预制式装配式剪力墙结构抗震性能研究与展望综述

预制式装配式剪力墙结构抗震性能研究与展望综述摘要：预制装配式剪力墙结构是住宅工业化中重要的结构形式之一，符合建筑行业的发展趋势，本文从预制装配式混凝土剪力墙结构体系，混凝土剪力墙结构体系$预制装配式剪力墙结构钢筋连接方式等方面进行介绍，指出目前装配式剪力墙结构研究和应用中存在的不足，提出预制装配式混凝土剪力墙结构未来的发展方向和研究重点。关键字：装配式剪力墙结构;叠合板式剪力墙;抗震性能；引言预制装配式剪力墙结构是以预制或半预制墙板为主要构件，经现场装配、部分现浇而成的混凝土结构。预制装配式剪力墙混凝土结构具有建造质量高、生产速度快、保护环境、节约资源、有利于社会可持续发展等优点。1875年WillionHenryLascell的发明专利improvementintheconstructionofbuilding”标志着装配式结构的诞生。第二次世界大战后，大量建筑物被毁，装配式建筑由于易于标准化、模数化生产而在欧洲和日本得到快速发展。国内从苏联引进技术，建造大量装配式大板结构，但由于其在唐山大地震中表现出的较差的抗震性能及防渗性差的缺点，没能进一步推广应用。近年来，随着对绿色建筑的推广和劳动力成本的增加，预制装配式剪力墙结构得到业界的一直认可。本文在阅读大量国内外文献的基础上，介绍了预制装配式剪力墙结构的发展概况，指出了其在应用中存在的不足，提出了今后研究工作的重点和方向。1国内外预制装配式墙板结构的发展概况在国外，预制装配式剪力墙结构多用于低层、多层和高层建筑，欧洲国家(如丹麦、德国、法国、英国等)的预制装配式结构可达16～26层，而日本的装配式剪力墙结构一般在10层以内[1]，并且该结构形式在地震中表现出良好的抗震性能，例如墨西哥智利大地震和日本阪神大地震中的很多预制混凝土剪力墙结构几乎没有破坏，或者修复设备连接后可以马上恢复使用[2]。预制装配式剪力墙结构是实现住宅产业化的有效途径之一，19世纪末期，欧洲首先提出预制混凝土墙板结构，并在一些工程中得到应用，但早期预制墙板结构多用于非结构构件[3]。二战结束以后，欧洲一些国家出现住房紧张、资源紧缺、劳动力不足等问题，逐步开始推行住宅产业化改革，使得预制装配式结构的得到快速发展，到20世纪60年代，装配式结构成为某些国家的主要建筑形式。日本的装配式大板结构始于20世纪60年代，其中3～5层的中层建筑占主导地位，而在高层建筑中采用高强型钢或钢筋混凝土框架组合施工[4]。目前，美国、日本、新西兰等国均颁布相关的装配式混凝土结构技术规程。美国联邦政府和城市发展部颁布了美国工业化住宅建设和安全标准。其中发达国家的预制装配式混凝土结构在建筑中所占比重较大，瑞典新建住宅中通用构件占80%，美国约为35%，欧洲约35%～40%，日本则超过50%。在国内，预制装配式结构始于20世纪50年代，多用于工业厂房、办公楼等建筑。然而从20世纪80年代中期以后，由于预制装配结构的造型单一、防水技术落后、构件生产企业规模小等问题，该结构形式的应用逐渐减少，进入低潮阶段。进入21世纪后，装配式结构的优点重新得到重视，并且随着建筑节能减排和住宅产业化的发展及要求，预制装配式结构的研究正在逐步升温，并且在一些试点项目中得到应用。近年来，万科公司、黑龙江宇辉建设集团、中南控股集团有限公司、天津住宅集团、黑龙江建设集团等被批准为国家住宅产业化基地，建造了多栋装配式剪力墙结构试点工程。例如哈尔滨新新怡园小区4#、5#和洛克小镇14号楼，北京市丰台区万科假日风景项目D1/D8号楼，中南控股开发的四幢全预制装配式短肢剪力墙结构住宅楼，均为预制装配式剪力墙结构，如图1所示装配式剪力墙结构施工现场图1预制装配式剪力墙结构装配施工2预制装配式钢筋混凝土剪力墙结构在地震中的表现1994年6.8级北岭地震(Northridgeearth-quake)的震害调查表明:预制停车库结构表现较差，这些结构的竖向抗侧力体系承载力足够，但由于坡道的设计、墙板较大而积的开口以及停车库结构较长的跨度造成了荷载传递的复杂性，导致结构破坏很严重仁[5]。