当前国家大力推进装配式建筑发展, 装配整体式混凝土剪力墙结构得到广泛应用。对于装配整体式剪力墙结构而言, 预制构件之间的连接问题是其研究与推广应用中的关键技术问题之一, 尤其是上、下层预制剪力墙之间竖向连接的可靠性对剪力墙结构整体抗震性能至关重要。目前, 工程上常用的竖向连接方式主要有套筒灌浆连接、钢筋浆锚搭接连接等。其中, 套筒灌浆连接研究较为成熟, 是国内应用最为广泛的连接方式, 但该类连接对构件的加工安装精度要求较高, 连接性能受施工人员施工操作水平影响较大;钢筋浆锚搭接连接包括金属波纹管浆锚搭接连接和螺旋箍筋约束浆锚搭接连接2种, 现场施工工艺简单, 构件对位精度要求及成本较低, 但目前国内对钢筋浆锚搭接连接接头尚无统一的技术标准, 一定程度上限制了该类连接的推广应用。以上2种连接方式均存在现场湿作业较多、灌浆质量不便检测等问题。

基于此, 同济大学和上海城建建设实业 (集团) 有限公司合作研发了一种楼板采用叠合预应力空心楼板 (SPD楼板) 、中间墙体竖向钢筋采用螺栓连接的SPD楼板-螺栓连接装配式混凝土剪力墙体系。该体系中剪力墙竖向分布钢筋采用螺栓干式连接, 大大简化了中间墙体连接构造, 减少了现场湿作业, 连接施工简便, 质量易控, 可实现墙体快速拼装;SPD楼板具有大跨、经济、隔声性能好等优点, 可满足室内大空间需求, 实现室内空间的灵活分隔, 满足住户不同阶段的居住需要, 显著提升建筑的功能和品质。

剪力墙螺栓连接是指在上层预制墙体底部预埋钢连接器, 下层墙体顶部对应位置则伸出顶端带有螺纹的竖向连接钢筋, 墙体安装时下层连接钢筋对入上层钢连接器, 并通过螺栓紧固实现墙体连接的一种连接形式。螺栓连接为干式连接, 与其他连接方式相比, 现场湿作业少, 可通过控制螺栓拧紧力矩限定螺栓预紧力, 施工质量易保证。SPD楼板-螺栓连接装配式混凝土剪力墙 (见图1) 体系中剪力墙预制边缘构件采用双排套筒灌浆连接, 中间墙体竖向分布钢筋采用单排螺栓连接。该体系竖向螺栓连接采用了芬兰Peikko墙体连接产品Wall Shoe, 如图2所示。

SPD楼板是在SP楼板顶面铺设钢筋网片并浇筑混凝土叠合层后形成的共同受力整体。SP板则是采用美国Spancrete (SP) 集团工艺流程、专利技术和设备生产出来的一种预应力空心板 (见图3, 4) 。SP板沿板长开有通长孔洞, 可有效减小楼板自重;预应力钢绞线在板中采用先张法布设, 一次张拉可生产多块SP板构件, 构件成型后可沿板长任意进行切割;具有跨度大 (最大可达18m) 、承载力高、用钢量少、生产效率高、质量稳定等优点。

住宅建筑中剪力墙厚度通常为200mm, 目前采用的普通非预应力叠合板需搭入剪力墙的长度一般为10mm, 对剪力墙的整体性影响不大。而SP板板端无钢筋伸出, 在预制墙体上的搁置长度需达到50mm, 导致SP板-剪力墙中节点处连续混凝土厚度仅为100mm, 对剪力墙截面削弱明显, 因此需重点考虑SP板搁置对接缝受力的不利影响。同时, 边缘构件采用套筒灌浆连接、中部墙体采用螺栓连接的装配式混凝土剪力墙抗震性能研究也尚属空白。

为研究SPD楼板-螺栓连接装配式混凝土剪力墙体系的抗震性能, 同济大学开展了一批SPD楼板-螺栓连接装配式混凝土剪力墙足尺模型的低周反复荷载试验, 重点研究了在不同试验轴压比 (0.3, 0.5) 作用下竖向钢筋连接方式 (套筒灌浆连接、螺栓连接及套筒灌浆-螺栓混合连接) 对装配式混凝土剪力墙抗震性能指标的影响。试验结果表明, 装配式混凝土剪力墙试件均发生弯曲破坏, 滞回曲线形状、承载力、延性及其耗能能力均接近或略高于现浇对比构件, 预制试件具有较高的安全余量及良好的抗震性能。值得说明的是, 边缘构件竖向钢筋采用单排套筒连接、中间分布钢筋采用螺栓连接的剪力墙试件也能满足当前等同现浇的设计要求 (见图5, 6) 。

上海市佘北大型居住区39A-02A地块项目位于上海市松江区佘山镇, 南至三泾公路, 西至通波塘, 北至纬三路, 东至顾泾公路, 共分成8个地块, 建筑面积526 879m², 均采用剪力墙结构。其中, 1, 2号楼采用SPD楼板-螺栓连接装配式混凝土剪力墙体系, 均为地上11层、地下2层, 总高度为35.9m, 主要预制构件有外墙、内墙、SP楼板、楼梯、阳台及空调板等, 预制率达64.68%。预制构件拆分平面如图7所示。

SPD楼板的设计应按生产、施工和使用3个阶段分别进行验算。工程中SPD楼板最大跨度达8.1m, 板端按简支进行计算, 选取150mm厚SP板, 后浇混凝土叠合层厚取90mm, 既保证了楼板整体性受力又能方便现场管线排布, 在卫生间、厨房等区域通过控制叠合层厚度实现降板。

