全装配式混凝土墙板结构的竖向接缝研究

时间：2020-08-12 11:30:36 来源：刘亨 , 徐其功 - 《建筑结构》

目前国内装配式混凝土结构规程和标准中对于竖向接缝荷载效应的计算方法都少有提及，而竖向接缝承载力计算公式的研究却比较多。对于竖向接缝而言，只知道其承载力而未知其荷载效应，则无法判断其是否安全。根据组合梁荷载效应的计算方法来研究全装配式混凝土结构竖向接缝荷载效应的计算方法，在弯矩作用下，根据平截面假定，两片墙体不仅受到按其各自刚度分配得到的弯矩的作用还受到附加轴力的作用，分配得到的弯矩和附加轴力共同作用下的应力图与总的弯矩作用下的应力图一致; 竖向接缝的荷载效应为弯矩以及轴力作用的效应之和。建立一种新的竖向接缝连接形式，并通过对相关内容的研究，提出一个承载力计算公式。

近年来，国家大力发展装配式建筑，促进建筑业转型升级。随着我国"建筑工业化、住宅产业化"进程的加快，装配式结构建筑的应用日益广泛。《装配式混凝土结构技术规程》( JGJ 1—2014) ( 简称《装规》) 的颁布和执行，对装配式混凝土结构建筑的设计、施工和验收起到了有力的推动作用。目前国内装配式剪力墙结构建筑的快速发展，使得装配式墙板结构建筑也越来越多，装配式墙板结构也是装配式剪力墙结构的一种结构形式，只是装配式墙板结构适用于多低层建筑，而装配式剪力墙结构适用于多高层建筑。对于全装配式墙板结构而言，预制构件之间接缝的连接问题是其研究与推广应用中的关键性技术问题，尤其是上下层预制墙体之间的连接和左右间预制墙体之间的连接( 即水平接缝和竖向接缝的连接) 的可靠性对全装配式墙板结构整体抗震性能至关重要。

本文在归纳竖向接缝连接的构造方法和抗剪机理研究成果的基础上，提出一种新的竖向接缝连接的构造方法以及竖向接缝效应的计算方法和承载力的计算方法。

1 、竖向接缝的连接构造

《装配式大板居住建筑设计和施工规程》 ( JGJ 1—91) ( 简称《大板规范》) 中要求大板墙竖向接缝采用钢筋锚环和环中插筋以及设置后浇销键的连接方式。

《装规》中多层剪力墙竖向接缝采用后浇混凝土暗柱连接，后浇混凝土暗柱内设置竖向钢筋和水平钢筋，在后浇段内的锚固与连接应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》( GB 50010—2010) 的有关规定。

近年来，对全装配式剪力墙结构中左右间预制墙体采用的钢筋锚环或软索锚环和环中插筋以及预留孔洞浆锚搭接连接方式进行了深入研究。图 1 为竖向接缝的几种连接构造方式。

2 、竖向接缝效应计算研究

2. 1 《大板规范》的计算方法

《大板规范》中提到了一字形墙肢竖向接缝处的剪力计算公式，而对于 L 形、T 形、十字形的墙体竖向接缝处的剪力公式而未提及，也是通过构造要求进行设计。全装配式大板结构的房屋，墙体布局比较规矩，墙板上所开洞口都比较小，墙体的侧向刚度很大，墙体都以剪切变形为主，墙体上的弯矩和轴力对墙体的影响很小，所以该公式只考虑了竖向接缝的剪力作用。

2. 2 《装规》的计算方法

《装规》中多层剪力墙结构设计，对于水平接缝有明确的计算方法和公式，而对于竖向接缝通过构造来满足要求。装配式结构建筑竖向接缝按照《装规》中的规定设置后浇混凝土暗柱，就认为预制构件之间的竖向接缝基本等同于现浇结构或者略低于现浇结构，从而不需要计算竖向接缝的效应。这适用于整体装配式结构建筑，整体装配式结构都需要在节点域或边缘构件处支模浇筑一段规定距离的混凝土或砂浆; 而全装配式结构预制墙体之间的竖向接缝不能满足《装规》中的规定，就不能将其视为等同于现浇结构，从而必须计算其效应，通过设计计算满足接缝的承载力和变形要求以及在整体结构分析中考虑接缝的影响。

