高海

摘 要：【目的】为解决传统剪力墙钢筋连接施工难度大、工期长、成本高的问题，本研究提出了一种新型装配式环筋扣合锚接混凝土剪力墙结构。【方法】通过对扣合锚接的剪力墙竖向连接形成的暗梁进行受力机理分析。【结果】结果表明：环筋扣合连接的暗梁是由于剪弯段混凝土出现受拉裂缝，钢筋屈服而破坏的，而纯弯段的混凝土始终未达到抗拉和抗压强度，环形钢筋与插筋的交点处形成一根刚性扁担，在两侧环形钢筋受拉时，扁担被插筋箍住而约束其变形，因此承载力增大。【结论】环筋扣合锚接混凝土剪力墙结构受力合理、施工方便。

关键词：装配式；剪力墙结构；环筋扣合锚接；扁担传力；有限元分析

中图分类号：TU375         文献标志码：A            文章编号：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

隨着城镇化率的不断提高，预制装配式住宅结构因其构件在工厂预制，相对传统现浇结构能够较大程度地减少现场施工量。在保证质量的前提下，可以有效地节约成本、提高效率。预制装配式结构的使用也成为促进建筑行业由劳动密集型向技术密集型转型的关键因素之一［1］。

剪力墙结构作为多高层住宅建筑中经常使用的结构形式，加快了当前高层住宅向产业化发展的趋势。众所周知，构件之间钢筋的连接技术问题是预制装配式剪力墙结构的关键技术，构件之间连接的稳定性和可靠性直接影响整个结构的安全可靠性和抗震性。目前，主要有3种连接形式用于装配式钢筋混凝土连接：机械连接、套筒连接和浆锚连接。机械连接是利用钢筋与被连接构件两者之间的机械咬合作用或者通过混凝土里钢筋正截面的承压作用，将钢筋之间的力相互传递的连接方法。机械连接形式对插接钢筋的精度要求不是很高，便于施工，但是整个结构制作难度较大，且钢筋消耗量较大［2］。套筒连接技术是通过将事先连接好的钢筋直接插入高强度套筒内，然后在钢筋与带有凹凸槽的套筒的连接处注入高强度灌浆料，等灌浆料达到强度后，将套筒与钢筋紧固地黏结在一起，形成可靠的连接，总体上通过套筒内部的凹凸槽和钢筋之间的灌浆料来传递应力。套筒连接优点明显［3］，但也存在钢筋插接对精度要求较高［4］、套筒及灌浆料等材料价格偏高等缺点［5］。浆锚连接技术也被称为间接锚固或者间接搭接技术，是事先将搭接的钢筋拉开一定的距离再进行可靠搭接的方式［6］，所有连接钢筋拉力通过剪力全部传递给钢筋周边的灌浆料，然后再通过剪力传递给灌浆料与周边混凝土的界面［7］。浆锚连接技术是用螺旋箍筋全部代替钢套筒，看起来增加了钢筋搭接时的钢筋长度，实际上减少了对价格昂贵的钢套筒的使用［8］，节约了成本，不过相对来说对精度要求较高［9］。

相较于装配式框架结构，装配式剪力墙结构存在大量水平接缝、竖向接缝及连接节点［10］，而且装配剪力墙结构整体性能往往取决于这些接缝［11］和连接节点的受力性能［12］。所以，研究出一种受力较为合理、施工简便的墙板节点和接缝设计是决定该结构能否推广应用的关键因素。故本研究提出了一种新型的钢筋连接方式——环筋扣合锚接连接，并进行了有限元分析及受力机理与性能的研究。

1 装配式剪力墙竖向连接机理

1.1 剪力墙竖向环形钢筋扣合锚接连接的提出

剪力墙竖向环形钢筋扣合锚接连接是指上层预制剪力墙的竖向钢筋向下伸出墙底，形成U形，下层预制剪力墙预埋的钢筋向上为倒U形，并且在U形连接处相交的钢筋绑扎连接形成的连接形式，如图1所示。

