装配式建筑可较好地解决我国传统建筑建造过程中存在的环境污染大、劳动力依赖性强、工作环境差、建造效率低等问题^[1]。随着对装配式建筑深入研究和广泛应用, 国内已逐渐形成了以装配整体式混凝土结构为主流的结构体系与技术体系^[2,3,4,5], 此结构体系已广泛应用于各类高层和多层装配式建筑中。随着城镇化进程的加快, 低多层装配式结构市场需求逐渐提高, 应用前景广阔^[6]。

　　 装配整体式混凝土结构体系主要采用“等同现浇”的设计理念, 强调“整体式”连接, 所谓的“等同现浇”即通过合理的设计与构造使装配式混凝土结构性能接近甚至等同于现浇混凝土结构^[7], 但是预制混凝土结构连接缝的存在, 对结构的受力性能和变形特性产生影响^[8], 因此预制构件之间、预制构件与后浇构件的连接对结构的安全性至关重要。其主要做法是在预制构件边缘预留连接、锚固钢筋, 然后通过后浇筑混凝土与其他构件连接^[9]。连接节点的设计既要考虑生产施工的方便, 同时也要采用合适的连接技术来保证结合面有效的应力传递^[10]。研究表明, “整体式”连接能够起到有效的连接作用, 但是生产和施工难度大, 效率较低。

　　 低多层建筑结构所承受的水平荷载和竖向荷载要小于高层建筑结构, 预制构件之间的连接构造设计亦应进行必要的简化, 既可采用“整体式”做法, 也可以根据实际需求采用一些较为便捷的做法, 以降低设计难度、提高效率, 提升经济性能。

　　 基于此, 本文针对一种适用于装配式多层混凝土结构的干式连接方法进行研究。这种连接构造的主要特点为:相邻预制构件之间采用螺栓连接, 避免了预制构件边缘出筋, 运输与存储方便、施工速度快。通过对螺栓连接预制构件结合面进行直剪试验, 揭示其受力机理, 提出相关设计构造与计算公式, 为这种新型连接方法的应用提供技术支撑。

　　 设计并制作了4组共8个螺栓连接预制构件结合面的直剪试件, 每组两个试件完全相同, 试件构造如图1所示。试件由左、右两块墙板组成, 墙板预留操作手孔、螺栓孔、防水胶条键槽, 结合面光滑。拼装时, 先将螺栓由侧面插入操作手孔, 安装防水胶条, 将两块墙板就位后, 再将螺栓就位并按照《钢结构高强螺栓连接技术规程》 (JGJ 82—2011) ^[11]对高强螺栓施加预紧力, 随后使用细石混凝土或灌浆料对操作手孔进行封堵, 完成拼装, 如图1 (b) 所示。试件的设计参数见表1, 试件设计详图见图2, 3。

　　 混凝土立方体抗压强度实测平均值为59.4MPa。螺栓的屈服强度f_y与极限强度f_u的实测结果见表2。

　　 通过液压千斤顶施加单调竖向荷载;为防止试件侧倾, 在水平方向施加侧向约束, 加载装置如图4所示, 量测装置如图5所示, 图中W1, W2为位移计, C1～C4为混凝土应变片, B1～B4为螺栓应变片。

　　 图4 试验加载装置图

　　  

　　 图5 量测装置图

　

　　 试验分两阶段进行加载:第一阶段采用荷载加载控制;当试件刚度发生明显退化后, 采用位移加载控制。

　　 所有试件的试验现象相近, 以试件ZL3-2为例对试验现象进行描述。

　　 当加载至30kN时, 结合面开始出现滑移, 无其他明显现象;加载至110kN时, 加载过程中可听见轻微混凝土开裂响声, 在位于下方螺栓连接处的混凝土表面出现第1条裂缝, 裂缝水平发展;继续加载, 裂缝围绕螺栓逐渐伸展, 加载至200kN时, 裂缝发展延伸形成封闭裂缝, 裂缝环绕的混凝土有剥落趋势, 此时位移已达35mm, 改为位移加载控制;加载至50mm时, 加载过程中可听到连续的响声, 试件表面混凝土逐渐剥落, 竖向荷载由210kN下降到190kN, 随着加载位移的增大, 荷载有所回升;加载至75mm时, 试件表面混凝土大面积剥落, 加载至85mm时, 荷载无明显下降趋势, 由于滑移过大试验结束。

