0 引言

　　近年来，在国家政策的大力推动下，我国的装配式建筑正在如火如荼向前发展。在众多新建项目中，高层住宅项目占有相当大比重。由于我国大部分地区都处在地震设防区，所以装配整体式剪力墙结构体系以其良好的抗震性能在高层住宅项目中被大规模使用。一般情况下，这些高层住宅标准层的建造方式为工厂预制、现场装配，而结构底部加强部位却普遍采用现浇。底部加强部位现浇的主要原因可归结为3方面:(1)墙肢底部对整个结构在罕遇地震作用下的抗倒塌安全性起到关键作用，尤其在高烈度地区，现浇结构的抗震性能更有保证;(2)由于建筑功能的需要，结构底部或首层的平面布置往往不太规则，不适合采用预制构件;(3)底部加强部位的构件配筋较多，给预制构件的连接带来困难。鉴于以上原因，相关标准规范^[1,2,3]规定底部加强部位“应”或“宜”采用现浇，但也未禁止采用预制。

　　虽然底部加强部位现浇能解决结构抗震、平面布置和结构构造方面的问题，但在施工和结构耐久性等方面，上部预制、底部加强部位现浇的做法也存在一些问题:(1)1栋建筑采用2种施工方法，工序繁琐，不能充分发挥全装配化施工的优势;(2)预制装配部位的夹心保温外墙体系与底部现浇部位的传统外贴保温+薄抹灰体系的耐久性不等同，底部加强部位与标准层的竣工交付标准不一致;(3)外贴保温+薄抹灰体系的保温材料更易被引燃，从而引发火灾。鉴于上述问题的存在，在抗震设防要求不高、结构标准层与底部加强部位的平面布置规则的情况下，若底部加强部位采用预制方式建造，不仅可提高施工效率，而且还能增强结构耐久性等性能，不失为明智的选择。

　　JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》第3.0.3条规定:装配式结构的节点和接缝应受力明确、构造可靠，并应满足承载力、延性和耐久性等要求。装配整体式剪力墙结构中存在大量水平缝，水平缝开裂及墙体摇摆会导致结构的刚度退化、自振周期延长，进而影响结构地震作用的大小与分布。因此，剪力墙的竖向连接性能是决定结构整体性和抗震性能好坏的关键^[4]。本文首先基于剪力墙水平缝的受力特性提出装配整体式剪力墙结构竖向连接的设计原则，然后从工作机理、力学性能、生产、施工、造价几方面对13种预制剪力墙构件竖向连接技术进行剖析，并就这些技术对高层装配整体式剪力墙结构底部加强部位的适用性予以评价。

　　1 底部加强部位剪力墙构件竖向连接设计原则

　　在装配整体式剪力墙结构中，剪力墙构件的上、下端存在水平缝。在地震作用下，水平缝不仅承受垂直于接缝截面的压应力，还承受平行于接缝截面的剪应力。接缝处压应力主要由混凝土承担，剪应力则由混凝土抗剪(黏结、骨料咬合)、混凝土摩擦、钢筋或连接件销栓作用、抗剪键抗剪等来承担。

　　对底部加强部位来说，其受力特性与上述剪力墙受力特性保持一致，而重点在于底部加强部位所受水平地震剪力和弯矩明显大于上部的标准层，这就对剪力墙的竖向连接性能提出更高要求。

　　根据装配整体式剪力墙水平缝的受力特性，并兼顾生产、施工及造价方面的需求，将底部加强部位剪力墙竖向连接的设计原则归纳为7项:(1)确保结构整体性;(2)符合构件的受力模式，受力明确，并满足结构承载力要求，尤其是对水平缝处的抗剪承载力和抗弯承载力，应能满足底部加强部位的受力需求;(3)强连接弱构件原则，即连接的破坏不应先于剪力墙构件破坏，且连接的破坏形式不应为脆性破坏;(4)连接构造应满足结构耐久性要求;(5)便于工厂生产;(6)便于现场施工;(7)不使工程造价增长过多。

