装配整体式剪力墙结构具有现浇剪力墙结构抗侧刚度大、结构效率高的优点, 同时通过“构件工厂化预制, 现场装配化施工”, 融合了预制混凝土的优势, 是我国特有的、适合我国现阶段发展需求的装配式居住类建筑结构形式^[1]。上下层预制剪力墙竖向钢筋的连接是保证预制剪力墙竖向连续性的关键, 直接影响结构的抗侧性能。同时, 钢筋连接是装配式结构增量成本的重要组成部分^[2]。预制墙竖向钢筋接头的成本、施工可操作性受预制墙竖向钢筋配筋构造影响较大。考虑到目前对预制墙边缘构件配筋构造研究较少, 我国规范^[3,4]建议预制墙边缘构件竖向钢筋、箍筋配筋构造均参考现浇剪力墙设计, 同时要求边缘构件竖向钢筋应逐根连接。现浇剪力墙中竖向钢筋连接多采用绑扎搭接或螺纹套筒机械连接, 钢筋连接较为容易且成本较低, 故现浇墙边缘构件竖向钢筋一般数量较多且直径较小。装配式结构中钢筋接头成本明显高于现浇结构接头成本, 甚至高于连接钢筋的材料成本。预制墙边缘构件参考现浇墙配筋时, 一方面导致接头数量较多, 连接成本高, 对预制构件加工、安装精度要求高;另一方面以常用的灌浆套筒为例, 小直径钢筋套筒内径、锚固长度绝对值均低于大直径灌浆套筒, 对接头灌浆施工质量要求更高。仅通过等同现浇的配筋构造以期达到“等同现浇”的抗震性能目标, 在一定程度上影响了设计人员对“等同现浇”内涵的理解及装配式剪力墙结构的推广。本文提出一种新型预制墙边缘构件竖向钢筋配筋及连接构造 (已申请发明专利) , 通过对比该新型构造与目前工程中常用预制墙配筋构造的受力性能和经济指标, 验证新型构造的可行性, 并提出新型构造的设计建议。

　　 我国规范^[3,4]要求装配整体式剪力墙结构中预制墙边缘构件竖向钢筋应逐根连接。以构造边缘构件为例, 按现浇剪力墙构造要求配筋时, 400mm长的边缘构件范围内至少有6根竖向钢筋需要连接, 导致钢筋接头密集, 对预制墙加工、安装精度要求较高, 钢筋连接成本较高。为简化预制墙竖向钢筋连接, 国内学者对预制墙边缘构件竖向钢筋的连接构造开展了试验研究。文献[5,6,7,8]采用单排附加连接钢筋与边缘构件竖向钢筋间接搭接连接, 上下层单排附加连接钢筋采用套筒灌浆、螺旋箍筋约束浆锚或金属波纹管约束浆锚连接 (图1, 简称单排连接) , 拟静力试验结果表明, 边缘构件竖向钢筋单排连接预制墙的承载力、变形能力与边缘构件竖向钢筋逐根连接预制墙无明显差别。文献[9]对钢筋套筒挤压连接预制墙开展了拟静力试验研究, 边缘构件最外侧竖向钢筋采用直径较大的钢筋, 内侧竖向钢筋采用直径较小的钢筋 (图2) , 结果表明, 采用图2所示边缘构件的预制墙的正截面受压承载力可根据现浇墙计算方法计算, 预制墙的变形能力满足《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) (简称混规) 、《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) 要求。

