裝配式環(huán)筋扣合錨接混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)連接技術(shù)研究

高海

摘 要：【目的】為解決傳統(tǒng)剪力墻鋼筋連接施工難度大、工期長、成本高的問題，本研究提出了一種新型裝配式環(huán)筋扣合錨接混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)?！痉椒ā客ㄟ^對扣合錨接的剪力墻豎向連接形成的暗梁進(jìn)行受力機(jī)理分析?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明：環(huán)筋扣合連接的暗梁是由于剪彎段混凝土出現(xiàn)受拉裂縫，鋼筋屈服而破壞的，而純彎段的混凝土始終未達(dá)到抗拉和抗壓強(qiáng)度，環(huán)形鋼筋與插筋的交點處形成一根剛性扁擔(dān)，在兩側(cè)環(huán)形鋼筋受拉時，扁擔(dān)被插筋箍住而約束其變形，因此承載力增大?！窘Y(jié)論】環(huán)筋扣合錨接混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)受力合理、施工方便。

關(guān)鍵詞：裝配式；剪力墻結(jié)構(gòu)；環(huán)筋扣合錨接；扁擔(dān)傳力；有限元分析

中圖分類號：TU375 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）14-0057-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.011

Study on Structural Connection Technology of Concrete Shear Wall ? Assembled by Anchoring Closed Loop Reinforcement

GAO Hai

（China City Environment Protection Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430205，China）

Abstract： [Purposes] In order to solve the problems of difficult construction， long construction period and high cost of traditional shear wall reinforcement connection， a new type of prefabricated concrete shear wall structure with annular closed reinforcement is proposed. [Methods] Analyzing the stress mechanism of the concealed beam formed by the vertical connection of the shear wall with buckle and anchor connection. [Findings] The results show that： the hidden beam connected with annular closed reinforcement is damaged by the tensile crack of the concrete in the shear bending section and the yielding of the steel bars. The concrete in the pure bending section has never reached the tensile and compressive strength; A rigid shoulder pole is formed at the intersection of the annular reinforcement and the joint reinforcement. When the annular reinforcement on both sides is tensioned， the shoulder pole is restrained from deformation by the joint reinforcement， thereby increasing its bearing capacity. [Conclusions] It is found that structural connection of concrete shear wall assembled by anchoring closed loop reinforcement ?is reasonable in force and convenient in construction.

Keywords：precast type; shear wall structure; annular closed reinforcement; load transfer of carrying pole; finite element analysis

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化率的不斷提高，預(yù)制裝配式住宅結(jié)構(gòu)因其構(gòu)件在工廠預(yù)制，相對傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)能夠較大程度地減少現(xiàn)場施工量。在保證質(zhì)量的前提下，可以有效地節(jié)約成本、提高效率。預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的使用也成為促進(jìn)建筑行業(yè)由勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵因素之一［1］。

剪力墻結(jié)構(gòu)作為多高層住宅建筑中經(jīng)常使用的結(jié)構(gòu)形式，加快了當(dāng)前高層住宅向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的趨勢。眾所周知，構(gòu)件之間鋼筋的連接技術(shù)問題是預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)件之間連接的穩(wěn)定性和可靠性直接影響整個結(jié)構(gòu)的安全可靠性和抗震性。目前，主要有3種連接形式用于裝配式鋼筋混凝土連接：機(jī)械連接、套筒連接和漿錨連接。機(jī)械連接是利用鋼筋與被連接構(gòu)件兩者之間的機(jī)械咬合作用或者通過混凝土里鋼筋正截面的承壓作用，將鋼筋之間的力相互傳遞的連接方法。機(jī)械連接形式對插接鋼筋的精度要求不是很高，便于施工，但是整個結(jié)構(gòu)制作難度較大，且鋼筋消耗量較大［2］。套筒連接技術(shù)是通過將事先連接好的鋼筋直接插入高強(qiáng)度套筒內(nèi)，然后在鋼筋與帶有凹凸槽的套筒的連接處注入高強(qiáng)度灌漿料，等灌漿料達(dá)到強(qiáng)度后，將套筒與鋼筋緊固地黏結(jié)在一起，形成可靠的連接，總體上通過套筒內(nèi)部的凹凸槽和鋼筋之間的灌漿料來傳遞應(yīng)力。套筒連接優(yōu)點明顯［3］，但也存在鋼筋插接對精度要求較高［4］、套筒及灌漿料等材料價格偏高等缺點［5］。漿錨連接技術(shù)也被稱為間接錨固或者間接搭接技術(shù)，是事先將搭接的鋼筋拉開一定的距離再進(jìn)行可靠搭接的方式［6］，所有連接鋼筋拉力通過剪力全部傳遞給鋼筋周邊的灌漿料，然后再通過剪力傳遞給灌漿料與周邊混凝土的界面［7］。漿錨連接技術(shù)是用螺旋箍筋全部代替鋼套筒，看起來增加了鋼筋搭接時的鋼筋長度，實際上減少了對價格昂貴的鋼套筒的使用［8］，節(jié)約了成本，不過相對來說對精度要求較高［9］。