　　2 装配式混凝土剪力墙结构竖向连接技术

　　2.1 灌浆套筒连接

　　灌浆套筒连接是将带肋钢筋插入套筒内，然后向套筒内灌入灌浆料，待灌浆料凝结硬化后，其通过与带肋钢筋表面及套筒内壁的黏结、摩擦、咬合作用，实现钢筋连接。套筒是金属材质的圆筒，材质为球墨铸铁或优质碳素结构钢等，须符合相关标准的要求^[5]。按构造分类，套筒可分为全灌浆套筒和半灌浆套筒，半灌浆套筒和全灌浆套筒的构造示意如图1所示。通过全灌浆套筒连接的2根钢筋都是采用灌浆连接;通过半灌浆套筒实现连接的2根钢筋，一端钢筋与套筒采用灌浆连接，而另一端钢筋与套筒采用螺纹连接，若在抗震塑性铰区全部采用半灌浆套筒连接，相当于在塑性铰区全截面集中布设钢筋螺纹连接接头，这不符合JGJ 107—2016《钢筋机械连接技术规程》中关于机械连接接头面积百分率的规定。在现场安装方面，国内目前多采用“连通腔周圈密封及分仓灌浆法”或“构件底部坐浆及单套筒灌浆法”进行灌浆连接^[6]。

　　

　　图1 半灌浆套筒和全灌浆套筒构造  

　　 

　　在套筒灌浆连接接头(以下简称“接头”)性能方面，接头内部存在2个界面，界面1是钢筋带肋表面与灌浆料之间的结合面，界面2是灌浆料与套筒内壁的结合面。在拉力作用下，这两个界面可能成为破坏面，即钢筋从灌浆料中拔出，或钢筋和灌浆料一同拔出，而标志着接头性能合格的破坏形态则是钢筋在套筒外部被拉断。影响接头性能的因素主要有钢筋锚固长度、灌浆料抗压强度、灌浆料密实度和充盈度、钢筋直径、套筒内径、套筒内腔构造等。随着钢筋锚固长度的增大，接头的抗拉强度也随之增长，当带肋钢筋锚固长度达到6.5～10倍钢筋公称直径时，接头抗拉强度能得到保证^[7,8]。之所以会存在这样一个锚固长度区间，灌浆料抗压强度是主要影响因素之一，灌浆料的抗压强度越高，所需的钢筋锚固长度就越短。在其他变量保持不变时，套筒内径的减小会增强套筒对灌浆料的约束作用，从而增强其黏结强度^[9]。对于界面2，除了灌浆料强度会对界面黏结强度起到积极作用外，套筒内腔构造的作用也不可小觑。从某种意义上来说，套筒内腔构造优化比提高灌浆料强度的效果更显著，如增加套筒环肋数量和环肋凸起高度，或在套筒端部设置楔形块等手段^[10,11]。另外，套筒内灌浆料拌合物良好的密实度和充盈度是接头性能得以正常发挥的前提，从这个角度来看，灌浆料拌合物的流动度和灌浆质量对接头性能有至关重要的影响。通过对4组试验数据^{[12,13,14,15]}的统计可知，与现浇剪力墙相比，采用钢筋套筒灌浆连接的预制剪力墙的承载力相差在-6%～8%，当轴压比分别为0.2,0.4时，预制剪力墙的延性系数分别在7～8,2～3。这说明当采用竖向钢筋套筒灌浆连接时，预制剪力墙与现浇剪力墙的抗震性能相近。

　　优势:(1)接头等级为I级，连接性能可靠;(2)可用于大直径、密集钢筋的连接，适用范围广;(3)操作简便，施工效率较高，可实现对一定范围内的多根钢筋同时进行连接;(4)湿作业少，灌浆料、坐浆料凝结硬化速度快，灌浆后可在短时间内开展下一道工序。

　　存在的问题:(1)对施工工艺要求较高，操作人员需经严格培训方可上岗;(2)灌浆料的施工性能和力学性能受施工现场环境温度影响较大;(3)套筒及灌浆料的价格较高。

　　2.2 浆锚搭接连接

　　浆锚搭接连接是在预制构件下端预留孔道，构件中的预埋连接钢筋设置在孔道外侧并与孔道紧邻。当下一层构件的预留钢筋插入孔道后，向孔道内灌注高强灌浆料，灌浆料的凝结硬化使后插钢筋与构件中的预埋连接钢筋实现非接触式搭接连接。因为横向约束作用可增强钢筋的搭接强度，所以可在钢筋搭接长度范围内沿周边布置约束材料。目前，国内此类工程中用到的约束材料有箍筋或金属波纹管等。

