預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)及其連接技術(shù)分析

楊 悅 濟(jì)南天華建筑設(shè)計(jì)有限公司工程師

剪力墻結(jié)構(gòu)是建筑中常見的結(jié)構(gòu)，而預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)指提前在工廠中預(yù)制好，再于施工現(xiàn)場裝配而成的一種剪力墻結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)現(xiàn)澆剪力墻相比，預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)更能滿足當(dāng)今高效化、綠色化的施工要求。在預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的裝配施工中，連接施工是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，目前常用的連接技術(shù)有多種，各自的優(yōu)點(diǎn)和適用范圍不同。

1 預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)分析

1.1 預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)分析

預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)屬于預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的常見類型，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)是指由預(yù)制構(gòu)件在施工現(xiàn)場裝配而成的建筑結(jié)構(gòu)，它與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于施工流程和方式不同。預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)將大部分現(xiàn)場施工作業(yè)轉(zhuǎn)移到了工廠中進(jìn)行，先在工廠中加工制作好各類預(yù)制構(gòu)件，再把這些預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場拼裝成建筑結(jié)構(gòu)。預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)主要具有以下幾項(xiàng)特征：一是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，即采用共性條件對(duì)預(yù)制構(gòu)件制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和模式，進(jìn)行適用范圍較廣的設(shè)計(jì)。二是工廠化生產(chǎn)，即按照一定的標(biāo)準(zhǔn)要求提前在工廠中批量化生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件。三是裝配化施工，即將傳統(tǒng)的現(xiàn)場澆筑施工改為現(xiàn)場裝配施工。四是一體化裝修，即通過將建筑結(jié)構(gòu)施工與裝飾裝修作業(yè)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)裝修一次到位。五是信息化管理，即在設(shè)計(jì)與施工過程中充分應(yīng)用先進(jìn)的BIM 等信息技術(shù)來提高信息傳遞效率和精度[1]。

1.2 抗震結(jié)構(gòu)體系分析

剪力墻是一種具有較大剛度、較強(qiáng)抗應(yīng)力的墻體結(jié)構(gòu)，一般建筑中的剪力墻都是由鋼筋混凝土材料建成的，因此同時(shí)具備鋼筋混凝土穩(wěn)定性強(qiáng)的特征，是建筑中的主要抗震結(jié)構(gòu)。剪力墻的抗震結(jié)構(gòu)體系通?？煞譃閮纱蟛糠郑阂皇瞧矫娌糠?，即平面抗震剪力墻結(jié)構(gòu)。二是筒體部分。預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)發(fā)展日益迅速，平面抗震剪力墻結(jié)構(gòu)基本都已實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)澆裝配，所以整個(gè)剪力墻抗震結(jié)構(gòu)體系也實(shí)現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)，大大提高了建筑施工效率。由于預(yù)制平面抗震剪力墻結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)條件和生產(chǎn)環(huán)境遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，且不易受天氣、溫度等外界自然因素的影響，所以其抗倒塌能力也更強(qiáng)。預(yù)制平面抗震剪力墻結(jié)構(gòu)在裝配施工過程中多是采用插入式鋼筋連接法，依據(jù)擬動(dòng)力子結(jié)構(gòu)和擬靜力子結(jié)構(gòu)的時(shí)間結(jié)果分析來看，其在抗裂性方面也十分突出。綜合來看，通過預(yù)制平面抗震剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，可以顯著增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力[2]。

1.3 整體式結(jié)構(gòu)體系分析

根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，整體式預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)無論在剛度上，還是在承載能力上，均超過現(xiàn)行規(guī)范要求，通過利用1/2 整體式預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行低周荷載試驗(yàn)也可以證實(shí)這點(diǎn)。在整體式預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)踐中，取得了良好的效果，而且整體式預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢是施工速度快、效率高、工期短以及低污染。可以說，整體式預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，大大推動(dòng)了預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。