对于目前的全装配式墙板结构而言，墙体的布置比较灵活，墙体所开洞口比较大，墙体的侧向刚度降低，有些墙体的弯矩引起的变形不能忽视，是剪切变形和弯曲变形的结合，墙体上的弯矩和轴力对墙体的影响也增大，因此必须考虑墙体上的弯矩和轴力对竖向接缝的作用。

2. 3 组合梁的计算方法

根据组合梁结构( 叠合梁和楔块梁) 的理论计算，在剪力和弯矩作用下，组合梁在连接位置处的剪力由弯矩作用产生，如图 2 所示。

在弯矩作用下，上梁和下梁要在同一截面保持平截面假定，不仅弯曲的曲率相同，而且彼此之间没有相对滑移，使得两部分梁不仅承受按其各自刚度分配得到的弯矩，还承受附加轴力，组合梁的总弯矩等于上梁和下梁分别按其各自刚度分配得到的弯矩与附加轴力产生的弯矩之和，即

2. 4 全装配式墙板结构竖向接缝的计算方法

根据组合梁荷载效应的计算方法来研究全装配式结构竖向接缝荷载效应的计算方法。在计算墙体左右间的竖向接缝效应之前，根据《混凝土结构设计规范》( GB 50010—2010)先计算翼缘宽度，再计算 T 形截面的截面特性。

2. 4. 1 弯矩作用

如图 3 所示，根据平截面假定，两片墙体不仅受到按其各自刚度分配得到的弯矩的作用，还受到附加轴力的作用，分配得到的弯矩和附加轴力共同作用下的应力图与总的弯矩作用下的应力图一致，

按其各自刚度分配的弯矩和附加轴力的共同作用的应力图与总的弯矩作用的应力图一致，即:

式中: M，M1，M2 分别为 T 形截面上的总弯矩、墙肢 1 的弯矩、墙肢 2 的弯矩; I，I1，I2 分别为 T 形截面上的惯性矩、墙肢 1 的惯性矩、墙肢 2 的惯性矩; σ， σ'，σ0 分别为总弯矩作用下各截面的应力，见图 3; σ1 为墙肢 1 的弯矩作用下的应力; σ2 为墙肢 2 的弯矩作用下的应力; σ3 为墙肢 1 的附加轴力作用下的应力; σ4 为墙肢 2 的附加轴力作用下的应力。

2. 4. 2 轴力作用

T 形墙体上有楼板传来的轴力和上几层墙体的自重作用，两者之和为 Fn，该轴力能减小竖向接缝处的剪力，对竖向接缝有利。

2. 4. 3 竖向接缝处总的剪力效应

竖向接缝处总的剪力效应如下: V = Fm + Fn ( 10)

3 、竖向接缝承载力计算研究

3. 1 装配式大板结构

《大板规范》中墙板竖向接缝采用钢筋锚环和环中插筋以及设置后浇销键的连接方式，其墙板竖向接缝的受剪承载力计算公式为:

式中: ξ 为抗剪键共同工作系数; nk，nj 分别为接缝中的抗剪键及节点的个数; Ak，Aj 分别为单个抗剪键及节点的受剪截面面积; fjv 为抗剪键混凝土的抗剪强度设计值; As，fy 分别为穿过竖向接缝的水平钢筋的截面面积及抗拉强度设计值。

对装配式大板结构竖向接缝的抗剪机理进行研究，该装配式大板结构双向接缝采用结合筋和键槽的连接方式。结合筋屈服前，接缝的抗剪机理为键槽斜压杆作用和压力摩擦作用; 结合筋屈服后，抗剪机理为削弱的键槽斜压杆作用和钢筋的销拴作用。结合筋屈服时，其墙板竖向接缝的抗剪承载力计算公式为:

