摘要：本研究主要应用于建筑行业装配式建筑领域。针对现有普遍做法装配式剪力墙结构套筒灌浆连接存在安装困难、质量不易保证的问题，研发装配式组合连接剪力墙结构技术，将工字钢预埋入装配式剪力墙构件中作为水平缝连接件，以“工字钢焊接+后浇水平缝”的方式连接上下剪力墙板，通过试验研究和有限元分析，探究细部构造对组合连接剪力墙抗震性能的影响规律，对装配式组合连接剪力墙参数分析及设计建议。该研究供广东省中低烈度地区的竖向构件连接提供多种可靠连接选择。

　　关键词：预制剪力墙；组合连接；抗震性能；拟静力试验；有限元分析

　　一、研究背景

　　目前，装配式建筑中常见的预制构件仍以水平承重构件或非承重构件为主，对于竖向承重构件的应用较少，但要提升建筑的预制率，提高应用装配式技术的建筑适用范围，预制装配式剪力墙的应用无法避免。预制剪力墙的竖向连接主要包括灌浆套筒连接和浆锚搭接，但是这两种方法易出现由于钢筋位置偏差导致钢筋插不进，灌浆质量难以检测等问题。为提高上下预制墙体的整体性，避免钢筋逐根连接，有学者提出采用型钢作为抗剪连接件连接上下墙体，竖向分布钢筋搭接连接，通过型钢传递部分荷载，同时提高水平接缝处的抗剪承载力，这种连接方式称为组合连接。但是，以型钢作为连接件的装配式组合连接钢筋混凝土剪力墙的研究还较少，各种细部构造对墙体抗震性能的影响不明确，缺乏具体的设计方法。故本项目致力于研究装配式组合连接剪力墙结构在中低烈度地区的结构选型、抗震性能、施工工艺和检测技术选择。

　　二、研究思路

　　本文采用试验研究、数值模拟和理论计算相结合的方法开展研究，具体的技术路线如下：

图2-1 技术路线图

　　三、研究内容

　　（一）中低烈度的组合连接剪力墙结构设计和整体分析连接节点的设计

　　设计中低烈度下不同组合连接剪力墙结构，建立中低烈度下不同组合连接剪力墙结构的整体模型，对结构的刚度、变形、承载力进行分析。根据理论计算方法和初步有限元分析，拟定工字钢连接件的数量、间距和尺寸，考虑是否需要增加栓钉、分布筋是否需要加密等，以此确定组合连接的详细构造。

图3-3 剪力墙连接示意图

　　（二）中低烈度的组合连接剪力墙结构类型连接节点的拟静力试验

　　根据理论计算方法和初步有限元分析，给出结构韧性评估意见，进行比选，确定适合中低烈度地区组合连接剪力墙的结构类型。在连接节点设计的基础上，提供预埋工字钢的剪力墙构件图，由工厂预制并在实验室拼装。剪力墙连接节点固定于试验台进行拟静力试验。试验样本为9个节点试件，包括 7 个组合连接的预制剪力墙试件、1 个环筋扣合连接剪力墙试件以及 1 个现浇剪力墙试件，考察轴压比、后浇带高度、型钢尺寸、剪跨比、竖向分布钢筋锚固方式等因素对组合连接预制剪力墙抗震性能的影响，同时与环筋扣合连接剪力墙以及现浇剪力墙试件对比，得到三种剪力墙抗震性能的优劣。试验后得到了以下结论：

　　（1）轴压比和剪跨比对组合连接剪力墙的抗震性能影响明显，随着轴压比的增加、剪跨比的减小，试件承载力提高。

　　（2）后浇带高度影响试件的承载力以及竖向分布钢筋和水平分布钢筋的力学响应，后浇带高度越大，试件承载力越高，竖向分布钢筋和水平分布钢筋应变越大，对荷载的传递和截面抗剪的贡献越大。

　　（3）提高型钢截面面积可以提高墙体的承载力、延性和耗能能力。

　　（4）当后浇带高度为300mm时，竖向分布钢筋采用弯锚和直锚搭接对组合连接剪力墙的抗震性能影响不大，采用弯锚搭接连接可以提高应力传递效率。

　　（5）与现浇剪力墙和环筋扣合连接剪力墙相比，组合连接剪力墙承载力更高，延性稍差，但三者的刚度退化规律和耗能能力差异不大，组合连接剪力墙抗震性能不弱于现浇剪力墙。

　　（三）装配式组合连接混凝土剪力墙抗震试验数值模拟及破坏机理分析

　　本研究采用有限元分析软件ABAQUS对第二章试验中的7个组合连接预制剪力墙试件和1个现浇试件进行了有限元模拟，通过有限元分析结果和试验结果的对比，校核有限元分析模型，获得合理的组合连接预制剪力墙抗震性能分析的建模方法，此外，通过有限元模拟，进一步分析组合连接剪力墙的破坏机理。主要结论如下：