　　 试件典型的裂缝分布和最终破坏状态见图6, 试件表面剥落的混凝土区域以抗剪螺栓为中心;清除附着在表面的已经剥落的混凝土后, 可观测到螺栓出现明显的弯曲、拉长, 与螺栓接触位置的混凝土被压溃;同时可观测到试件内钢筋外露且发生屈曲。

　　 图6 试件破坏形态

　　 结合面荷载-位移 (F-Δ) 曲线如图7所示。由图可知, 曲线大致分为三个阶段 (以图7 (b) 中试件ZL2a-2曲线为例进行划分) :第1阶段 (OA段) , 在达到最大静摩擦力之前, 结合面相对变形几乎为0;当结合面出现相对滑移后, 由于螺栓孔直径略大于螺杆直径且孔内未灌浆, 此滑移增大而荷载几乎不变。第2阶段 (AB段) , 螺栓与混凝土发生接触, 竖向荷载小于开裂荷载时, 所有试件的F-Δ曲线近似呈现线性, 处于弹性阶段;第3阶段 (BC段) , 试件表面开始出现裂缝, 试件ZL1-1, ZL2-1, ZL2-2, ZL3-1的荷载出现下降, 其余试件的荷载随着位移的增加缓慢增大或保持不变, 随后荷载开始出现下降, 继续加载, 荷载随着位移的增加缓慢变大, 至试验结束。

　　 图7 结合面F-Δ曲线

　　 对比墙板厚度变化的试件组ZL1, ZL2, ZL3的F-Δ曲线 (图7 (a) ) 可知:三组试件第2阶段的斜率相差不大;试件组ZL1在位移为30mm时发生曲线斜率下降或荷载下降, 而试件组ZL2, ZL3荷载下降时对应的位移都在40～45mm;各试件第3阶段上升段的斜率要小于第2阶段的斜率。

　　 对比连接螺栓直径与间距变化的试件组ZL2和ZL2a的F-Δ曲线 (图7 (b) ) 可知:试件组ZL2a结合面出现滑移时的荷载以及第2阶段的斜率要大于试件组ZL2;试件组ZL2a曲线出现斜率下降或荷载下降时对应的位移要小于试件组ZL2。

　　 B1, B2应变片位于上方连接螺栓上部, 接缝两侧各50mm位置, 其应变-位移关系如图8所示。当位移小于8mm时, 螺栓应变随位移的增加而增大, 同一螺栓上相对的两个应变片表现出相反的变化趋势, 且受拉侧应变比受压侧应变略大, 表明螺杆受拉弯;此后螺栓与混凝土接触, 测点损坏;试验后观测到螺杆受弯变形明显, 推测测点处应变始终保持上述规律。

　　 图8 螺栓应变分布

　　 在竖向荷载小于螺栓预紧力提供的摩擦力时, 竖向接缝通过静摩擦力传递荷载, 此后螺栓与混凝土接触, 先后出现4个状态:1) 状态a, 发生在第2阶段, 螺杆与螺栓孔壁接触, 螺栓孔壁为螺杆提供“支点”, 试件承载力上升, 见图9 (a) ;2) 状态b, 发生在第2阶段, 加载过程中螺杆“支点”处混凝土压溃, “支点”向内扩展, 螺杆与混凝土接触面积增大, 试件承载力保持上升, 见图9 (b) ;3) 状态c, 发生在第3阶段, 加载过程中“支点”处压溃的混凝土退出工作, 螺杆与混凝土壁出现间隙, 呈现“悬臂”状态, 试件承载力出现下降, 见图9 (c) ;4) 状态d, 亦发生在第3阶段, 加载过程中, 螺杆与混凝土壁重新接触, 接触面增大, 螺栓受弯明显, 承载力出现回升, 见图9 (d) 。

　　 图9 结合面工作机制

　　 为了对承载力进行分析, 试件的屈服荷载P_y和峰值荷载P_u及其对应的屈服位移Δ_y和峰值位移Δ_u见表3。对于试件的Δ_y和P_y取值, 根据FEMA 274^[12]的建议, 取峰值荷载P_u的85%为P_y, 在荷载-位移 (F-Δ) 曲线上连接原点与0.6P_y点, 并延伸至P=P_y的水平线, 二者交点对应的位移为Δ_y。为了了解试件中单个螺栓的力学性能, 对单个螺栓的承载力P₀和初始刚度K₀进行分析比较。