相較于裝配式框架結(jié)構(gòu)，裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)存在大量水平接縫、豎向接縫及連接節(jié)點［10］，而且裝配剪力墻結(jié)構(gòu)整體性能往往取決于這些接縫［11］和連接節(jié)點的受力性能［12］。所以，研究出一種受力較為合理、施工簡便的墻板節(jié)點和接縫設(shè)計是決定該結(jié)構(gòu)能否推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。故本研究提出了一種新型的鋼筋連接方式——環(huán)筋扣合錨接連接，并進(jìn)行了有限元分析及受力機(jī)理與性能的研究。

1 裝配式剪力墻豎向連接機(jī)理

1.1 剪力墻豎向環(huán)形鋼筋扣合錨接連接的提出

剪力墻豎向環(huán)形鋼筋扣合錨接連接是指上層預(yù)制剪力墻的豎向鋼筋向下伸出墻底，形成U形，下層預(yù)制剪力墻預(yù)埋的鋼筋向上為倒U形，并且在U形連接處相交的鋼筋綁扎連接形成的連接形式，如圖1所示。

1.2 有限元模型的建立

取環(huán)筋扣合剪力墻暗梁中的一個連接單元為計算對象。一個連接單元的尺寸示意如圖2所示，利用嵌入單元將鋼筋嵌入混凝土內(nèi)。環(huán)筋扣合連接的有限元模型如圖3所示。

為探討環(huán)筋扣合連接的作用機(jī)理，在模型下表面兩端施加X、Y、Z三個方向的位移約束，環(huán)筋上施加40 kN的拉力，如圖4所示?；炷翂Σ捎肅3D8R單元，鋼筋采用T3D2單元。

1.3 混凝土的本構(gòu)模型

選取ABAQUS中的最常用的混凝土塑性損傷模型，混凝土塑性損傷模型采用的勢函數(shù)為Drucker-Prager雙曲線函數(shù)?；炷恋膹?qiáng)度等級為C40，其材料參數(shù)及其他相關(guān)參數(shù)取值見表1。

表1中，fck為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；ftk為混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；Ψ為剪脹角；ε為流動勢偏移值；af為雙軸極限抗壓強(qiáng)度與單軸極限抗壓強(qiáng)度比；Kc為拉伸子午面上和壓縮子午面上的第二應(yīng)力不變量之比；μ為黏滯系數(shù)。

1.4 鋼筋的本構(gòu)模型

鋼材采用常用的von Mise屈服準(zhǔn)則［13］，其材料參數(shù)見表2。表2中， fyk表示鋼筋的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

2 作用機(jī)理分析

當(dāng)僅在鋼筋上施加40 kN的拉力時［14］，可以將暗梁簡化為兩端固支且有兩個對稱集中荷載作用的梁，荷載和支座之間的剪力等于在鋼筋上施加的豎向拉力。簡化模型如圖5所示。

在剪彎段上取連接支座與荷載加載點的三條路徑，其中路徑1如圖6所示，該路徑的開始端為加載點，結(jié)尾端為支座。繪制路徑上節(jié)點的最大主應(yīng)力隨該點與支座之間的距離的變化曲線，如圖7所示。