　　 剪力墙边缘构件主要有两个结构功能, 一是通过集中布置于边缘构件的竖向钢筋提供抗弯能力, 二是通过边缘构件内的箍筋约束混凝土改善墙肢的变形能力。现浇剪力墙边缘构件竖向钢筋均匀布置在边缘构件区域, 竖向钢筋、箍筋组合配置能够保证边缘构件实现上述两个结构功能。基于不同功能钢筋分离配置的思想, 本文提出一种新型预制墙边缘构件竖向钢筋配筋及连接构造, 即图3中E3边缘构件构造, 边缘构件最外侧配置2根主要受力竖向钢筋, 保证墙肢的抗弯能力;内侧配置构造钢筋, 设置构造钢筋后, 边缘构件箍筋及拉筋布置与现浇墙边缘构件保持一致, 保证边缘构件核心区混凝土的受压性能;构造钢筋与附加连接钢筋 (二者总面积相等) 间接搭接, 上下层外侧受力竖向钢筋、附加连接钢筋采用钢筋接头连接。图3中E1边缘构件构造为我国规范^[3,4]建议做法, 即上下层边缘构件竖向钢筋逐根连接。多层装配式剪力墙结构中为简化钢筋连接, 减少接头数量, 发展了图3中E2边缘构件构造, 即6根边缘构件竖向钢筋与2根单排附加连接钢筋间接搭接, 上下层仅附加连接钢筋采用钢筋接头连接。需要注意的是, 图3所示边缘构件构造仅适用于构造边缘构件或长度不大于400mm的约束边缘构件, 对于长度大于400mm的约束边缘构件, 可根据具体配筋情况进行调整。对于一字形墙肢, 采用E1, E2, E3边缘构件构造时, 单个边缘构件所需钢筋接头数量分别为6, 2, 3个。

　　 剪力墙竖向分布钢筋直径小且数量多, 全部连接会导致施工繁琐且成本较高, 因此规范^[3,4]建议预制墙竖向分布钢筋可采用梅花形连接或单排附加钢筋连接 (图4) , 并给出了相应的构造要求。文献[10,11]通过试验证明预制墙竖向分布钢筋采用单排附加钢筋连接是可行的。图4中W1构造即为墙厚为200mm时规范^[3,4]的最低构造要求, 连接钢筋的间距为300mm;W2构造与规范^[3,4]建议的单排附加钢筋连接略有不同, 采用附加连接钢筋与竖向分布钢筋 (二者总面积相等) 间接搭接, 单排附加连接钢筋的间距为400mm, 略大于规范^[3,4]建议值300mm。

　　 为对比采用不同边缘构件竖向钢筋、竖向分布钢筋配筋及连接构造墙肢受力性能的差异, 设计了多个现浇墙、预制墙算例, 变化参数为墙肢截面高度h_w、边缘构件竖向钢筋, h_w分别取为1 000, 1 600, 2 400, 3 200, 4 000mm, 现浇墙边缘构件竖向钢筋分别取为。h_w=2 400 mm、现浇墙边缘构件竖向钢筋为 (表1配筋Ⅱ) 时, 不同构造墙肢的几何尺寸及构造如图5所示, 其他截面高度墙肢构造与之类似。预制墙边缘构件竖向连接钢筋与现浇墙边缘构件竖向钢筋的替代原则见表1。

　　 剪力墙主要承受墙肢平面内的荷载, 通过墙肢平面内正截面承载力N_u-M_u (轴力-弯矩) 相关曲线对比图5所示的5种构造墙肢的平面内受力性能。h_w=1 000, 2 400或4 000mm墙肢的平面内N_u-M_u相关曲线见图6, 图中设计值、实际值分别指根据材料强度设计值和实际值计算得到的正截面承载力。计算时C30混凝土轴心抗压强度设计值、实际值分别取为14.3, 21.9MPa, HRB400钢筋屈服强度设计值、实际值分别取为360, 400MPa。由图6可以看出, h_w=1 000mm时, E3+W2构造预制墙在大小偏压界限破坏点附近的承载力略大于其他构造墙肢, 其余情况下5种构造墙肢的平面内N_u-M_u相关曲线基本一致;h_w=1 000～4 000mm时, 边缘构件各配筋情况下, E3+W1, E3+W2构造预制墙根据材料强度设计值或实际值计算得到的承载力均不低于对应现浇墙的97%。