根据SP板生产工艺, 楼板沿进深方向按1 200mm宽进行拆分, 部分无法满足宽度要求的板块采用对称切割的SP板或桁架筋叠合楼板。另外, 楼板管线设置的洞口尽量在板端附近, 沿板孔道切割洞口不伤及预应力钢筋, 当洞口宽度较大时, 可将板切断1个肋, 但此肋宜处于板宽的中部或呈对称位置, 采用前需进行核算。

考虑到电梯间地震剪力及倾覆力矩较大, 楼梯间外墙两侧无楼板支撑, 受力不利, 楼电梯间剪力墙采用现浇混凝土。为提高建筑工业化程度, 墙肢端部的边缘构件均采用全部预制, 纵横墙交接处边缘构件采用部分后浇、部分预制。装配式剪力墙中部螺栓按抗拉承载力满足不小于被连接钢筋抗拉承载力的1.1倍原则进行设计, 螺栓间距取250~400mm, 并对称布置在墙体中。另外, 为实现外墙承重、保温、装饰一体预制, 同时避免外墙面砖脱落问题, 本工程采用装配整体式彩色混凝土剪力墙, 与采用面砖反打技术相比, 经济效益明显。

1) 边缘构件套筒灌浆连接

根据试验研究结果, 当装配式混凝土剪力墙边缘构件区域采用螺栓连接时, 墙体上部裂缝发展较少, 水平拼缝处裂缝出现较早, 宽度大, 墙体明显翘起。为限制拼缝处裂缝宽度, 本工程中装配式混凝土剪力墙边缘构件区域采用双排灌浆套筒连接。连接节点如图8所示。

2) 中部墙体螺栓连接

由于剪力墙中部墙体在SP板高度范围内现浇混凝土厚度仅为100mm (中间节点) 或150mm (边节点) , 为改善墙顶后浇混凝土约束效果, 避免该区域提前发生破坏, 在SPD楼板厚度范围内增设4根12水平补强钢筋, 如图9所示。螺栓连接中连接钢筋直径为20mm, 剪力墙安装完成后, 预留安装手孔采用细石混凝土填实。

3) SPD楼板板端节点

SP板在剪力墙非边缘构件区域搁置50mm, 而在边缘构件区域通过切槽方式不搁置在下部剪力墙上, 以保证边缘构件箍筋在包含叠合楼板范围内的剪力墙全高范围贯通, 从而提高剪力墙边缘构件的连续性, 改善剪力墙的抗震性能。SP板中部芯孔预先开槽, 现场在板拼缝及开槽芯孔内放入起拉锚作用的钢筋网并与叠合层一起浇筑混凝土, 如图10所示。该构造可增强SPD楼板的整体性, 保证SPD楼板和剪力墙的可靠连接。

4) SPD楼板板缝节点

为保证SPD楼板之间的可靠连接, 在SP板板边预先切割, 形成上部4cm、下部2cm宽的板间小接缝, 并在板缝中布置钢筋网片, 通过SP板板顶后浇90mm厚混凝土叠合层将楼板连接为整体 (见图11) 。该构造方便板缝间混凝土灌注, 保证相邻SPD楼板间能传递剪力和协调垂直变形。

SP板生产时, 预应力筋按预应力设计值进行预先张拉, 继而浇筑混凝土, 自然养护至既定强度后方可进行预应力筋放张、构件脱模、切割与吊装, 应注意, 预应力筋放张时混凝土立方体抗压强度应不低于混凝土强度设计值的75%, 并同时在两端左右对称放张, 以保证横截面预应力与变形分布均匀。

SP板可使用兜绳直接进行吊装, 板面无须另设吊钩。吊点位置一般设在距板端300~600mm处。为防止兜绳在吊装过程中向内部移动, 现场加工了配套的扁担梁, 使兜绳与板面夹角≥60°。SP板刚度较大, 在安装时无须搭设满堂支架, 仅需在板跨中位置设置1道支撑。板缝灌注前将缝中杂物清理干净, 并用清水充分湿润, 再放置板缝钢筋网片, 板缝混凝土与板面叠合层同时浇筑, 浇筑后覆盖浇水养护。

1, 2号楼装配式外墙采用彩色混凝土夹心保温墙, 其生产工艺流程为:拼装模板→放入外叶墙钢筋网片→浇筑彩色混凝土→放置保温板→插放连接件→吊入内叶墙钢筋笼→布置埋件→浇筑内叶墙混凝土→拆除模板→起吊→高压水枪冲毛→立面清洗。

装配式剪力墙现场吊装就位后先拧固螺栓, 临时固定墙体, 减少墙体斜撑数量, 再进行边缘构件区域套筒灌浆, 提高了施工效率。另外, 本工程不需要搭设外部脚手架和升降机等设施、设备, 设置了可固定于外墙构件上的外挂吊篮, 并在外墙构件深化过程中考虑了吊篮连接埋件的布置位置, 现场能够通过螺栓快速完成吊篮的安装与拆卸。

1) 研发了一种楼板采用SPD楼板、剪力墙墙体采用螺栓干式连接的SPD楼板-螺栓连接装配式混凝土剪力墙体系, 并通过对不同轴压比及连接方式下剪力墙的抗震性能试验, 证明该体系抗震性能良好, 能够满足等同于现浇的设计要求。

2) 以上海市佘北大型居住区39A-02A地块项目1, 2号楼为工程背景, 阐述了SPD楼板、装配式混凝土剪力墙的设计拆分要点, 提出了主要连接节点构造做法。

3) 介绍了SPD楼板的建造、彩色混凝土夹心保温墙生产工艺及装配式剪力墙的施工技术。实践证明, 该体系能有效减少室内剪力墙及次梁, 空间分割自由, 充分满足人们对大空间住宅的要求, 并能够提高施工效率, 节省现场支撑, 经济效益明显, 具有广阔的应用前景。