式中: ν 为混凝土强度折减系数; fc 为混凝土抗压强度; ζ = 2 sin2 θ，θ 为斜压杆方向与接缝中分线法线的夹角; μ 为剪切摩擦系数。

3. 2 装配式剪力墙结构

装配式剪力墙结构的竖向接缝采用钢筋锚环和环中插筋连接或者软索锚环和环中插筋连接。预制混凝土与灌浆料之间的结合面开裂前，界面抗剪承载力完全由界面的粘结作用提供，包括分子间作用力和机械咬合力。接缝的抗剪机理为压力摩擦作用。开裂后，抗剪承载力完全由抗剪钢筋( 或软索) 承担，接缝的抗剪承载力由钢筋( 或软索) 受拉对界面产生的摩擦抗剪力和钢筋( 或软索) 销拴抗剪力提供。

文献［8］对全装配式混凝土剪力墙结构的双向接缝软索锚环和环中插筋连接方式进行研究，软索断裂前，其剪力墙竖向接缝的抗剪承载力的公式为:

式中: μ 为剪切摩擦系数; As，fy 分别为穿过竖向接缝的软索的截面面积及抗拉强度设计值; fcu 为预制混凝土立方体抗压强度。

3. 3 全装配式墙板结构

全装配式墙板结构的双向接缝采用软索锚环和环中插筋以及键槽的连接方式［9-10］。开裂前，接缝的抗剪机理为键槽斜压杆作用和压力摩擦作用和钢筋的销拴作用; 开裂后，抗剪机理为削弱的键槽斜压杆作用和钢筋的销拴作用。文献［11-12］中的剪力墙竖向接缝的抗剪承载力公式，未考虑软索盒子内的后浇混凝土抗剪作用，即键槽的咬合作用，而实际上软索盒子内的混凝土能起到抗剪作用，故文献［11-12］中的抗剪承载力公式有误差，需将键槽的作用计入。软索断裂时，墙体双向接缝的抗剪承载力由键槽抗剪和界面压力摩擦抗剪以及软索自身抗剪三部分组成，其公式为:

根据文献［11-12］的试验数据和 3 个软索盒子的尺寸( 长、宽、高分别为 210，50，20mm) ，参数 β 计算过程如下:

将以上数据代入式( 14) 可得参数 β 的值，具体如表 1 所示。竖向接缝采用软索锚环和键槽抗剪键的连接方式，其极限承载力公式为:

4、计算实例

4. 1 实例概况

根据某公司的预制墙体，预制墙为混凝土墙，混凝土强度等级为 C25，自密实灌浆料强度等级为 C40; 软索盒子的个数为 4 个，软索有 4 组，其直径为 6mm，强度为 1 320MPa。实例中 T 形节点处有竖向接缝，T 形节点的截面尺寸如图 4 所示。

作用在墙上的剪力、弯矩、轴力分别为:

截面特性如下:

4. 2 竖向接缝处荷载效应

4. 2. 1 弯矩作用

根据本文 2. 4 节的计算方法，计算结果如下:

平截面假定验证采用以下 3 个等式:

代入已知数据可知以上 3 个等式都满足，故符合平截面假定。

4. 2. 2 轴力作用

T 形墙体上有楼板传来的轴力和上几层墙体的自重作用为 N = 50.73kN。

4. 2. 3 竖向接缝处总的剪力效应

竖向接缝处总的剪力效应如下:

4. 3 竖向接缝处承载力

（1）根据本文 3. 3 节的公式计算，其计算结果如下:

式竖向接缝的荷载效应的一种计算方法，该计算方法理论上可行，但还需实验验证，有待进一步研究。

（2）文献［10-11］提供的竖向接缝软索锚环的承载力计算公式有误差，其试验测得的试验数据离散性比较大，且计算公式时未筛选数据，而直接用于求解系数，试验中也未考虑抗剪键的作用。

（3）本文建立一种新的竖向接缝的连接形式，即抗剪键和软索锚环的结合连接形式，并提出一种承载力的计算方法。

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