劉 權(quán)
(中鐵十八局集團(tuán)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司,天津 300222)
裝配式建筑施工綠色環(huán)保滿足中國建筑生態(tài)文明建設(shè)的行業(yè)理念,工業(yè)化程度高.施工方便是裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的一大優(yōu)點(diǎn),并成為近幾年我國及國外學(xué)者的重點(diǎn)研究對象.它不僅能有效地防止大氣污染和水污染,具有保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),同時工廠化的高效預(yù)制大大降低了施工勞動強(qiáng)度[1].
裝配式砼剪力墻結(jié)構(gòu)是由一套預(yù)制的剪力墻體通過水平和垂直連接方式組成穩(wěn)定的整體.同時也有大量的節(jié)點(diǎn),其水平、垂直連接方法是剪力墻研究的重點(diǎn)[2].裝配式砼剪力墻結(jié)構(gòu)連接方式的分類和優(yōu)缺點(diǎn)詳見表1.
表1 裝配式砼剪力墻結(jié)構(gòu)連接方式的分類和優(yōu)缺點(diǎn)
干連接工作原理通過電焊、螺栓、栓釘?shù)冗B接形式把預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行連接,無須現(xiàn)澆鋼筋砼,在性能上“非等同現(xiàn)澆形式”.
圖1 鋼筋機(jī)械連接
構(gòu)造形式:鋼筋機(jī)械連接一般通過機(jī)械連接件將受力鋼筋進(jìn)行牢固連接的方式[3],如圖1所示.機(jī)械連接中常見的方式之一就是螺栓連接,它是利用高強(qiáng)度螺栓的抗彎拉和抗剪切性能,將上部和下部剪力墻作為一個整體連接起來,如圖2所示.
優(yōu)點(diǎn):通過試驗(yàn)驗(yàn)證,在反復(fù)作用力下,螺栓連接的滯回曲線相對完整,如圖3所示,抗震性能良好,基本滿足等效現(xiàn)澆的目標(biāo),與“濕連接”相比,便于現(xiàn)場施工,提升了施工效率.可以充分發(fā)揮高強(qiáng)螺栓的特性,具有良好的抗震性能.
圖2 螺栓連接示意圖(單位:mm) 圖3 螺栓連接預(yù)制剪力墻滯回曲線
缺點(diǎn):受外部環(huán)境因素影響,容易出現(xiàn)松動導(dǎo)致分離;螺栓孔的對齊要求非常精確.
構(gòu)造形式:在工廠把工字鋼在上、下部剪力墻中預(yù)埋好,運(yùn)到現(xiàn)場施工時,將上下剪力墻工字鋼對齊后進(jìn)行螺栓連接或焊接,然后通過澆筑砼形成后澆帶[4],詳見圖4.
優(yōu)點(diǎn):型鋼連接結(jié)構(gòu)比較簡約,連接比較牢固.
缺點(diǎn):工廠加工生產(chǎn)和運(yùn)輸工程中如果操作不當(dāng),會造成預(yù)埋型鋼出現(xiàn)偏斜錯位,表明此連接方法在生產(chǎn)時的精度要求比較高,另外后澆施工也提高了施工成本,延長了施工時間.
優(yōu)化建議:在兩個型鋼連接器的連接位置設(shè)置“一”字形螺栓孔,兩個螺栓孔一旦交叉就可構(gòu)成“十”字形可調(diào)節(jié)的連接孔,形成可容差型鋼連接結(jié)構(gòu),在實(shí)現(xiàn)兩塊剪力墻墻體在橫向、縱向的位置固定的同時,還具備一定的容差功能和糾正誤差功能,方便進(jìn)行剪力墻安裝,極大地降低了安裝難度系數(shù).