　　 图6 不同构造墙肢平面内正截面承载力N_u-M_u相关曲线

　　 图7给出了不同构造墙肢的平面内截面弯矩-曲率曲线, 计算时材料强度均取实际值, 边缘构件箍筋为8@150, 边缘构件核心区混凝土采用钱稼茹等^[12]提出的箍筋约束混凝土本构关系。限于篇幅, 图7中仅给出h_w=1 600mm和3 200mm墙肢 (边缘构件配筋采用配筋Ⅲ、设计轴压比n_d=0.3) 的计算结果。可以看出, 不同构造墙肢的平面内截面弯矩-曲率曲线基本一致, 说明不同构造墙肢的截面曲率延性无明显差异。

　　 图7 不同构造墙肢平面内截面弯矩-曲率曲线

　　 不同构造墙肢平面内N_u-M_u相关曲线、截面弯矩-曲率曲线计算结果均证明本文提出的预制墙边缘构件构造E3及表1建议的竖向连接钢筋替代原则较为合理, 可用于预制剪力墙边缘构件的配筋及连接设计。

　　 剪力墙结构中存在较多的带翼缘墙肢, 采用图8算例分析不同构造带翼缘预制墙平面内受力性能的差异, 截面几何尺寸、配筋信息及预制边缘构件替代方案如图8所示。图8中5种构造带翼缘墙肢的N_u-M_u相关曲线基本接近, 说明本文提出的预制墙边缘构件构造E3同样适用于带翼墙边缘构件。

　　 图8 带翼缘墙肢平面内正截面承载力N_u-M_u相关曲线

　　 考虑到墙肢的稳定性, 我国规范^[3]建议对于无翼墙或翼墙间距较大的墙肢, 竖向分布钢筋不宜采用单排附加钢筋连接。h_w=1 600mm和4 000mm时, 不同构造一字形墙肢 (边缘构件配筋采用配筋Ⅱ) 的平面外N_u-M_u相关曲线如图9所示。可以看出, E1+W1, E3+W1, E3+W2和E2+W2构造预制墙的平面外受力性能依次下降;竖向分布钢筋采用梅花形连接的墙肢平面外受力性能优于采用单排附加钢筋连接的墙肢;边缘构件采用E3构造的墙肢的平面外受力性能优于边缘构件采用E2构造的墙肢。

　　 增量成本是制约装配式结构推广应用的一个重要因素, 在保证预制墙受力性能的基础上, 分析图5所示不同构造墙肢的成本差异。预制墙竖向钢筋的配筋及连接构造主要影响竖向钢筋的材料及连接成本, 因此仅考虑各构造墙肢竖向钢筋及钢筋接头的成本。钢筋接头采用目前装配式剪力墙结构中常用的半灌浆或全灌浆套筒。综合考虑市场上主要品牌灌浆套筒的价格, 成本分析中采用的各个规格套筒的成本列于表2, 表中成本已包含了灌浆料成本。钢筋材料成本统一取为4 500元/t (人民币, 余同) , 取剪力墙结构层高为2.8 m, 钢筋间接搭接时搭接长度l_d (图1) 取为1.2l_aE (l_aE为搭接钢筋中较大直径钢筋对应的混规受拉钢筋抗震锚固长度建议值) 。对于预制边缘构件E2构造中的钢筋, l_d大于1/2层高, 认为单排附加连接钢筋上下贯通, 相当于取l_d为1/2层高。

　　 采用不同构造的单个边缘构件 (图3) 的竖向钢筋及接头成本对比如图10所示。可以看出, 边缘构件竖向钢筋不同配筋情况下, 本文提出的E3边缘构件竖向钢筋用量与现浇边缘构件CIS及E1边缘构件接近, E2边缘构件 (单排附加钢筋连接) 的竖向钢筋用量明显增加, 约为E1边缘构件的1.84～2.05倍;E2, E3边缘构件的接头成本均低于E1边缘构件;由于接头数量由6个减少至3个, 单个E3边缘构件的总成本 (即竖向钢筋与接头成本之和) 降低至E1边缘构件的85%～94%;尽管E2边缘构件的接头数量较少, 但其连接钢筋直径较大且搭接长度较长, 单个E2边缘构件的总成本约为E1边缘构件的1.09～1.54倍, 且增量成本随边缘构件竖向钢筋配筋量的增加而增大;全灌浆套筒接头成本较高, 不同配筋情况下, 采用全灌浆套筒接头的E1, E2和E3边缘构件的总成本分别约为采用半灌浆套筒接头时的1.34, 1.18和1.27倍;采用半灌浆套筒接头时, 不同配筋情况下, E1, E2和E3边缘构件接头成本分别约占总成本的48%, 28%和38%。