　　2.2.1 约束钢筋浆锚搭接连接

　　在构件下端的预埋连接钢筋外布置环状约束钢筋，紧靠连接钢筋设置1个外表带有螺旋凸起的预成孔模芯，环状约束钢筋包围预埋连接钢筋和预成孔模芯。在预成孔上、下两端设置灌浆口和出浆口的成型模具，预制构件浇筑成型后抽出预成孔、灌浆口和出浆口的模具，即形成相应孔道。现场安装时，其灌浆施工流程与套筒灌浆连接的坐浆法基本相同。约束钢筋浆锚搭接连接构造示意如图2所示。

　　

　　图2 约束钢筋浆锚搭接连接构造 

　　 

　　在连接接头性能方面，拉力作用下，约束钢筋浆锚搭接连接的常见破坏形态有钢筋拉断破坏、钢筋拔出破坏和周围混凝土劈裂破坏。足够的钢筋锚固长度和有效的横向约束是保证连接性能的关键^[16]。试验研究表明^[17,18]，在螺旋箍筋约束下，当钢筋锚固长度降至0.8倍受拉钢筋锚固长度时，仍可实现钢筋拉断的破坏模式。

　　在剪力墙构件抗震性能方面，将约束钢筋浆锚搭接连接用于双排钢筋连接剪力墙构件^[19]，当轴压比为0.1～0.3时，预制剪力墙构件的承载力比现浇构件高5%～10%，延性系数在5.6～11.1。而对采用单排钢筋连接剪力墙构件，当轴压比为0.2,0.4,0.5时，其承载力和延性系数也与相应的现浇构件基本持平。

　　优势:(1)与普通的钢筋绑扎连接相比，钢筋搭接长度较短;(2)与套筒灌浆连接相似，可实现对一定范围内的多根钢筋同时进行连接，施工效率较高;(3)与套筒灌浆连接相比，成本较低。

　　存在的问题:(1)在孔道成型过程中，模芯必须在混凝土初凝前旋出，施工工艺较繁琐，生产效率相对较低;(2)灌浆料的施工性能和力学性能受施工现场环境温度影响较大;(3)不宜用于直径>20mm钢筋;(4)不适用于直接承受动力荷载的构件。

　　2.2.2 波纹管浆锚搭接连接

　　在构件下端的预埋连接钢筋外绑设1条大口径金属波纹管，金属波纹管向下延伸至构件下端面形成1个孔洞，波纹管的上端从预制构件侧壁引出，预制构件浇筑成型后，每根预埋连接钢筋旁都形成1个波纹管预留孔道。现场安装时，下层构件预留钢筋全部插入该构件对应的孔道后，从波纹管上端注入高强灌浆料，直至灌浆料充满波纹管。波纹管浆锚搭接连接构造示意如图3所示。

　　在连接接头性能方面，由于横向约束作用更具针对性，钢筋搭接长度得到进一步降低。当连接钢筋直径为10～18mm、混凝土强度等级为C30时，锚固长度的试验值能降至0.6倍受拉钢筋锚固长度^[20]。

　　

　　图3 波纹管浆锚搭接连接构造 

　　 

　　在剪力墙构件抗震性能方面，试验研究表明，单肢剪力墙预制构件和现浇构件具有几乎相同的性能，破坏形态也相近^[21,22]。而短肢剪力墙试件的破坏形态却与现浇试件明显不同^[23]，水平拼缝为薄弱部位，变形集中在墙体下部，并表现为剪切破坏。为此，若提高墙体浆锚区的闭合箍筋用量^[24]，则可有效增强该区域的抗剪性能，以达到“等同现浇”的目标。

　　优势:(1)连接性能较约束钢筋浆锚搭接连接可靠;(2)加工便捷，制作成本较低。

　　存在的问题:(1)施工中需逐孔灌浆，施工效率较低;(2)同约束钢筋浆锚搭接连接存在问题的第(2)～(4)项。

　　2.3 环筋扣合锚接连接

　　工厂生产时，在下层预制剪力墙的顶部和上层预制剪力墙的底部分别预留矩形(或U形)封闭箍筋，现场安装时让这些箍筋交错搭接，并在箍筋搭接处插入水平通长钢筋，经绑扎形成钢筋笼，最后在钢筋连接区域浇筑混凝土。该连接技术构造示意如图4所示。由于墙体底部的预留箍筋不能用于承受自重，所以现场用调节顶针顶住墙底定位槽，通过旋转调节顶针的螺杆来调节墙体标高^[25]。