圖4 型鋼連接 圖5 型鋼-螺栓連接
構(gòu)造形式:提前在工廠對剪力墻連接鋼板進(jìn)行加工并牢牢固定,進(jìn)場施工后,第一步在下層剪力墻頂部上涂抹厚度適中的沙漿,然后把下層剪力墻預(yù)埋好的連接鋼板精準(zhǔn)對接上層剪力墻預(yù)留孔,然后把螺桿插入到預(yù)留孔當(dāng)中,并擰緊螺母實(shí)現(xiàn)有效連接[4].詳見圖5.
優(yōu)點(diǎn):型鋼-螺栓剪力墻連接方式構(gòu)造比較簡約,能夠借助調(diào)節(jié)螺栓和連接鋼板的剛度和強(qiáng)度調(diào)節(jié)剪力墻連接位置的抗剪及抗拉性能,其效果和現(xiàn)澆連接基本相同.
缺點(diǎn):型鋼-螺栓剪力墻連接方式進(jìn)行預(yù)制時的精度要求比較嚴(yán)格,而且不能有效處理螺栓裸露時容易生銹的弊端.
構(gòu)造形式:后張拉預(yù)應(yīng)力連接施工時將剪力墻通過預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行連接,接著在接縫中注入適宜強(qiáng)度的砂漿,具體連接方式見圖6.后張拉預(yù)應(yīng)力連接通常借助砼抗壓和預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉進(jìn)行外力的防御.接縫區(qū)域發(fā)生變形的可能性較大,當(dāng)沒有外力時,通過預(yù)應(yīng)力鋼筋自身的修復(fù)功能確保剪力墻保持最狀態(tài)位置[5].
優(yōu)點(diǎn):通過試驗(yàn)分析,后張拉預(yù)應(yīng)力連接能增強(qiáng)連接位置與剪力墻強(qiáng)度、剛度以及延展性,其功能和現(xiàn)澆剪力墻效果一樣.
缺點(diǎn):消能效果不明顯,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,增加減震作用.另外,后張拉預(yù)應(yīng)力連接張拉過程比較復(fù)雜,實(shí)施不太方便.
構(gòu)造形式:把鍵槽在剪力墻上進(jìn)行平均配置,接著進(jìn)行砼澆筑,將剪力墻進(jìn)行連接.此種連接形式主要用于裝配式的大板結(jié)構(gòu).鍵槽尺寸的設(shè)定至關(guān)重要,鍵槽的合理布置可確保剪力均勻地傳遞[6].鍵槽連接見圖7.
優(yōu)點(diǎn):通過試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)鍵槽連接形式滯回曲線比較均勻飽滿,見圖8.在破壞試驗(yàn)中,裝配式剪力墻豎向接縫的裂縫基本遍布整個墻體,能有效地傳遞內(nèi)力.后澆部分有利于墻體的能耗;其峰值荷載較現(xiàn)澆墻的高22.3%,說明力學(xué)性能良好.
缺點(diǎn):鍵槽連接方式不能保證結(jié)構(gòu)的延性,易發(fā)生脆性破壞.破壞時墻體暗柱區(qū)最外邊緣鋼筋被拉斷,而墻體預(yù)制部分損壞較小,說明后澆部分的鋼筋未完全發(fā)揮作用.
優(yōu)化建議:設(shè)計(jì)時可適當(dāng)減少后澆部分鋼筋配筋率.
圖6 后張拉預(yù)應(yīng)力連接圖7鍵槽連接 圖8 鍵槽連接預(yù)制剪力墻滯回曲線
濕連接的機(jī)理就是把相鄰剪力墻的受力縱筋借助連接構(gòu)件進(jìn)行有效連接后,接著對連接處澆筑砼,性能“等同現(xiàn)澆形式”.
構(gòu)造形式:上方的剪力墻底伸出豎向“U”形鋼筋,下方剪力墻墻頂也伸出豎向“U”形鋼筋,上下“U”形鋼筋插入上下“U”形扣內(nèi),然后將砼灌入,通過環(huán)筋扣合錨接連接,使上下兩道剪力墻形成一個整體.裝配式剪力墻環(huán)筋扣合錨連接步驟詳見圖9,構(gòu)造詳見圖10.