1995年日本6.9级Kobe地震和2011年9.0级Tohoku地震的震害调查表明:根据日本混凝土结构设计规范设计的预制混凝土剪力墙结构表现良好，预制构件没有出现严重损坏，只有接缝处的后浇混凝土发生了剥落比[6-7]。2010年智利8.8级地震的震害调查表明:UPPCW(unboundedposttensionedprecastconcretewall)结构以及装有耗能减震元件的预制混凝土结构在地震中表现良好，破坏较小;而其它预制混凝土结构则破坏较严重。[8]3预制装配式剪力墙结构体系介绍预制装配式剪力墙结构在发展历史上最早出现的是装配式大板结构，日本在其基础上发展了剪力墙式框架预制钢筋混凝土结构(WRAC)，:20世纪90年代美日联合开PRESSS(PrecastSeismicStructureSystems)项目提出了一种后张无粘结预应力装配式剪力墙结构，国内目前已建有预制钢筋混凝土叠合剪力墙结构$全预制装整体式剪力墙结构等体系。3.1装配式大板结构采用预制钢筋混凝土墙板和楼板拼装成的房屋结构，是一种工业化程度较高的建筑结构体系，其主要优点是可以进行商品化生产，现场施工效率高，但由于接缝处易发生应力集中而导致整体性能较平接缝和竖向接缝对结构的内力分布和刚度都有显著的影响。水平接缝对墙体的侧向刚度影响甚大，在计算中需要考虑;竖向接缝的剪切角对联肢墙内力的分布有较大影响。RayWClough等[9]也进行了装配式大板结构的振动台试验。通过国内外的研究表明，只要水平接缝的剪切滑移得到有效控制，竖向接缝拥有足够的耗能能力，装配式大板结构还是具有很好的整体性和连续性，能够满足抗震方面的要求。3.2后张无粘结预应力装配式剪力墙结构体系美日联合PRESSS项目提出了一种后张无粘结预应力装配式剪力墙结构[10]，该体系具有优越的抗震性能和良好的自恢复能力，在大震情况下结构能够产生较大的侧向位移，且残余变形较小;破坏集中在预制构件连接部位，易于震后修复。BrianJSmith等[20-21」对预制混凝土剪力墙竖向通过无粘结预应力筋连接进行了研究，设计试件中部通过预应力筋连接，边缘处布置加强钢筋。通过分析此种连接方式的受力特点，提出其计算模型，并推出计算其受力和变形的计算公式，通过试验研究其水平极限位移、耗能能力、剪切变形等指标，结果表明，该连接方式具有良好的抗震性能。BrianJSmith等Czz3sl还研究了开洞剪力墙通过此种连接方式连接的抗震性能，取得相似成果。王滋军等[11]进行了开洞叠合剪力墙与普通开洞剪力墙抗震性能的对比试验研究。研究结果表明，钢筋混凝土开洞叠合剪力墙的受力性能基本和普通钢筋混凝土开洞剪力墙相同，具有较好的抗震性能，其延性和耗能能力等均与普通开洞剪力墙相当。叠合板的剪式支架的连接能使预制部分与现浇混凝土形成整体共同工作。同时还研究了水平拼接的叠合板式剪力墙的抗震性能，研究表明，带竖向接缝的叠合剪力墙的受力过程、破坏形态与现浇剪力墙基本相同，抗震指标接近，具有较好的抗震性能，水平拼接的叠合剪力墙承载能力不低于整体叠合剪力墙[12]DavidCSalmon等[13]提出一种预制混凝土夹心板材，其两侧为预制钢筋混凝土板，通过剪式支架进行连接，两块板材之间夹有保温材料。David等对其进行了大量的试验研究，同时探讨了剪式支架的合理形式，并研究在两块预制板之间加入型钢提高其承载力的可行性。3.3全预制装配式剪力墙结构体系全预制装配式剪力墙结构体系内外墙板均为预制，楼板为叠合楼板，墙板之间通过预留金属波纹管进行注浆连接。东南大学对该体系的相关性能进行了试验研究。郭正兴[14]等对全预制装配式剪力墙结构中间层边节点的抗震性能进行了试验研究，并采用ANAYS进行数值分析，结果表明，装配式试件的承载力、延性、刚度和耗能能力与现浇试件基本接近，表现出与现浇试件相当的抗震性能。数值分析结果与试验结果能够符合。朱张峰[15]等对此结构进行了1/2缩尺单跨三层平面模型的低周反复荷载试验。