1.4 圓孔板剪力墻結(jié)構(gòu)分析

圓孔板剪力墻結(jié)構(gòu)是為了進(jìn)一步推廣普及預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)而被研發(fā)出來的一種剪力墻結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段已在建筑體系構(gòu)建中得到了非常廣泛的應(yīng)用。圓孔板剪力墻結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢是可以與梁相配合而強(qiáng)化邊緣構(gòu)件功能。經(jīng)過擬靜力試驗(yàn)表明，圓孔板剪力墻結(jié)構(gòu)的承載能力能夠有效滿足抗震邊緣構(gòu)件的基本要求，而且圓孔板剪力墻結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，進(jìn)一步擴(kuò)大了預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。例如，基于圓孔板剪力墻結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)的EVE 裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系，可以通過工業(yè)化批量生產(chǎn)構(gòu)筑出內(nèi)外承重墻，并通過與疊合板構(gòu)件的配合，以現(xiàn)場裝配施工的方式構(gòu)建出剪力墻結(jié)構(gòu)，既高效又環(huán)保[3]。

1.5 內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)分析

內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)是預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對(duì)于預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)而言，其用于保障自身抗應(yīng)力和彈性狀態(tài)的最重要部分就是內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)。在試驗(yàn)研究過程中，人們通過對(duì)內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)應(yīng)用不同的配筋率和排筋方式所產(chǎn)生的抗震能力影響進(jìn)行對(duì)比分析，確定了最合理的配筋率和排筋方式。雖然經(jīng)過擬靜力試驗(yàn)表明，內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)在T 形墻、板、梁等結(jié)構(gòu)的中間層邊節(jié)點(diǎn)上的水平承載力要略低于現(xiàn)澆剪力墻，但通過在結(jié)構(gòu)中增設(shè)抗剪斜鋼筋或者配合抗剪槽結(jié)構(gòu)，即可有效解決此問題，從而實(shí)現(xiàn)較好的抗震效果?？偟膩碚f，預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆剪力墻在內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)方面存在較大差異[4]。

2 預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的連接技術(shù)

2.1 套筒連接技術(shù)

套筒連接技術(shù)是預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)在裝配施工中最常用的連接技術(shù)之一。其主要原理是通過在預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的預(yù)制混凝土構(gòu)件中預(yù)埋上金屬套筒，并在金屬套筒中插入鋼筋進(jìn)行水泥基灌漿料灌注，從而對(duì)鋼筋進(jìn)行連接。灌漿料的主要材料是水泥，輔料是細(xì)骨料、外加劑等，通過將上述材料進(jìn)行合理配比并混合均勻，即可得到灌漿連接干混料。頂部插筋和底部套筒的預(yù)埋工作均必須在工廠預(yù)制的過程中完成，也就是說在加工預(yù)制墻板時(shí)就要提前對(duì)頂部做好插筋的預(yù)埋，對(duì)底部做好套筒的預(yù)埋。然后在頂部鋼筋與底部套筒之間填充上微膨脹結(jié)構(gòu)的砂漿，即能完成鋼筋續(xù)接作業(yè)。由于水泥灌漿料的膨脹作用會(huì)受到套筒作用的限制，在鋼筋表面與套筒內(nèi)壁形成一種作用力，實(shí)現(xiàn)受力鋼筋與鋼筋之間力的傳遞。鋼筋連接接頭接受灌漿充填后，也可以保證剪力墻結(jié)構(gòu)受力的合理性。在套筒連接技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中還需注意以下幾項(xiàng)要點(diǎn)：第一，金屬套筒的兩端均需要實(shí)施灌漿連接。第二，頂部插筋和底部套筒的預(yù)埋需定位準(zhǔn)確。第三，預(yù)制墻板與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的連接鋼筋要確保垂直吊裝。第四，要控制好垂直度偏差，確保誤差在允許范圍內(nèi)[5]。

2.2 漿錨連接技術(shù)