　　 从表3可以看出:1) 试件组ZL1的屈服荷载和峰值荷载要小于试件组ZL2和ZL3, 这是因为随着荷载的增加试件表面混凝土发生剥落, 截面损失大, 螺栓底部混凝土面积减小, 试件组ZL2和ZL3的试件表面混凝土剥落后的截面面积依然大于螺栓底部混凝土受压区面积, 而对于试件组ZL1, 混凝土剥落后的截面面积减小, 压溃严重, 螺栓弯曲段较大, 致使曲线出现下降段时的屈服荷载和峰值荷载要小于其余两组试件。试件组ZL2a的屈服荷载和峰值荷载要大于试件组ZL2, 表明增大螺栓的直径可以提高试件的承载力。2) 对比分析单个螺栓的抗剪承载力和初始刚度可以发现, 螺栓直径越大, 其所能提供的承载力和刚度就越大。在实际工程中进行设计时可以根据单个螺栓所能提供的承载力和刚度选择合适型号的螺栓以及螺栓间距。3) 试件发生屈服之后, 还能维持较大变形, 表明试件具有良好延性。

　　 结合面受剪承载力主要包括界面混凝土粘结力、剪切摩擦作用、连接件销栓抗剪作用以及剪力键作用^[13]。本试验中试件结合面光滑, 界面粘结力以及剪力键作用较小, 忽略不计, 因此在计算试件直剪承载力时只计入摩擦力和连接件的销栓抗剪力两部分。

　　 《装配式混凝土结构技术规程》 (JGJ 1—2014) ^[14]给出了混凝土受剪结合面承载力的计算方法, 考虑了混凝土的直接抗剪作用、剪力键作用和连接件的销栓作用, 并未考虑连接件变形产生的剪切摩擦作用。本研究采用规程^[14]中叠合梁端竖向接缝结合面受剪承载力计算公式的形式, 经过修正得到式 (1) 作为试件的结合面受剪承载力V的计算公式。计算承载力V与试验测得的峰值承载力P_u对比结果见表3。

　　 $V=1.65A{}_{\text{s}\text{d}}\sqrt{f{}_{\text{c}\text{k}}f{}_{\text{y}\text{k}}}+\mu A{}_{\text{s}\text{d}}f{}_{\text{y}\text{k}}(1)$

　　 式中:A_sd为垂直穿过结合面所有螺栓的截面面积;f_ck为混凝土强度标准值;f_yk为螺栓受拉强度标准值;μ为结合面摩擦系数, 由各试件开始滑移时的承载力与螺杆预紧力比值的平均值得出, μ取0.11。

　　 由表3可以看出, 除个别试件之外, 试验承载力要小于式 (1) 计算的承载力, V/P_u的值大部分在0.7～0.9, 具有一定的安全度, 可以作为静力工况下螺栓连接预制构件结合面抗剪承载力的计算公式。

　　 在地震作用工况下, 采用以上公式计算时, 建议忽略摩擦力的作用。

　　 本文通过试验研究, 给出了螺栓连接预制构件结合面的破坏过程和破坏形态, 分析了承载力和刚度的影响因素, 揭示了螺栓连接预制构件结合面的受力机理, 提出了承载力计算公式, 可以用于设计和分析, 也为深入研究提供基础。具体结论如下:

　　 (1) 螺栓连接预制构件结合面直剪破坏模式基本相同, 与螺杆接触处混凝土出现局压破坏, 随着荷载的增大, 试件表面混凝土剥落, 螺杆受拉剪产生弯曲变形。

　　 (2) 结合面初始刚度较小, 使用不同直径的螺栓对试件的初始刚度有影响, 进行设计时可根据结合面刚度要求选择合适螺栓直径和间距。

　　 (3) 墙板厚度较小时结合面抗剪承载力会受到一定影响, 当墙板超过一定厚度时, 墙板的厚度对承载力的影响较小, 垂直穿过结合面所有螺栓的截面面积越大, 结合面抗剪承载力越大。在进行预制剪力墙竖向结合面设计时, 建议根据墙板的厚度和承载力的要求选择合适的螺栓。

　　 (4) 本文给出的螺栓连接预制构件结合面抗剪承载力的计算公式准确度较高, 可供设计参考。