预制装配式剪力墙结构发展动态与结构创新体系研究_陈亚辉.pdf

年第 期总第 期福 建 建 筑 预制装配式剪力墙结构发展动态与结构创新体系研究陈亚辉 余勇胜 颜桂云 林相春（.福建省土木工程新技术与信息化重点实验室，福建工程学院土木工程学院 福建福州；.飞阳建设工程有限公司 福建莆田）摘 要：装配式剪力墙结构具有生产效率高、工程质量好等优点，符合国家建筑工业化的发展要求。装配式剪力墙结构对结构的整体构造影响较大，其连接区域成为结构整体力学性能的关键要素。为此，总结目前装配式剪力墙不同连接形式的发展动态和存在的问题，并对目前研究热门领域的消能减震剪力墙结构与可恢复功能的剪力墙结构的发展现状和不足进行分析；针对可恢复装配式剪力墙结构的问题，提出了一种可更换钢制耗能连接装配式剪力墙结构，阐述了该结构的构造形式、设计方法、创新点与抗震性能。该结构可将损伤和耗能集中在钢制连接区域，通过连接区域内特定钢构件屈服耗能，保证上部主体结构不发生破坏，整体连接均通过螺栓实现，施工方便，且便于震后通过更换受损钢构件实现结构的可修复功能。关键词：预制装配式剪力墙；钢制耗能连接；损伤可控；抗震性能中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（.，；.，）：，：；基金项目：福建省财政厅科技项目（）作者简介：陈亚辉（），男。：收稿日期：引言装配式结构具有能源消耗少、安全隐患低、工程质量好、生产效率高、人工成本低、环境污染小、节能环保等优点，符合建筑结构实行绿色发展理念的趋势。随着社会的进步，绿色建筑的发展越来越受到人们的关注，而装配式建筑是绿色建筑的主要方向之一，故越来越多的学者投入到装配式结构领域的研究。年下半年国务院要求根据每个区域和城市的特点来发展装配式混凝土结构，确保装配式建筑在未来的建设中占较大的比例。两会期间，李克强总理特别强调，要加强发展装配式建筑和钢结构，要让建筑结构尽快实现标准化的装配式建设，更要不断提高建筑技术水平和保证施工工程质量。而装配式剪力墙中存在着大量的水平及竖向接缝，这些连接区是保证装配式剪力墙整体性、各部件之间可靠连接和传力的关键因素，对结构的抗震性能影响较大。本文总结了现今装配式剪力墙结构的主要连接形式、相应的研究进展及存在的问题，并基此提出了一种可更换钢制耗能连接装配式剪力墙结构，对该结构的受力原理和设计理念进行了分析。国内外研究动态分析 装配式剪力墙连接形式研究动态分析装配式结构被称之为绿色建筑。因其生产效率高、工程质量有保证的优点，成为研究者的重点研究对象。众多学者对装配式剪力墙结构进行了大量研究，提出了多种较为可靠的连接拼装方法。为实现装配式剪力墙的竖向拼接，采用纵筋浆锚 福 建 建 筑 年搭接连接技术来实现装配式剪力墙中纵向钢筋的连接，对该结构进行抗震研究，结果表明：浆锚连接的装配式剪力墙能够很好的将钢筋内力传递下去，该结构具有和普通剪力墙相近的耗能能力和延性，但初始刚度略有降低，且值得注意的是，该结构容易在纵筋浆锚搭接连接区域内形成薄弱区。对于采用套筒锚浆连接的装配式剪力墙结构，许多学者进行了一系列试验和研究，结果表明采用套筒锚浆连接的装配式剪力墙，其结构失效破坏模态和普通钢筋混凝土剪力墙相似，但刚度和耗能能力较普通剪力墙有微弱降低。为进一步提升套筒锚浆连接节点处纵向钢筋的抗侧向屈曲性能，采用将套筒锚浆连接管头换成波纹钢管对装配式剪力墙进行连接，并进行了低周往复试验，结果表明：该连接结构传力稳定，波纹钢管能够有效限制纵向钢筋的侧向屈曲，满足强连接的设计要求。为满足装配式剪力墙“强节点弱构件”的设计目的，对装配式剪力墙的水平缝连接采用型钢焊接的连接方式，研究表明采用该节点连接形式的装配式剪力墙结构，其最终破坏部位未发生在节点连接区域。