漿錨連接技術(shù)又稱間接搭接技術(shù)，因?yàn)樵摷夹g(shù)在應(yīng)用中要先把搭接鋼筋拉開一定的距離后再實(shí)施搭接，先利用剪力結(jié)構(gòu)向灌漿位置傳輸鋼筋拉力，繼而再將拉力傳輸至周邊混凝土結(jié)構(gòu)中，從而形成結(jié)構(gòu)承載力。目前在實(shí)際裝配施工中，多是通過插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接法，依靠螺旋箍筋來強(qiáng)化結(jié)構(gòu)力約束。大致步驟是：在預(yù)制構(gòu)件工廠加工時(shí)提前在下端預(yù)留好粗糙的內(nèi)壁孔洞，在安裝時(shí)插入下部墻體預(yù)留鋼筋，之后灌入漿料，完成對(duì)結(jié)構(gòu)錨固的連接。通過在孔洞方向設(shè)置螺旋鋼筋，可以大大提高鋼筋連接接頭的性能。但由于這種連接結(jié)構(gòu)能夠有效傳遞縱筋和分布鋼筋應(yīng)力，需強(qiáng)化其中間墻體結(jié)構(gòu)，避免發(fā)生性能減損。需合理保留特定強(qiáng)度墻體的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，從而避免在鋼筋發(fā)生屈服時(shí)外力破壞混凝土結(jié)構(gòu)。還需在螺旋箍筋中對(duì)預(yù)埋鋼筋和套管同步進(jìn)行安置，并于水泥硬化前拔出套管。此外，并非所有情況下都適合應(yīng)用漿錨連接技術(shù)，如果是縱向鋼筋，或者鋼筋的直徑≥20 mm，則不適用該技術(shù)?？傮w來說，漿錨連接技術(shù)可以在一定程度上優(yōu)化預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性和抗震性能[6]。

2.3 機(jī)械連接技術(shù)

機(jī)械連接技術(shù)是一種出現(xiàn)時(shí)間較早、比較傳統(tǒng)的預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)連接技術(shù)，目前該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的非常成熟。機(jī)械連接顧名思義就是通過機(jī)械來進(jìn)行鋼筋的咬合連接，其優(yōu)勢是比較靈活，能夠?qū)Σ煌愋偷慕Y(jié)構(gòu)部位進(jìn)行有效連接，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體的鋼筋受力傳遞。機(jī)械連接技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中必須要按照規(guī)范的施工流程進(jìn)行作業(yè)，這樣才能夠確保連接質(zhì)量。目前，在傳統(tǒng)機(jī)械連接技術(shù)的基礎(chǔ)上，又衍生出了更加先進(jìn)的錐螺紋接頭技術(shù)、套筒擠壓接頭技術(shù)等，它們不但可以保證預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的良好抗震性能，而且均擁有非常廣泛的適用面。

2.4 后張預(yù)應(yīng)力連接技術(shù)

后張預(yù)應(yīng)力連接技術(shù)的原理是通過施加豎向預(yù)應(yīng)力來增加水平接縫處的壓力，以提高接合面的摩擦抗剪強(qiáng)度。其又可分為兩種：一種是后張無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力連接技術(shù)，一種是后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力連接技術(shù)。前者是對(duì)預(yù)制墻體分段預(yù)制并預(yù)埋預(yù)應(yīng)力筋導(dǎo)管，同時(shí)在墻段內(nèi)設(shè)置適量的構(gòu)造鋼筋，在實(shí)際裝配過程中，墻體間無需以鋼筋進(jìn)行連通，裝配完成后再以預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)墻段進(jìn)行拼接，其優(yōu)點(diǎn)是施工操作簡單、在地震作用下?lián)p傷較小，缺點(diǎn)是耗能能力和抗火性能不足。后者是在預(yù)制墻體內(nèi)留出孔道，在實(shí)際施工過程中澆筑混凝土，之后以張拉設(shè)備對(duì)預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行張拉，再以錨具將之錨固在構(gòu)件端部，其優(yōu)點(diǎn)是可靠性強(qiáng)、安全性高，缺點(diǎn)是施工工藝復(fù)雜、造價(jià)成本高。

3 結(jié)語

綜上所述，預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)大大方便了現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)施工，但它的應(yīng)用必須要把握好連接技術(shù)，目前常用的連接技術(shù)有套筒連接技術(shù)、漿錨連接技術(shù)、機(jī)械連接技術(shù)以及后張預(yù)應(yīng)力連接技術(shù)等，結(jié)合實(shí)際情況選擇合理的連接技術(shù)是保證施工質(zhì)量的關(guān)鍵。