圖9 裝配式剪力墻環(huán)筋扣合錨連接步驟圖
圖10 裝配式環(huán)筋扣合錨連接結(jié)構(gòu) 圖11 灌漿套筒構(gòu)造示意圖
優(yōu)點(diǎn):環(huán)筋扣錨連接結(jié)構(gòu)體系具有良好的抗震性能,滿足“小震不破壞,大震不倒塌”的防震目標(biāo).
缺點(diǎn):精度要求較高,環(huán)筋扣合錨接連接環(huán)筋施工不太方便.
構(gòu)造形式:套筒灌漿連接借助空心鋼套筒將剪力墻鋼筋進(jìn)行有效連接,鋼筋從套管兩端插入后,然后通過設(shè)置在套管中的灌漿孔向孔內(nèi)注入速凝、收縮性小的砂漿(砂漿由強(qiáng)度水泥、砂子等輔助材料混而成),砂漿實(shí)現(xiàn)硬化后,意味著實(shí)現(xiàn)連接.詳見圖11.
優(yōu)點(diǎn):如圖12所示,對現(xiàn)澆剪力墻和灌漿套筒連接預(yù)制剪力墻的滯回曲線對比分析,兩者的滯回曲線都非常飽和,而且能耗基本一致.經(jīng)試驗(yàn)分析研究可以發(fā)現(xiàn),灌漿套筒可以將鋼筋應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時傳遞,力學(xué)性能非常穩(wěn)定,并且抗震效果較好,可以實(shí)現(xiàn)同時現(xiàn)澆效果.而且套筒灌漿方式能夠讓施工過程更便捷,施工產(chǎn)生的噪聲更小.
圖12 現(xiàn)澆和預(yù)制剪力墻滯回曲線對比
缺點(diǎn):灌漿套筒連接預(yù)制剪力墻常受施工環(huán)境和施工條件限制,另外,灌漿飽滿程度常常受積水、雜物和空泡等干擾.剪力墻之間的連接縫不容易實(shí)現(xiàn)密實(shí)澆筑,因而削弱了受力性能;預(yù)制構(gòu)件的精度要求很高,灌漿料沒有很好的流動性,早期強(qiáng)度不高,收縮程度偏大,特別是整體投入較高.
優(yōu)化建議:為了提升速度,工程中可采用新型緊固構(gòu)件,該構(gòu)件由固定塊和銷釘一起組成.固定塊可以非常牢固固定套管,并且將套管進(jìn)行精準(zhǔn)定位,在確保剪力墻質(zhì)量的同時,還能提高施工效率速度.緊固件構(gòu)造結(jié)構(gòu)見圖13,灌漿套管與剪力墻連接見圖14.
圖13 緊固件構(gòu)造結(jié)構(gòu)示意圖
圖14 剪力墻灌漿套筒連接示意圖
構(gòu)造形式:在剪力墻中提前預(yù)埋金屬波紋管,然后插入鋼筋,接著將高強(qiáng)度、收縮性小的灌漿料注入凝固后,實(shí)現(xiàn)有效連接,詳見圖15.漿錨搭接連接重點(diǎn)是孔洞的成型方式以及灌漿自身質(zhì)量.
優(yōu)點(diǎn):通過試驗(yàn)證明,漿錨搭接裝配式砼構(gòu)件與現(xiàn)澆的效果差不多,而且受力性能比較好,工序簡單,構(gòu)件對位精度不高,節(jié)約鋼材,投入成本不高,連接性能穩(wěn)定,通過錨搭接的預(yù)制剪力墻與現(xiàn)澆剪力墻破壞程度大致相同.
缺點(diǎn):因?yàn)槭孪阮A(yù)留過的鋼筋插孔,盡管提升了精密性,但容易造成保護(hù)層偏薄,而且加大了施工難度;灌漿時假如出現(xiàn)漏漿情況,造成漿錨孔端部存在空洞現(xiàn)象,導(dǎo)致安全和質(zhì)量問題.