　　

　　图4 环筋扣合锚接连接构造 

　　 

　　上、下封闭箍筋的搭接长度和后浇混凝土的浇筑质量对剪力墙的抗震性能影响显著。试验表明:若混凝土后浇区位于剪力墙构件底部，当上、下封闭箍筋搭接长度与墙厚比从0.75增至1.5时，剪力墙的抗震承载力增长约10%，这说明封闭箍筋搭接长度在一定范围内与墙体抗震承载力正相关^[26]。当封闭箍筋搭接长度与墙厚比为1.5时，预制构件的承载力延性、耗能、刚度退化和变形能力等均与现浇剪力墙基本一致，且后浇区水平箍筋加密剪力墙的承载力接近甚至超过现浇剪力墙^[27]。

　　优势:(1)在保证U形箍筋有足够搭接长度及后浇混凝土密实的前提下，连接性能可靠;(2)施工难度低，造价低。

　　存在的问题:(1)剪力墙构件上、下端出筋，给构件生产和运输带来不便;(2)现场施工过程中涉及大量钢筋绑扎和支模工作，且需通过二次注浆来解决后浇段混凝土不密实问题，工序繁杂;(3)对轴压比0.2以上的剪力墙抗震性能尚需进一步研究。

　　2.4 基于暗梁的螺栓连接

　　在上层墙体的底部设置暗梁，暗梁内预留竖向螺栓孔道，暗梁以上墙体预留安装孔，下层墙体预留的顶端带有螺纹的连接钢筋插入上层墙体的螺栓孔后，往螺栓孔中灌入灌浆料，使灌浆料充满墙底空腔和螺栓孔，然后紧固螺栓，最后用细石混凝土封闭安装孔，这种连接构造示意如图5所示。

　　

　　图5 基于暗梁的螺栓连接构造 

　　 

　　试验研究表明^[28]，在约束边缘构件现浇、分布筋区段采用这种连接时，预制构件的承载力和延性均优于现浇构件，这主要归因于暗梁对墙体底部的加强作用。

　　优势:(1)连接性能可靠;(2)墙体底部暗梁与两侧边缘构件组成的边框提升剪力墙构件整体性能。

　　存在的问题:墙底与楼面之间的空隙易出现灌浆不实问题。

　　2.5 WallShoe连接器

　　该连接的核心部件是一个底面开孔、正面敞开、两侧面焊有锚固钢筋的连接器^[29]。该连接器预埋在墙板底部，现场安装时，先在安装位置局部垫钢片，然后落下墙体，下层墙板的端部带螺纹预埋钢筋从连接器底板的孔洞穿入，并用螺栓紧固于连接器底板上。螺栓紧固后，利用水泥砂浆填充墙体水平缝，并封堵连接器部位的墙面孔洞，该连接器示意如图6所示。

　　优势:现场安装施工便捷，湿作业少。

　　存在的问题:(1)国外已有案例多用于低多层剪力墙，对高层剪力墙结构的适用性有待验证;(2)连接器的价格高昂。

　　2.6 基于连接钢框的螺栓连接

　　该连接是在上、下剪力墙构件的端部包裹槽形内嵌边框，该边框的两翼缘板开有若干螺栓孔，螺栓孔贯通混凝土构件。另加工卄形水平连接钢框，连接钢框的外挑水平向钢板用于支撑楼板，悬挑钢板下设腋板，两竖向钢板上开孔，孔位、孔径与槽形内嵌钢框翼缘板的螺栓孔一致。现场安装时，将水平连接钢框扣在下层剪力墙的顶部，再将上部墙体放入水平连接钢框内，保持水平连接钢框的螺栓孔位与上、下墙体内嵌边框的螺栓孔位对应，然后将高强度螺栓插入各螺栓孔，螺栓紧固后，上、下墙体连为一体。