　　（1）采用本章的有限元建模分析方法可以有效模拟组合连接剪力墙在反复荷载作用下的混凝土开裂和压溃现象，有限元计算获得的试验参数对试件承载力的影响规律与试验结果基本一致，承载力计算结果的误差在可接受范围内，表明本文采用的有限元建模分析方法合理可靠，可用于后续的参数分析。

　　（2）型钢可以参与截面抗剪，分担截面处的部分剪力。型钢的使用提高了后浇带的刚度，使得墙体的破坏整体往上移；后浇带对上部墙体形成约束，提高了墙体的整体刚度和承载力。

　　（3）后浇带高度越大，预制墙片高度就越小，墙体等效剪跨比就越小，从而导致其承载力越高，剪切破坏更严重。

　　（三）装配式组合连接剪力墙参数分析及设计建议

　　在对型钢抗剪件连接的装配式组合连接剪力墙的建模方法进行校验后，变化有限元模型，开展模型在反复荷载作用下的滞回有限元分析，探究轴压比、混凝土强度、剪跨比、水平分布钢筋配筋率、截面含钢率、型钢位置、型钢数量对组合连接预制剪力墙抗震性能的影响。然后，采用规范中现有的剪力墙斜截面抗剪承载力计算公式和水平接缝抗剪承载力计算公式对试验和有限元分析结果进行验算，讨论公式的适用性。最后，结合试验和有限元分析结果，提出组合连接剪力墙的设计建议。得到以下结论：

　　（1）增大截面含钢率可以提高试件的刚度和承载力，但不会超过将后浇带视为完全刚性时剪力墙的刚度和承载力；型钢布置在暗柱内可以提高组合连接剪力墙的承载力和延性，型钢布置在预制墙片内的不同位置以及型钢的数量对墙体承载力影响不大，型钢沿预制墙片均匀布置时可以减小后浇带的受压损伤。

　　（2）组合连接剪力墙的斜截面抗剪承载力可以按照现浇剪力墙计算，水平接缝抗剪承载力可以采用DB11 1003-2013中的方法计算。

　　（3）可以通过对竖向分布钢筋搭接长度进行折减来考虑型钢对剪力墙抗震性能的积极贡献，折减系数不宜小于0.6。

　　（4）墙体的截面含钢率不应小于竖向分布钢筋配筋率，且当后浇带高度小于钢筋充分作用所需的搭接长度时，应适当提高截面含钢率；型钢预埋长度建议不小于200mm，且型钢预埋端应有锚固加强措施。

　　四、创新点与特色

　　采用型钢作为抗剪连接件连接上下墙体，竖向分布钢筋搭接连接，通过型钢传递部分荷载，同时提高水平接缝处的抗剪承载力，提高了上下预制墙体的整体性，避免钢筋逐根连接，灌浆质量难以检测等问题，使得施工质量更加可靠、更易检测。     

　　五、成果市场推广应用前景分析   

　　本研究研发的预制混凝土剪力墙组合连接技术可作为目前主流的灌浆套筒连接剪力墙替代技术，适用于不同抗震地区的装配式剪力墙结构预制混凝土构件的节点连接，为预制混凝土剪力墙竖向连接结构提供新选择，具有非常可观的市场需求前景。

　　六、实施成效   

　　（1）社会效益

　　本课题研究的装配式组合连接预制混凝土剪力墙结构技术有效解决了施工质量风险控制问题，连接节点的水平缝抗剪能力和抗弯能力较现在的灌浆套筒连接的预制混凝土剪力墙体系有较大提升，可以达到现浇钢筋混凝土剪力墙的抗震性能，施工速度较现在的灌浆套筒连接的预制混凝土剪力墙体系有所提升。

　　（2）经济效益

　　本结构体系具有质量风险低、施工速度快、连接成本低、抗震性能好的优势，可以有效减少索赔费用、加固改造费用，降低公司整体连接施工成本，降低项目资金成本。