構(gòu)造形式:現(xiàn)澆帶連接借助剪力墻上下鋼筋的搭接,接著澆筑砼進(jìn)行連接,見圖16.
優(yōu)點(diǎn):過現(xiàn)澆帶連接的施工比較便捷,適用于連接位置比較窄小的剪力墻構(gòu)件.
缺點(diǎn):研究發(fā)現(xiàn),通過現(xiàn)澆帶連接形式的滯回曲線不太規(guī)則,見圖17,耗能比較低,承載力到達(dá)峰值以后立即下降,抗震性不強(qiáng).其力學(xué)性能不太穩(wěn)定,上下兩片墻體不容易精準(zhǔn)對齊,另外后澆帶砼也不方便進(jìn)行密實(shí)澆筑.而且對澆筑模型要求比較高.
圖15 漿錨搭接構(gòu)造示意圖 圖16 現(xiàn)澆帶連接 圖17 現(xiàn)澆帶滯回曲線
目前U形板、O形阻尼器和梳形板等耗能器常作為抗震配置工裝.這些阻尼器大多為面外彎曲耗能,滯回性能雖然比較穩(wěn)定,然而剛度偏小,容易折斷.
通過研究發(fā)現(xiàn),借助截面為X形的金屬阻尼器能夠很好配合鋼材順著截面全長屈服的需要,而且初始剛度以及耗能性能較強(qiáng),一些項(xiàng)目在裝配式剪力墻的豎向接縫中配置X形的金屬阻尼器,剪力墻整體抗震能力得到了非常大的提升.金屬阻尼器構(gòu)造見圖18.
圖18 金屬阻尼器構(gòu)造示意圖(單位:mm) 圖19 阻尼器試件的耗能能力
試驗(yàn)時,金屬阻尼器試件XMD20削弱段寬度為20 mm、XM D30削弱段寬度為30 mm、XM D40削弱段寬度為40 mm,當(dāng)外部荷載進(jìn)行反復(fù)施加,X形金屬阻尼器滯回性能表現(xiàn)很強(qiáng).圖19是反復(fù)荷載作用下,金屬阻尼器試件單圈滯回環(huán)耗能值Ed以及等效黏滯阻尼系數(shù)ξeq隨著位移的變化曲線.從圖19可知,XMD的耗能能力隨著削弱段寬度的增加而降低,尤其是當(dāng)增加阻尼器削弱段的寬度時,阻尼器的承載能力以及剛度也得到加強(qiáng),可耗能功能卻降低,而且X形金屬阻尼器和剪力墻間體現(xiàn)了很好的協(xié)同效應(yīng),而且隨著金屬阻尼器數(shù)量的遞增,阻尼器被破壞形式從彎剪破壞過渡到彎曲破壞,這充分表明其抗震性能隨金屬阻尼器數(shù)量的遞增而增強(qiáng).
本文全面介紹了九種國內(nèi)外裝配式承重墻連接方式的構(gòu)造及優(yōu)缺點(diǎn).目前在兼顧預(yù)制裝配式剪力墻“濕連接”方式的同時,建議加大施工更為方便的“干連接”節(jié)點(diǎn)形式的應(yīng)用和研究分析,特別是針對“干連接”形式中裸露在外重要部件容易出現(xiàn)被腐蝕的現(xiàn)象,建議將連接部件進(jìn)行內(nèi)置.另外一些項(xiàng)目的裝配式砼剪力墻連接盡管實(shí)現(xiàn)了工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、快捷化,但是存在著成本高、工藝繁瑣等弊端.X形金屬阻尼器(XMD)極大提升了剪力墻抗震作用,建議在做好剪力墻連接方式抗震性能、受力性能的同時,兼顧防水、防火、防氧化等性能的實(shí)踐和研究.