　　

　　图6 安装结束后悬挑端反力和位移 

　　 

　　试验结果表明^[30]，采用这种连接的预制剪力墙具有良好延性，墙体内嵌钢边框与水平连接钢框的摩擦作用、高强度螺栓的销栓作用以及钢板厚度是影响连接性能的主要因素，该连接构造示意如图7所示。

　　

　　图7 基于连接钢框的螺栓连接构造 

　　 

　　优势:(1)现场安装无湿作业，现场安装效率高;(2)在保证加工精度的情况下，连接性能可靠。

　　存在的问题:(1)对构件加工精度要求高，加工误差可能使连接钢框的腹板与墙体的内嵌端板不能紧密贴合，从而易导致连接钢框的翼缘板局部屈曲;(2)未考虑墙体标高调整的情况;(3)用钢量和高强度螺栓用量大，材料成本过高;(4)用于外墙板连接时，若处理不当，钢结构部分易形成热桥。

　　2.7 钢筋机械连接

　　套筒挤压连接、锥套锁紧连接、锥螺纹套筒连接、直螺纹套筒连接都属于钢筋机械连接。实际工程中，需采用上述技术先连接竖向钢筋，再对构件连接部位浇筑混凝土，从而实现构件之间的连接。

　　2.7.1 套筒挤压连接

　　套筒挤压连接是使用专用机具对连接套筒施加挤压力，使钢套筒发生塑性变形，并与带肋钢筋表面紧密咬合，从而将2根带肋钢筋连接在一起，该连接构造示意如图8所示。

　　

　　图8 套筒挤压连接构造 

　　 

　　优势:(1)接头性能可达到机械接头的Ⅰ级;(2)无须对钢筋进行加工，对工人的技术水平要求不高;(3)套筒造价较低。

　　存在的问题:(1)套筒挤压设备即液压钳较笨重，工人现场劳动强度大;(2)墙底部操作空间狭窄，不方便液压钳使用;(3)对竖向钢筋进行逐根连接，工作效率偏低;(4)钢筋连接区域的湿作业较多。

　　2.7.2 锥套锁紧连接

　　锥套锁紧连接接头由2个锥套、1副锁片和1个保持架组成，如图9所示。锁片的内壁有齿牙、外部为圆锥面，锥套的内壁为圆锥面。连接施工时，锁片包裹住2根钢筋端部，锥套分别套在锁片两端，用液压钳将锥套向接头中间压紧，通过斜面作用使锁片径向收缩，锁片内壁的齿牙嵌入钢筋表面与钢筋咬合，从而将2根钢筋连接在一起^[31]。保持架能起到环向固定锁片的作用，方便安装并使接头构件均匀受力。锥套锁紧连接接头的钢筋直径适用范围为16～50mm，钢筋轴线允许偏差是0～50mm，该连接构造示意如图9所示。

　　

　　图9 锥套锁紧连接构造 

　　 

　　优势:(1)接头性能可达到Ⅰ级，连接性能可靠;(2)无须对钢筋进行加工，可直接在现场工位连接，且对连接钢筋对中的要求低于套筒灌浆连接;(3)可用于钢筋密集部位，钢筋连接速度较快。

　　存在的问题:(1)对于预制墙体中常用的钢筋(直径≤16mm)，连接件的造价高出套筒灌浆连接和浆锚搭接连接较多;(2)液压钳较笨重，且在钢筋轴线方向占空间较大;(3)对竖向钢筋进行逐根连接，工作效率偏低;(4)钢筋连接区域的湿作业较多。

　　2.7.3 螺纹套筒连接

　　螺纹套筒连接可分为2种，即锥螺纹套筒连接和直螺纹套筒连接。锥螺纹套筒连接是通过钢筋端头特制的锥形螺纹和套筒内壁的锥螺纹咬合形成的接头将2根钢筋连接在一起。直螺纹套筒连接是将钢筋端头镦粗后加工直螺纹或钢筋端头直接滚轧直螺纹，再通过钢筋端部的直螺纹和套筒内壁的直螺纹咬合形成的接头将2根钢筋连接在一起。锥螺纹套筒连接接头的性能可达到机械接头的Ⅱ级，直螺纹套筒连接接头的性能则可达到机械接头的Ⅰ级。