1.2 有限元模型的建立

取环筋扣合剪力墙暗梁中的一个连接单元为计算对象。一个连接单元的尺寸示意如图2所示，利用嵌入单元将钢筋嵌入混凝土内。环筋扣合连接的有限元模型如图3所示。

为探讨环筋扣合连接的作用机理，在模型下表面两端施加X、Y、Z三个方向的位移约束，环筋上施加40 kN的拉力，如图4所示。混凝土墙采用C3D8R单元，钢筋采用T3D2单元。

1.3 混凝土的本构模型

选取ABAQUS中的最常用的混凝土塑性损伤模型，混凝土塑性损伤模型采用的势函数为Drucker-Prager双曲线函数。混凝土的强度等级为C40，其材料参数及其他相关参数取值见表1。

表1中，fck为混凝土的轴心抗压强度标准值；ftk为混凝土的轴心抗拉强度标准值；Ψ为剪胀角；ε为流动势偏移值；af为双轴极限抗压强度与单轴极限抗压强度比；Kc為拉伸子午面上和压缩子午面上的第二应力不变量之比；μ为黏滞系数。

1.4 钢筋的本构模型

钢材采用常用的von Mise屈服准则［13］，其材料参数见表2。表2中， fyk表示钢筋的屈服强度标准值。

2 作用机理分析

当仅在钢筋上施加40 kN的拉力时［14］，可以将暗梁简化为两端固支且有两个对称集中荷载作用的梁，荷载和支座之间的剪力等于在钢筋上施加的竖向拉力。简化模型如图5所示。

在剪弯段上取连接支座与荷载加载点的三条路径，其中路径1如图6所示，该路径的开始端为加载点，结尾端为支座。绘制路径上节点的最大主应力随该点与支座之间的距离的变化曲线，如图7所示。

由图7（a）可以看出，当荷载为20 kN时，在支座与荷载加载点的连线上，三条路径均有相当一部分节点的最大主应力大于混凝土的抗拉强度标准值，表明混凝土易在此处出现受拉裂缝，并且最大主应力大于混凝土抗拉强度的点集中在距离支座80～140 mm的范围内，即裂缝首先出现在较靠近荷载加载点的方向。以 path-2为例，当荷载为20 kN时，最大主应力在距离支座90～140 mm时大于混凝土的抗拉强度；当荷载为40 kN时，距离支座45～150 mm范围内的最大主应力均大于混凝土的抗拉强度，表明随着荷载的不断增加，剪弯段内混凝土的受拉裂缝逐渐向斜上方的加载点和斜下方的支座延伸。

观察纯弯段内混凝土的最大主应力，如图8所示。可以看出，当荷载为20 kN时，混凝土的最大主应力沿着梁顶面至梁底面逐渐增大；当荷载增加到40 kN时，混凝土的最大主应力分布不规律，但始终未超过混凝土的抗拉强度，表明纯弯段内混凝土未出现受拉裂缝。

当荷载较小时，作用在环筋上的荷载均由环筋承担，纵筋的应力增长较缓慢。而当荷载增大为40 kN时，以纵筋与环筋的交点A点为中心，取A点左右两侧纵筋的应力，如图9所示。由图9可知，在该节点处钢筋的应力已达到屈服强度，为400 MPa；在距离该节点一定的范围内，如20 mm内，节点的应力仍为400 MPa，当节点继续远离A点时，其应力逐渐减小。说明环扣钢筋受到拉力后，将应力传递给与其相连的纵筋，纵筋与环筋共同受力，承担荷载。

综上所述，环筋扣合连接的暗梁最终是由于剪弯段混凝土出现受拉裂缝，钢筋屈服所造成的。纯弯段的混凝土始终未达到抗拉和抗压强度，可能是由于纯弯段的混凝土在环形钢筋与纵筋的约束作用下，承载力有所提高。环形钢筋在二者交点处将其受到的拉力传递至纵筋，纵筋的应力随着远离交点的距离递减，可以将其称之为“扁担传力”模型，即环形钢筋与纵筋之间的混凝土相当于一根刚性扁担，在两侧环形钢筋受拉时，扁担被纵筋箍住而约束其变形，从而使承载力增大。由此可以推断，当环形钢筋抗拉强度足够大，所加荷载未达环形钢筋的屈服强度时，扁担会由于受到较大的剪力而发生剪切破坏。而搭接连接的破坏机理是普通的黏结滑移破坏［7］。

