剪力墙的垂直连接，可以通过套管进行灌浆。钢筋套筒接头中包含三个基本组成构件，分别为钢筋、套筒连接器和灌浆料[7]。常见的套筒为全灌浆套筒形式，如图4所示。

图4 竖向连接全灌浆套筒接头示意图

图4中，a代表灌浆孔；b代表预留插入端钢筋；c代表排浆孔；d代表橡胶环；e代表键槽；f代表钢筋限位挡板；g代表预制端钢筋。采用一种由金属制成的具有一定厚度的中空圆柱套管，将钢筋从两端的开口处插入到套管中，两根钢筋在同一条轴上，两端不会发生接触，也不需要进行捆绑和搭接[8]。然后，在套管上预留的灌浆孔中，向套管内填充膨胀剂的高强度水泥，以填充套管内的空隙，从而将两段钢筋连接在一起。其结合机制是将高强度的复合砂浆灌注到套管中，然后在套管中添加膨胀剂，在套管的约束下，使钢管与套管的内壁间的摩擦、粘结强度得到增强，同时，钢筋的应力也可以通过钢筋表面的波纹与复合灰浆的摩擦力进行传递。该方法具有良好的抗拉、压强度。在连接的过程中，可通过下述公式，确定钢筋搭接的具体长度：

上述计算公式（1）中：l代表竖向连接的全灌浆套筒接头钢筋连接长度，ζ代表钢筋长度修正系数，al代表钢筋锚固长度。

1.4 水平连接方式设计

针对预制装配式剪力墙结构的水平连接，采用键槽连接方式。键槽连接可以用来连接水平接缝和垂直接缝，并结合生产技术和施工，目前键槽多为垂直接缝，水平接缝大多采用粗加工，形成粗糙表面。预制装配式剪力墙水平的竖向结合面可做成键槽，利用键槽的咬合力达到提升墙体整体承载力的效果。图5为预制装配式剪力墙竖向结合面构造图。

图5 预制装配式剪力墙竖向结合面构造图

键槽连接需要结合现浇带连接，以此形成统一连接结构。相邻墙板连接时，锚环搭接孔内要有垂直钢筋（亦称垂直钢筋），锚环要搭接或用箍筋固定，等钢筋搭接到位后，再进行混凝土浇筑。浇筑混凝土的强度应比预制装配式剪力墙高一级以上，垂直插筋不得小于预制装配式剪力墙的纵向布置或端部纵筋；锚环使用的钢筋不得少于预埋件水平钢筋或末端箍筋，如果有横向连接钢筋，则被连接墙体的横向钢筋必须焊接。

2 实证分析

2.1 施工准备

为检验设计方法，以某建筑工程为例，对施工后的成果进行质量验收。为确保连接施工的顺利实施，在施工前，应做好前期准备工作。首先，对预制装配构件进行现场的运输与吊放设计，在运送预制件时，应选择低平板车作为运输设备，并安装专用支架，采用安全措施对运行过程进行保障。

在预制构件的混凝土强度比达到设计值后，对其进行市场场地的输送。预制墙的运输应垂直竖放，其他构件（包括预制层板、阳台板、楼梯等）可采取平铺摆放运输，摆放中，应适当选取不同构件的支架位置。

预制件运输到施工工地后，应按规格、品种、使用部位、吊装顺序分别放置在场地指定位置，并按吊车作业顺序，布置摆放区域，在场地间设置通道，以便于对构件的实时运输。工地的运输道路和堆料场必须平整、牢固，并有排水设施。在卸、吊装作业范围内不得设置障碍，并确保场地内有足够的空间保证预制件的周转。

在吊装之前，按照起重程序检查零件并对其编号、现场计数。同时，按单件重量、形状、安装高度、吊装现场条件等因素，选择合适施工设备。在吊装连接施工过程中，预制件的吊点合力要与构件重量一致，宜采用可调整的横向吊梁均匀吊装。预制件的悬挂应采用标准的悬挂装置施工，悬挂装置可以是预先埋置的，也可以是埋入式的。起重时，缆绳与构件的水平表面之间的角度不得少于45°。

2.2 现场节点连接施工

在预制装配式剪力墙面板上部和下部，用预留的金属波纹管进行粘结，并将高强度的灌浆灌注到波纹管中。现场节点连接施工应该满足以下要求：

（1）连接施工前检查施工作业机械设备是否准备完毕、灌浆孔道是否完成清洁处理、是否处于通畅状态等；

（2）垂直部件与地面接合部的横向拼缝要清除，在灌浆前1d，要充分观察接头部位水分，并在灌浆前1h内抽干积水；

（3）竖向构件横向拼缝时，必须使用比10MPa更高的混凝土砂浆作为外围灌浆；

（4）注浆料要用电动搅拌机进行充分的调拌，从起料至搅拌结束不少于3min，搅拌后的灌浆料应在45min内使用完毕；

（5）为保证注浆材料充分充填，应采取机械加压注浆方法；

（6）注浆应连续、匀速进行，直到金属波纹管排出浆料后，才能重新封住注浆，在注浆后24h内不能使部件和座浆层发生震动或撞击；

（7）注浆完毕后，应及时清除注浆口和部件表面的浆料，并用抹压使其平整。

2.3 刚度检验

完成上述设计后，对施工构件进行刚度检验。刚度是指材料、构件或结构在受到外力的影响后发生的变形。刚度、强度和稳定性是影响结构性能的三大因素。

明确质量验收指标后，对其进行刚度检验，将结构刚度进行计算：

上述计算公式（2）中：K代表施工构件刚度，P1代表单次循环中推力的最大值，P2代表单次循环中荷载力的最大值，△1代表相对P1点而言的相对位移，△2代表相对P2点而言的相对位移。绘制刚度退化曲线，将其与传统施工方法应用下生成构件的刚度退化系数进行对比。刚度退化系数的计算公式如下：

上述计算公式中：E代表刚度系数，△W代表滞回环包围的有效面积，p代表实验中最大荷载值，m代表负位移的幅值。统计实验结果，见表1。

表1 刚度系数退化变化统计

3 结语

通过上述研究，得到以下几个方面的结论：

（1）根据刚度系数退化变化统计结果，随着施加的荷载值的增加，本文方法施工构件与传统方法施工构件的刚度系数退化均呈现降低趋势，当施加的荷载值为100kN时，传统方法施工构件的刚度系数退化为0，根据预设的条件，此时传统方法施工构件发生断裂，而对比施工100kN荷载值的本文方法施工构件时可以看出，本文构件的刚度系数并未退化为0，综合对比后说明使用本文方法进行连接施工，施工后结构构件的整体刚度较高，说明该施工方法的应用可以起到提升构件刚度的效果。

（2）尽管该方法在经过实证分析后证明了其有效性，但要将预制装配式剪力墙结构进行建筑行业内的推广，还需要从其抗震性能、承载性能等方面，进行其综合性能的进一步检测。