　　优势:(1)钢筋连接性能可靠;(2)对带肋钢筋、不带肋钢筋均可进行连接。

　　存在的问题:(1)对于直径≤16mm钢筋，钢筋端部的螺纹加工难度相对较大;(2)钢筋与螺纹套筒连接时，钢筋必须转动，而预制构件中的钢筋无法转动。如果采用正、反丝扣螺纹套筒，对构件加工精度和安装精度将有非常高的要求。因此，该连接技术不适用于预制剪力墙构件之间的竖向连接。

　　2.8 焊接连接

　　焊接连接是国内建筑工程中常用的钢筋连接技术之一，长期的工程实践已验证其可靠性。主要的焊接方式有电弧焊、闪光对焊、电渣压力焊等，常见的搭接焊、帮条焊都属于电弧焊。闪光对焊需将钢筋放在固定的对焊机上进行操作，而电渣压力焊的焊接设备在竖向较占空间，所以不适用于预制构件的钢筋连接。相比之下，电弧焊操作灵活、占空间小，对预制构件钢筋连接的适用性较强。JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》对剪力墙竖向连接钢筋之间的搭接焊接以及连接钢筋预焊钢板连接进行了规定，要求焊接长度应≥10倍连接钢筋直径，且焊接部位预留的键槽尺寸应满足焊接施工的空间要求。

　　优势:(1)钢筋连接可靠;(2)操作简单，工程造价低。

　　存在的问题:(1)焊接质量控制依赖现场焊接工人能力，质量不稳定;(2)需对连接钢筋进行逐根焊接，施工效率较低;(3)现场明火作业，对安全防护要求高。

　　  

　　表1 各种连接技术的技术、经济指标比较 

　　 

　　 

　　

　　3 各种连接技术对底部加强部位的适用性分析

　　表1从技术实施难度、零部件加工及现场施工难度、连接操作空间要求、成本、连接方案对构件的影响以及是否适用于底部加强部位几方面对各项连接技术进行横向比较，表中的“单个连接件成本”未考虑墙底接缝部位水泥基材料的成本和人工费。由本文分析可知，全灌浆套筒连接、半灌浆套筒连接、环筋扣合锚接连接、套筒挤压连接、锥套锁紧连接、焊接连接可用于高层装配整体式剪力墙结构底部加强部位。在这6项连接技术中:(1)半灌浆套筒一端采用螺纹连接，螺纹加工过程会对钢筋造成削弱，使螺纹连接部位可能成为薄弱部位;(2)环筋扣合锚接连接的施工工艺较复杂，存在较大量的现场支模和湿作业;(3)套筒挤压连接的液压设备较笨重，会使工人的劳动强度大幅度增加;(4)锥套锁紧连接针在小直径(D≤20mm)钢筋时的造价太高;(5)焊接易引发火灾。基于以上这些连接技术的缺点，认为全灌浆套筒连接最适合用于底部加强部位的墙体属性连接。

　　4 结语

　　本文从技术实施难度、零部件加工及现场施工难度、连接操作空间要求、成本、连接方案对构件的影响及是否适用于底部加强部位这些方面对13种剪力墙竖向连接技术进行分析和评价，认为使用全灌浆套筒连接具有连接性能可靠、易于生产、施工效率高且不大幅度增加工程造价的特点，与其他技术相比，该技术更适用于装配式剪力墙结构底部加强部位的构件竖向连接。另外，对于钢筋混凝土结构而言，保持钢筋和混凝土这2种材料的连续性，对结构的力学性能具有同等重要意义。在本文涉及的剪力墙竖向连接技术中，除了“基于连接钢框的螺栓连接”属于纯干式连接外，其余各项技术都需在连接部位注浆或后浇混凝土来保证混凝土材料连续。在施工过程中，由于材料流动性不足、封闭空间排气不畅、不具备振捣条件等问题的存在，经常会导致灌浆料或后浇混凝土不能完全充满连接区段。在此情况下，即使钢筋连接再好，构件的力学性能还是会大打折扣。同时，更严重的情况是，由于注浆施工和后浇混凝土施工均为隐蔽工程，诸如注浆或后浇混凝土不满的问题，施工验收时很难被发现，这就给工程留下安全隐患。