由圖7（a）可以看出，當(dāng)荷載為20 kN時，在支座與荷載加載點的連線上，三條路徑均有相當(dāng)一部分節(jié)點的最大主應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，表明混凝土易在此處出現(xiàn)受拉裂縫，并且最大主應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度的點集中在距離支座80～140 mm的范圍內(nèi)，即裂縫首先出現(xiàn)在較靠近荷載加載點的方向。以 path-2為例，當(dāng)荷載為20 kN時，最大主應(yīng)力在距離支座90～140 mm時大于混凝土的抗拉強(qiáng)度；當(dāng)荷載為40 kN時，距離支座45～150 mm范圍內(nèi)的最大主應(yīng)力均大于混凝土的抗拉強(qiáng)度，表明隨著荷載的不斷增加，剪彎段內(nèi)混凝土的受拉裂縫逐漸向斜上方的加載點和斜下方的支座延伸。

觀察純彎段內(nèi)混凝土的最大主應(yīng)力，如圖8所示?？梢钥闯?，當(dāng)荷載為20 kN時，混凝土的最大主應(yīng)力沿著梁頂面至梁底面逐漸增大；當(dāng)荷載增加到40 kN時，混凝土的最大主應(yīng)力分布不規(guī)律，但始終未超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，表明純彎段內(nèi)混凝土未出現(xiàn)受拉裂縫。

當(dāng)荷載較小時，作用在環(huán)筋上的荷載均由環(huán)筋承擔(dān)，縱筋的應(yīng)力增長較緩慢。而當(dāng)荷載增大為40 kN時，以縱筋與環(huán)筋的交點A點為中心，取A點左右兩側(cè)縱筋的應(yīng)力，如圖9所示。由圖9可知，在該節(jié)點處鋼筋的應(yīng)力已達(dá)到屈服強(qiáng)度，為400 MPa；在距離該節(jié)點一定的范圍內(nèi)，如20 mm內(nèi)，節(jié)點的應(yīng)力仍為400 MPa，當(dāng)節(jié)點繼續(xù)遠(yuǎn)離A點時，其應(yīng)力逐漸減小。說明環(huán)扣鋼筋受到拉力后，將應(yīng)力傳遞給與其相連的縱筋，縱筋與環(huán)筋共同受力，承擔(dān)荷載。

綜上所述，環(huán)筋扣合連接的暗梁最終是由于剪彎段混凝土出現(xiàn)受拉裂縫，鋼筋屈服所造成的。純彎段的混凝土始終未達(dá)到抗拉和抗壓強(qiáng)度，可能是由于純彎段的混凝土在環(huán)形鋼筋與縱筋的約束作用下，承載力有所提高。環(huán)形鋼筋在二者交點處將其受到的拉力傳遞至縱筋，縱筋的應(yīng)力隨著遠(yuǎn)離交點的距離遞減，可以將其稱之為“扁擔(dān)傳力”模型，即環(huán)形鋼筋與縱筋之間的混凝土相當(dāng)于一根剛性扁擔(dān)，在兩側(cè)環(huán)形鋼筋受拉時，扁擔(dān)被縱筋箍住而約束其變形，從而使承載力增大。由此可以推斷，當(dāng)環(huán)形鋼筋抗拉強(qiáng)度足夠大，所加荷載未達(dá)環(huán)形鋼筋的屈服強(qiáng)度時，扁擔(dān)會由于受到較大的剪力而發(fā)生剪切破壞。而搭接連接的破壞機(jī)理是普通的黏結(jié)滑移破壞［7］。

3 環(huán)筋扣合錨接剪力墻結(jié)構(gòu)的構(gòu)件連接

預(yù)制環(huán)形鋼筋混凝土剪力墻、預(yù)制環(huán)形鋼筋混凝土樓梯及環(huán)形鋼筋混凝土疊合樓板是裝配式環(huán)筋扣合錨接混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系的幾大重要組成構(gòu)件［14］。預(yù)制環(huán)形鋼筋混凝土剪力墻指的是四周留置環(huán)形閉合鋼筋的預(yù)制混凝土剪力墻，其中外墻可兼具結(jié)構(gòu)、保溫、防護(hù)、防水和裝飾功能。預(yù)制環(huán)形鋼筋混凝土樓梯指的是先預(yù)制梯段整體和樓梯休息平臺，然后在樓梯休息平臺周邊預(yù)留環(huán)形鋼筋的預(yù)制混凝土樓梯。環(huán)形鋼筋混凝土疊合樓板指的是四周留置環(huán)形閉合鋼筋的鋼筋桁架混凝土預(yù)制樓板，與墻體預(yù)留的環(huán)形鋼筋扣合安裝后，以鋼筋桁架混凝土預(yù)制板為永久底模板，現(xiàn)場經(jīng)過綁扎鋼筋并澆筑疊合層混凝土形成的裝配整體式樓板。