在使用型钢焊接连接的装配式剪力墙，利用 建模进行数值分析，探究不同含钢量的型钢混凝土约束边缘对整个装配式剪力墙的影响，结果表明墙体裂纹会随着含钢量的增加而增多，且随着含钢量的增加，墙体承载能力和延性有所提高。为满足装配式剪力墙结构拼装的便捷性，对采用螺栓连接的装配式剪力墙进行抗震性能研究，表明该结构的抗震性能较现浇剪力墙有所提升，而且螺栓连接比较安全可靠、满足连接要求。根据以上的研究结果可知，装配式混凝土墙体的关键在于连接处，研究结果表明无论是套筒灌浆连接、预留孔锚浆连接、预埋型钢焊接连接、以及螺栓连接的装配式墙体的抗震性能都能达到与普通混凝土剪力墙一样效果，但其耗能能力基本都是接近或略小于普通混凝土剪力墙，且连接区域延性较差，仍是装配式剪力墙结构破坏的薄弱区域。消能减震装配式剪力墙结构研究动态分析在装配式结构中安装消能减震元件，可以有效减小结构主体构件在地震中的损伤，保证装配式结构主体构件的完整性，从而提高结构整体的抗震性能，因此，在装配式结构中安装消能减震元件极具工程研究意义。为提升后张预应力墙体的耗能能力，将钢板阻尼器安装在后张拉预应力墙体中，对其进行试验研究，结果表明安装了阻尼器的剪力墙耗能能力相比于普通混凝土墙体有明显提高。利用有限元分析的方法对预制剪力墙带缝软钢阻尼器进行有限元模型研究，研究结果表明加入带缝软钢阻尼器的预制剪力墙具有较大的塑性变形，可增加结构的地震耗能能力。同时将摇摆墙和钢阻尼器结合在一起，并运用在混凝土框架结构中，对其进行研究发现在输入不同的地震动作用下，框架结构的平均地震响应有所降低，但延性和耗能性能有所提高。对上述研究分析可知，当前装配式剪力墙结构实现消能减震耗能主要是通过在结构的竖向拼接区内安装阻尼器，震中通过阻尼器的变形增加结构的抗震性能，但该研究目前主要集中在剪力墙的竖向拼装，关于装配式剪力墙水平拼接的减震耗能研究尚不多见。可恢复功能的装配式剪力墙研究动态分析近年来随着“可恢复功能城市”（）抗震理念的的提出，可恢复功能结构成为了抗震研究的热门方向之一。可恢复功能结构是一种新型减震控制结构，它可实现在震后通过对结构进行快速修复或者不修复，便可使结构恢复建筑使用功能的设计理念。现有的可恢复功能防震效果是通过摇摆、自复位、可更换和附加耗能装置等 形式来实现。为实现装配式剪力墙结构的自复位功能，通过预应力钢筋贯穿装配式墙体和基础之间的方式，形成了自复位剪力墙，通过试验研究发现该剪力墙拥有很好的自复位性能，可以有效的减少墙体裂缝的产生，但滞回性能和耗能能力较弱。故为了提升剪力墙的滞回性能和耗能能力，在剪力墙结构中引入耗能阻尼器，将其安装在变形较大的墙脚和连梁中进行试验研究，结果表明：安装了连梁阻尼器的剪力墙可以有效地将损伤控制在可更换连梁阻尼器上，提高墙体的耗能能力，减少剪力墙体裂缝的产生，加大了墙体的变形能力。混凝土剪力墙的破坏容易出现在墙脚位置，为了避免墙脚的破坏达到试件可更换的要求，学者们基于可恢复功能结构的抗震新理念，提出了一种新型带有震损可修复墙脚构件的剪力墙结构，为震损可修复的剪力墙结构提供了设计思路；在剪力墙墙脚采用可更换耗能阻尼器，同时研究震后更换阻尼器修复后的试件与震前试件对比分析，结果表明：该结构可将损伤和变形大多集中在耗能阻尼器上，从而达到减少剪力墙墙体上部裂缝的产生，该带有可更换耗能阻尼器的剪力墙相较于普通剪力墙结构的承载力略有减小，但其耗能能力有一定提升，变形亦要优于普通剪力墙，且震后的残余变形相对于普通剪力墙也有较大减小；同时震后更换阻尼器后，结构仍具有良好的抗震性能。