3 环筋扣合锚接剪力墙结构的构件连接

预制环形钢筋混凝土剪力墙、预制环形钢筋混凝土楼梯及环形钢筋混凝土叠合楼板是装配式环筋扣合锚接混凝土剪力墙结构体系的几大重要组成构件［14］。预制环形钢筋混凝土剪力墙指的是四周留置环形闭合钢筋的预制混凝土剪力墙，其中外墙可兼具结构、保温、防护、防水和装饰功能。预制环形钢筋混凝土楼梯指的是先预制梯段整体和楼梯休息平台，然后在楼梯休息平台周边预留环形钢筋的预制混凝土楼梯。环形钢筋混凝土叠合楼板指的是四周留置环形闭合钢筋的钢筋桁架混凝土预制楼板，与墙体预留的环形钢筋扣合安装后，以钢筋桁架混凝土预制板为永久底模板，现场经过绑扎钢筋并浇筑叠合层混凝土形成的装配整体式楼板。

3.1 预制剪力墙的水平连接

剪力墙的水平连接常规上有一字形连接、L形连接、T形连接、十字形连接等4种方式。通过同楼层内剪力墙预留的环形钢筋扣合后，穿入竖向的扣合连接筋，然后在节点处浇筑混凝土，现浇暗柱内钢筋采用机械连接。剪力墙水平连接的传力机理可表达为环形钢筋水平段所受的拉力通过环形钢筋的弯段传递。

3.2 叠合楼板与预制剪力墙的连接

叠合楼板与剪力墙连接时，首先将叠合楼板的底部钢筋伸入剪力墙内搭接锚固，并且将支座上部钢筋穿过剪力墙。将叠合楼板现浇层与剪力墙竖向结合部位整体浇筑，楼板与剪力墙的连接示意如图10所示。剪力墙的竖向连接主要采用浆锚搭接连接和套筒灌浆连接，而结构剪力墙的竖向钢筋通过环筋扣合连接在叠合楼板现浇层内，从而对竖向连接处的混凝土进行有效约束，以防后续浇筑混凝土部分剥落。与此同时，由于连接的部位在楼板处，接缝处的抗剪能力也有所增强，这种方法较搭接方式会更加安全可靠。

3.3 预制楼板连接

叠合板的长度需根据跨度来确认，一般宽度控制在4 m以内，以避免施工过程中的运输和安装问题。叠合板之间采用环筋扣合锚接，通过连接处的环形钢筋，浇筑后形成整体。

3.4 环筋扣合锚接剪力墙结构

预制环形钢筋混凝土内外墙板、预制环形钢筋混凝土楼梯及环形钢筋混凝土叠合楼板是装配式环筋扣合锚接混凝土剪力墙结构体系重要的组成构件。在施工现场，墙体水平连接通过构件端头留置的竖向环形钢筋在暗梁区域进行扣合，墙体竖向连接通过构件端头留置的水平环形钢筋在暗柱区域进行扣合，在暗梁中穿入水平钢筋，暗柱中穿入竖向钢筋后，浇筑混凝土连接成整体。

4 结论

本研究提出了一种新型的装配式剪力墙结构——装配式环筋扣合锚接混凝土剪力墙结构，对其竖向连接的受力机理进行了有限元分析，并对该结构其他部位的连接进行了分析，得出以下結论。

①对扣合锚接的剪力墙竖向连接形成的暗梁进行了受力机理分析，结果表明：环筋扣合连接的暗梁是由于剪弯段混凝土出现受拉裂缝，钢筋屈服所造成的。纯弯段的混凝土始终未达到抗拉和抗压强度。环形钢筋与插筋的交点处形成一根刚性扁担，在两侧环形钢筋受拉时，扁担被插筋箍住而约束其变形，承载力增大。

②该结构体系的优势在于预制环形钢筋混凝土剪力墙之间、预制环形钢筋混凝土剪力墙与楼板之间、环形钢筋混凝土楼板之间的连接均采用环形钢筋扣合锚接的方式。该种连接方式受力合理，施工方便。

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