观察模型的裂缝开展、破坏过程及破坏形态，通回性能、连接刚度退化、强度、延性、耗能能力等方面进行了分析对比，结果表明，5种钢筋连接方式在各个方面均能满足要求，极限位移角都大于1/1000。日本和美国对钢筋套筒灌浆连接技术进行了大量的试验研究工作，包括套筒循环张拉的疲劳试验、应力刁立变曲线、灌浆后灌浆受到扰动对连接的影响、钢筋偏位对连接的影响等试验。结果表明套筒连接是一种可靠的连接方式。姜洪斌等提出了一种新型预制混凝土插入式预留孔灌浆钢筋搭接连接，并进行了插入式预留孔灌浆钢筋锚固拉拔试验[16]和钢筋搭接试验[17]。试验以钢筋直径、混凝土强度、锚固长度、搭接长度等为影响参数，结果表明试件最终破坏形态都为外部钢筋屈服或被拉断，没有发生异常锚固破坏，基本锚固长度可为0.81La3.4叠合板式剪力墙结构体系叠合板式剪力墙是指由叠合式楼板和叠合式墙板，辅以必要的现浇混凝土剪力墙、边缘构件、梁板，共同形成的剪力墙结构。吕西林等[18]对这种叠合板式剪力墙进行了低周反复试验，研究其破坏模式、变形性能和新老混凝土粘结界面破坏发展的规律，并在试验的基础上通过ANSYS建立有限元模型，进行非线性数值仿真分析，分析比较力位移推覆曲线和试验骨架曲线等，分析结果与试验结果符合，表明叠合板式剪力墙具有良好的抗侧性能，新老混凝土协同工作性能良好。3.5其他预制装配式剪力墙结构日本在装配式大板结构的基础上发展了一种壁式框架预制钢筋混凝土结构(WRAC)，这种结构纵向由扁平壁状的柱和梁形成刚架，横向则是由连层的独立剪力墙构成。其中结构的主要承载构件(壁柱、梁、剪力墙、墙板及屋面板)的一部分或全部由钢筋混凝土预制构件组成[19]。姚谦峰等[20]提出了一种密肋壁板结构体系。通过对其在水平低周反复荷载作用下的试验研究，研究墙体的破坏形态和破坏过程，分析墙体的受力特点，探讨墙体的承载能力、延性、耗能等抗震性能，提出了墙体的恢复力模型。黄炜[21]对密肋复合墙体进行拟动力试验研究，试验结果表明，墙体中的砌块、肋格、外框能够在试验的弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段依次发挥作用，具有多道抗震防线，墙体在遭受到小震或中震后具有稳定的水平承载能力及良好的耗能性能，在遭受到大震后仍具有良好的抗倒塌能力。钱稼茹等[22-23]提出一种预制钢筋混凝土圆孔板剪力墙结构体系，并先后进行了两端设暗柱的单片、双片预制圆孔板剪力墙的拟静力试验。拟静力试验结果表明:暗柱几乎沿全高出现水平裂缝，预制墙体布满斜裂缝，试件破坏均为弯剪破坏，位移延性系数大于5，极限位移角小11于1/100，均满足抗震要求，可作为抗震房屋建筑的结构构件。朱张峰、郭正兴等[24]对2个预制装配式和1个现浇的1/2比例单跨三层平面模型进行了低周反复荷载试验。试验结果表明:与现浇模型相比，预制装配式模型具有相近的承载能力、位移延性及耗能能力，初始刚度较大，具有相当的抗震性能。N.H.Humid进行了多片预制空心板剪力墙共同作用的拟静力试验，试验模型由2片承重预制墙和4片非承重预制墙组合而成。试验表明:当层间位移为2%时，所有墙上均未出现裂纹;当层间位移为3%时，少量的非结构构件损坏;当层间位移为3.5%时，相邻剪力墙的连接处出现损伤。基于目前研究现状和现行装配式剪力墙相关规范规定，可以说剪力墙具有刚度大、承载力大、风或小震作用下变形小等优点，然而在地震作用下也吸收大量能量，发生斜向裂缝从而破坏。因此，新型减震剪力墙(见图2)采用软钢阻尼器为耗能元件，水平放置的阻尼器A可以通过层间变形耗能，竖向放置的阻尼器B将剪力墙分割成高宽比较大的墙肢，将之前的剪切变形为主改为弯曲变形为主，使剪力墙的延性及耗能性能更加良好。软钢阻尼器为椭圆环状，具有一定初始刚度，屈服后可进行耗能，通过钢筋混凝土墙内预埋钢板、后装螺栓的方法实现安装。图2新型减震剪力墙图3多片预制空心板剪力墙HamidNH等[25]进行了多片预制空心板剪力墙(图