根据以上研究可知，当前在装配式剪力墙结构实现可恢复功能，主要是利用剪力墙易在墙角破坏的特 年 期 总第 期陈亚辉，余勇胜，颜桂云，等预制装配式剪力墙结构发展动态与结构创新体系研究 性，通过在墙角放置可更换的耗能阻尼器来实现可恢复功能，但在墙体底部连接的现浇区域仍承受着剪力墙的大部分剪力。该现浇区域在地震中亦会有损坏，故该现浇连接区域未能实现震损可修复的功能。可更换钢制耗能连接装配式剪力墙结构 新型装配式剪力墙的构造形式本文提出的可更换钢制耗能连接装配式混凝土剪力墙，由上部预制混凝土墙体、型内嵌钢板、两端受压垫块、中间承压垫梁、连接角钢、承压垫梁、受剪连接板、高强螺栓及下部基础梁组成，其中钢质耗能连接件包括受拉型连接端板、开缝削弱的受剪连接板等部件，如图 所示。该结构连接区可更换钢板采用 钢材，分别在可更换连接钢板上下两端设置螺栓孔，采用高强螺栓将上部预制混凝土墙体和基础梁进行固定连接，并对可更换连接钢板进行开缝削弱，保证可更换连接区钢板先于上部预制混凝土墙体屈服耗能。图 可更换钢制耗能连接装配式混凝土剪力墙 新型装配式剪力墙设计该装配式剪力墙连接区域内的承压垫梁承受传递轴向荷载的目的，满足该结构竖向承载力的设计需要；该结构连接区的弯矩通过受拉连接端板的抗拉应力与两侧受压垫块的抗压应力形成一对抗弯抵抗力偶来承受，受拉连接端板的开孔形式，可使其具有优良的塑性变形能力，以消耗地震能量；连接区的受剪连接板则主要用来承担剪力，同时由于其中部的开孔形式，可使其在承受剪力时，中部开孔形成的多个小钢柱，可使其拥有较好的剪切变形能力，连接区中的受拉连接端板下部设置长条形螺栓孔，如图 所示，可使该受拉连接端板在承受压力时滑动释放压力，受拉时通过螺栓与螺栓孔挤压承受拉力，故保证其仅用来承受拉力，同时受拉连接端板的抗拉应力与另一侧受压垫块的抗压应力可形成一对抗弯力偶，用以抵抗该结构的弯矩；中间剪切型连接板两端螺栓孔亦设计为长条孔，如图 所示，可保证该剪切板在承受弯矩时两侧螺栓孔发生滑移，便可释放弯矩，让其以一个“铰接点”的连接形式存在于该结构的连接区域，使其主要用来承受剪力，同时由于其中部的开孔形式可形成多个小钢柱，以使其在承受剪力时拥有较好的剪切变形能力，提升该结构的抗震性能。该新型装配式剪力墙在小震和中震中保持弹性状态。大震作用下，由于连接区内的抗弯和抗剪承载力被适当削弱，可让连接区先于上部结构屈服，便可将损伤和变形集中在钢制连接区域内，利用抗弯力偶抵抗构件和中部剪切板等钢构件优异的变形能力来消耗地震能量，保证上部预制墙体的安全。震后仅通过更换连接区已经发生破坏的钢构件，便可对结构进行修复，能够较为便捷和经济实现装配式剪力墙的震后可修复功能。图 受拉钢板受力机理 图 剪切钢板受力机理（）钢制耗能连接区域中受拉连接端板设计方法受拉连接端板在两端受压垫块的外侧，其宽度与上部预制剪力墙内暗柱宽度一样，为保证受拉连接端板先于上部结构破坏，让其极限拉应力小于剪力墙约束边缘构件受拉钢筋的屈服受拉强度，受拉连接端板的截面面积依据公式（）设计：（）福 建 建 筑 年式中，受拉连接端板的受拉面积；边缘暗柱中钢筋的总面积；边缘暗柱中钢筋的屈服强度标准值；受拉连接端板钢材极限强度标准值。（）钢制耗能连接区域中受压垫块设计方法受压垫块截面面积的设计根据上部预制剪力墙中边缘暗柱的抗压屈服承载力设计，要满足受压垫块达到极限受压屈服强度时，上部预制剪力墙的边缘暗柱还未屈服，以将受压破坏集中在受压垫块上；受压垫块截面面积依据公式（）（）设计：受压垫块的极限受压承载能力设计值：（）受压垫块的截面面积为：（）式中，垫块极限受压强度设计值；上部预制剪力墙边缘暗柱的长度；上部预制剪力墙厚度；混凝土抗压强度标准值；上部预制剪力墙边缘暗柱中钢筋的屈服强度标准值；受压垫块的受压截面面积；钢材的极限强度标准值。