　　 竖向分布钢筋采用W2构造 (单排附加钢筋连接) 时, 每延米墙身竖向分布钢筋用量较采用W1构造 (梅花形连接) 时增加30%。采用半灌浆或全灌浆套筒连接时, W2构造每延米总成本分别较W1构造高8.6%, 1.9%, 两种构造的总成本差别不大, 分别约为现浇墙的2.31和2.98倍。W2构造需采取专门措施固定单排附加连接钢筋, 其钢筋绑扎较W1构造略为复杂, 且平面外受力性能略差, 综合考虑受力性能、成本及施工可操作性, 建议稳定性要求较高的墙肢的竖向分布钢筋宜采用W1构造。

　　 采用半灌浆或全灌浆套筒连接时, 不同构造墙肢的总成本如图11所示。可以看出, 在平面内受力性能无明显差别的基础上, 不同截面高度的E1+W1, E3+W1和E3+W2构造预制墙相较现浇墙的增量成本差别较小;E2+W2构造预制墙的总成本明显高于其他构造预制墙, 且随边缘构件配筋量的增加, 差异越为明显, 采用半灌浆或全灌浆套筒连接时其总成本较E1+W1构造预制墙增加分别高达57%, 38%。

　　 图11 不同构造墙肢总成本对比

　　 需要注意的是, 以上成本分析基于部分品牌灌浆套筒及钢筋的当前市场价格, 套筒及钢筋价格的变化可能会引起各构造预制墙成本差异的变化。

　　 本文提出了一种新型预制墙边缘构件竖向钢筋配筋及连接构造, 即在边缘构件最外侧配置主要受力竖向钢筋, 内侧配置构造钢筋并与附加连接钢筋间接搭接, 设置构造钢筋后边缘构件箍筋及拉筋布置与现浇墙保持一致, 以保证边缘构件混凝土的受压性能。通过算例对比了新型构造预制墙与其他构造预制墙在平面内受力性能、平面外受力性能及成本等方面的差异, 得出如下结论:

　　 (1) 本文提出的预制墙边缘构件竖向连接钢筋与现浇墙边缘构件竖向钢筋替代原则可保证预制墙的平面内N_u-M_u相关曲线、截面曲率延性与现浇墙基本接近, 可用于预制墙边缘构件的配筋及连接设计。

　　 (2) 在保证平面内受力性能基本接近的基础上, 采用本文提出的边缘构件构造的预制墙的平面外受力性能介于边缘构件竖向钢筋逐根连接及单排附加钢筋连接的预制墙之间。

　　 (3) 采用新型构造的单个边缘构件的竖向钢筋及接头成本约为竖向钢筋逐根连接边缘构件的85%～94%。墙肢截面高度为1 000～4 000 mm、不同边缘构件配筋下, 采用新型边缘构件构造、竖向分布钢筋梅花形连接的预制墙的总成本低于边缘构件竖向钢筋逐根连接的预制墙, 且前者钢筋接头数量明显低于后者, 可降低对预制墙加工、安装精度的要求, 提出的新型边缘构件构造具有可行性。

　　 (4) 边缘构件竖向钢筋采用单排附加钢筋连接虽可明显减少接头数量, 但其连接钢筋直径较大, 接头及连接钢筋增量成本较高, 导致边缘构件竖向钢筋单排附加钢筋连接的预制墙的总成本明显高于边缘构件竖向钢筋逐根连接及采用新型构造连接的预制墙, 且前者平面外受力性能较差, 竖向钢筋接头数量较新型构造减少不明显。

　　 (5) 本文分析未考虑水平接缝及钢筋连接对墙体受力性能的影响, 具有一定的局限性, 后续可通过精细有限元分析或试验研究进一步探讨采用本文提出的新型构造的预制墙的抗震性能。