装配式混凝土剪力墙结构竖向接缝干式连接技术研究进展

2024-01-31颜孙杰董超赵士瑞

工程建设与设计 2024年1期

颜孙杰，董超，赵士瑞

（北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044）

1 引言

装配式混凝土剪力墙结构是目前应用最广泛、技术最成熟的装配式混凝土结构体系[1]，也是我国建筑工业化发展的重要方向[2]。装配式混凝土剪力墙结构以工厂化生产的预制混凝土墙板作为基本装配单元，通过现场装配、连接形成整体结构。预制墙板间接缝的性能决定了结构整体性[3]，影响结构设计、生产、运输以及装配等各个环节。根据接缝位置的不同，包括竖向接缝和水平接缝两种；其中，竖向接缝如同耦合剪力墙的连梁，确保预制墙板间力的传递与协同工作，在结构耗能方面，竖向接缝比水平接缝发挥的作用更大[4]。因此，研究竖向接缝的连接性能对装配式混凝土剪力墙结构具有重要意义。

干式连接技术是装配式混凝土剪力墙结构竖向接缝连接技术之一，具体指通过焊接连接、预应力连接以及螺栓连接等技术将预制混凝土墙板连接形成整体结构，现场装配时无须湿作业，具有施工速度快、工业化程度高等优点。本文在介绍多种干式连接技术的基础上，阐述了各连接技术的特征、技术优势以及不足，建议了装配式混凝土剪力墙竖向接缝连接技术的发展方向，以期为装配式混凝土剪力墙结构体系的发展提供参考。

2 焊接连接技术

焊接连接技术主要通过预埋钢连接件与外置钢板焊接实现墙板间水平连接，如图1 所示。焊接连接技术一般为强连接，易因角焊缝断裂、锚固不充分或连接核心区域混凝土开裂等导致结构发生脆性破坏。对此，需将焊接连接设计为弱连接形式，将外置钢板等同为弱连梁以耗散能量；外置钢板主要表现为带缺口或带孔洞两种形式，如图2 所示。Schultz[5]、Crisafulli[6]等分别对这两种不同截面形式的外置钢板焊接连接预制混凝土剪力墙进行了较为系统的研究，结果表明塑性变形主要集中在缺口和圆孔区域，避免了钢板端部及焊缝处破坏的发生，使结构具有良好的变形能力，适用于中低层建筑。

图2 焊接板示意图

由此表明，采用焊接连接技术的装配式混凝土剪力墙结构具有良好的受力性能，但承载力略显不足，难以满足高层建筑结构的性能需求。此外，场内焊接质量难以控制，焊接后钢连接件变脆，在地震作用下连接节点易发生脆性破坏，对结构抗震性能产生不利影响。

3 预应力连接技术

预应力连接技术是在预制墙板间设置预应力筋，施加预拉力实现水平连接，从而形成整体结构。Menegon 等[7]提出了一种适用于核心筒的预制混凝土墙板，对比研究了竖向接缝采用后张预应力连接技术（PTC）和焊接连接技术（WSP）的性能（见图3），结果表明预应力连接的结构刚度是焊接连接的40 倍，强度也显著高于焊接连接。在PTC 基础上，尹新生等[8]提出了一种具有齿槽构造的预应力约束装配式混凝土剪力墙结构（见图4），时程分析表明：预应力约束装配式混凝土剪力墙结构具有自适应变刚度能力，能够有效降低90%的地震响应。

图3 核心筒竖向接缝连接示意图

图4 预应力约束装配式混凝土剪力墙结构

由此说明，预应力连接技术能够确保装配式混凝土剪力墙竖向接缝的连接性能，提高结构的变形能力和震后可恢复性；与预应力技术相适配的竖向接缝构造形式不多，且场内后张拉工序比较烦琐，效益不高，适用性不广。

4 螺栓连接技术

与焊接连接技术相比，螺栓连接技术施工更加便捷，质量更易于控制，是干式连接中应用最广泛的连接技术。根据连接螺栓方向与墙体是否处于同一平面，螺栓连接技术可分为面外螺栓连接和面内螺栓连接两种形式。面外螺栓连接技术是螺栓连接中最常见的连接方式，具体指预制混凝土墙板间采用螺栓和外贴钢板直接连接，预制混凝土墙板在外贴钢板处设置键槽以限制钢板发生滑移（见图5）。Pekau 等[9]将该连接方式应用于大板结构中，并开展相关研究，指出面外直接螺栓连接技术能够满足十层大板结构的抗震要求。

图5 面外螺栓连接技术

面内螺栓连接技术具体表现为连接螺栓的方向与预制混凝土墙体处于同一平面，连接螺栓的抗剪作用与水平连接钢筋基本等同。Wei Guo 等[10]提出了一种螺栓连接的低层预制混凝土墙板结构（LPWSBC），该结构连接节点由锚固钢板和高强螺栓构成，如图6 所示。3 层1/2 缩尺模型振动台试验研究指出：该结构整体刚度较大，在地震作用下大多数构件始终处于弹性工作阶段，在最大考虑地震作用（MCE）下，结构倒塌概率几乎为零，结构具有良好的抗震性能。黄炜等[11]对比研究了面外螺栓连接技术和面内螺栓连接技术，结果表明两种连接技术均满足“强节点，弱构件”的抗震要求，但面内螺栓连接技术产生的竖向错动变形更小。