3.1 預(yù)制剪力墻的水平連接

剪力墻的水平連接常規(guī)上有一字形連接、L形連接、T形連接、十字形連接等4種方式。通過同樓層內(nèi)剪力墻預(yù)留的環(huán)形鋼筋扣合后，穿入豎向的扣合連接筋，然后在節(jié)點處澆筑混凝土，現(xiàn)澆暗柱內(nèi)鋼筋采用機(jī)械連接。剪力墻水平連接的傳力機(jī)理可表達(dá)為環(huán)形鋼筋水平段所受的拉力通過環(huán)形鋼筋的彎段傳遞。

3.2 疊合樓板與預(yù)制剪力墻的連接

疊合樓板與剪力墻連接時，首先將疊合樓板的底部鋼筋伸入剪力墻內(nèi)搭接錨固，并且將支座上部鋼筋穿過剪力墻。將疊合樓板現(xiàn)澆層與剪力墻豎向結(jié)合部位整體澆筑，樓板與剪力墻的連接示意如圖10所示。剪力墻的豎向連接主要采用漿錨搭接連接和套筒灌漿連接，而結(jié)構(gòu)剪力墻的豎向鋼筋通過環(huán)筋扣合連接在疊合樓板現(xiàn)澆層內(nèi)，從而對豎向連接處的混凝土進(jìn)行有效約束，以防后續(xù)澆筑混凝土部分剝落。與此同時，由于連接的部位在樓板處，接縫處的抗剪能力也有所增強(qiáng)，這種方法較搭接方式會更加安全可靠。

3.3 預(yù)制樓板連接

疊合板的長度需根據(jù)跨度來確認(rèn)，一般寬度控制在4 m以內(nèi)，以避免施工過程中的運輸和安裝問題。疊合板之間采用環(huán)筋扣合錨接，通過連接處的環(huán)形鋼筋，澆筑后形成整體。

3.4 環(huán)筋扣合錨接剪力墻結(jié)構(gòu)

預(yù)制環(huán)形鋼筋混凝土內(nèi)外墻板、預(yù)制環(huán)形鋼筋混凝土樓梯及環(huán)形鋼筋混凝土疊合樓板是裝配式環(huán)筋扣合錨接混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系重要的組成構(gòu)件。在施工現(xiàn)場，墻體水平連接通過構(gòu)件端頭留置的豎向環(huán)形鋼筋在暗梁區(qū)域進(jìn)行扣合，墻體豎向連接通過構(gòu)件端頭留置的水平環(huán)形鋼筋在暗柱區(qū)域進(jìn)行扣合，在暗梁中穿入水平鋼筋，暗柱中穿入豎向鋼筋后，澆筑混凝土連接成整體。

4 結(jié)論

本研究提出了一種新型的裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)——裝配式環(huán)筋扣合錨接混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，對其豎向連接的受力機(jī)理進(jìn)行了有限元分析，并對該結(jié)構(gòu)其他部位的連接進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

①對扣合錨接的剪力墻豎向連接形成的暗梁進(jìn)行了受力機(jī)理分析，結(jié)果表明：環(huán)筋扣合連接的暗梁是由于剪彎段混凝土出現(xiàn)受拉裂縫，鋼筋屈服所造成的。純彎段的混凝土始終未達(dá)到抗拉和抗壓強(qiáng)度。環(huán)形鋼筋與插筋的交點處形成一根剛性扁擔(dān)，在兩側(cè)環(huán)形鋼筋受拉時，扁擔(dān)被插筋箍住而約束其變形，承載力增大。

②該結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)勢在于預(yù)制環(huán)形鋼筋混凝土剪力墻之間、預(yù)制環(huán)形鋼筋混凝土剪力墻與樓板之間、環(huán)形鋼筋混凝土樓板之間的連接均采用環(huán)形鋼筋扣合錨接的方式。該種連接方式受力合理，施工方便。

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