（）钢制耗能连接区域中承压垫梁设计方法建筑结构的抗压工作荷载一般为 极限，故在保证结构安全的情况下，进一步的考虑经济效益，引入参数 ，承压垫梁的截面面积依据公式（）（）设计：承压垫梁的承载力：（）（）承压垫梁的截面面积：（）式中，承压垫梁的抗压承载力；上部预制剪力墙的厚度；上部预制剪力墙的截面有效宽度；混凝土抗压强度标准值；上部预制剪力墙中钢筋的屈服强度标准值；上部预制剪力墙中钢筋的截面面积之和；上部预制剪力墙中钢筋的抗压强度标准值；折减系数；（）钢制耗能连接区域中受剪连接板设计方法可更换钢制连接区中的抗剪承载力主要由摩擦力、受剪连接板和受拉连接端板承受，但经过合理的验算，最终通过增加受拉连接端板中开缝形成的小钢柱的高宽比，来弱化其抗剪承载力，故最终可更换钢制连接区域中的抗弯承载力可近似于由摩擦力和受剪连接板提供。为保证钢制耗能连接区域先于上部剪力墙发生破坏，引入上部预制剪力墙抗剪屈服承载力的折减系数，故受剪连接板的抗剪承载力为：（）受剪连接板的截面面积：（）式中，受 剪 连 接 板 的 抗 剪 截 面 面 积；钢制连接截面的摩擦力；受剪连接板的抗剪屈服值；上部预制剪力墙的抗剪屈服值；受剪连接板钢材的抗剪强度设计值。新型装配式剪力墙创新点本装配式剪力墙的创新在于：（）预制墙体和基础之间通过钢制连接区域实现了装配式剪力墙结构的竖向拼接，由于该连接区域将上部墙体和基础完全分开，有效的避免由于墙体和基础之间现浇墙体剪应力过大导致塑性变形的不可修复，以实现剪力墙的可修复功能。（）该装配式剪力墙的弯矩由受拉型连接钢板的受拉承载力和受压垫块的受压承载力共同抵抗，剪力则由中部开竖缝剪切连接钢板承担，简化了该连接区域的传力路径和受力机制，提高其设计的准确性；（）该装配式剪力墙适当削弱了连接区域的屈服承载力，将损伤集中在连接区上，通过利用连接区钢构件更为优异的变形能力消耗地震能量，保证上部预制墙体不发生破坏。（）该装配式剪力墙采用高强螺栓连接，易于拆卸和安装，便于震后更换和修复。新型装配式剪力墙抗震性能由图 可以看出，试验得到的可更换钢制耗能连接装配式剪力墙的滞回曲线类似“梭形”，曲线较为饱满，体现出该结构的耗能能力较为优异，且该结构破坏时的位移为，已达到的位移角，表现出较好的延性。图 试件滞回曲线 结论（）通过对预制装配式剪力墙主要形式研究进展分析可以看出，连接区域基本能够达到等同现浇的 年 期 总第 期陈亚辉，余勇胜，颜桂云，等预制装配式剪力墙结构发展动态与结构创新体系研究 目的，但其耗能能力和延性仍略差于现浇剪力墙；从对可恢复功能的装配式结构研究进展的汇总，可得出：当前关于装配式剪力墙结构的可恢复功能研究尚不完善，装配式剪力墙结构的震后修复性能尚不能完全实现，需进一步进行研究。（）本文提出的可更换钢制耗能连接装配式混凝土剪力墙结构，通过钢制连接区域实现装配式剪力墙结构的竖向拼装，并对钢制连接区域进行适当的削弱，将损伤和变形集中在连接区的钢构件上，利用连接区钢构件的屈服耗能，保证上部预制混凝土结构不发生破坏，以实现装配式剪力墙结构的震后可修复功能参 考 文 献 ，（）：郝际平，孙晓岭，薛强，等 绿色装配式钢结构建筑体系研究与应用 工程力学，（）：，：，：，（）：陈云钢，刘家彬，郭正兴，等 装配式剪力墙水平拼缝钢筋浆锚搭接抗震性能试验 哈尔滨工业大学学报，（）：，（）：钱稼茹，彭媛媛，张景明，等 竖向钢筋套筒浆锚连接的预制剪力墙抗震性能试验 建筑结构，（）：，：，（）：蔡柳鹤 型钢 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