同濟(jì)大學(xué)建筑工程系 上海 200092

0 引言

預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、施工工期短、現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)強(qiáng)度低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)與民用建筑中具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)中，接縫是影響結(jié)構(gòu)整體性和抗震性能的關(guān)鍵部位。合理的構(gòu)造措施和科學(xué)的施工方法是保證預(yù)制柱接縫受力性能和結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)。而在預(yù)制柱接縫的受力性能中，受剪性能是其中最值得關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容[2]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)預(yù)制混凝土柱接縫的受剪性能已開(kāi)展了較多的試驗(yàn)與理論研究，并提出了不同受剪機(jī)理及其計(jì)算方法，國(guó)內(nèi)外規(guī)范也給出了具體的設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)定。

1 預(yù)制混凝土柱接縫構(gòu)造要求

1.1 結(jié)合面的粗糙處理

預(yù)制柱接縫處的受剪承載力隨著結(jié)合面粗糙程度的提高而增大。因此需要對(duì)預(yù)制柱底面和頂面設(shè)置粗糙面。宜采用拉毛或鑿毛處理，大面積的混凝土表面可涂刷緩凝劑，以延緩混凝土表面凝結(jié)，使石子外露。我國(guó)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 1—2014）中規(guī)定：粗糙面的面積不宜小于結(jié)合面的80%，預(yù)制柱端的粗糙面凹凸深度不應(yīng)小于6 mm。

1.2 剪力鍵的構(gòu)造

剪力鍵可顯著提高接縫的受剪承載力，預(yù)制柱底應(yīng)設(shè)置剪力鍵。為提高抗剪性能，剪力鍵需要有良好的幾何形狀。當(dāng)剪力鍵過(guò)低時(shí)，其破壞形態(tài)就會(huì)由斜向剪切破壞轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度較低的角部局壓破壞。同時(shí)，剪力鍵的抗剪性能也隨著其端部?jī)A角的減小而增大，但傾角過(guò)小不易于施工。我國(guó)JGJ 1—2014中規(guī)定：剪力鍵高度不宜小于30 mm，端部斜面傾角不宜大于30°。

1.3 縱筋的連接構(gòu)造

連接縱筋的構(gòu)造要求主要有以下3點(diǎn)：

1）穿過(guò)接縫的柱縱筋直徑不宜小于20 mm。選用較大直徑的鋼筋可減少鋼筋根數(shù)，增大間距，便于柱鋼筋連接及節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋布置；

2）縱筋采用套筒灌漿連接時(shí)，預(yù)制柱中鋼筋接頭處套筒外側(cè)箍筋的混凝土保護(hù)層厚度不應(yīng)小于20 mm；套筒之間的凈距不應(yīng)小于套筒外徑；

3）縱筋采用漿錨搭接連接時(shí)，預(yù)留漿錨管的長(zhǎng)度應(yīng)比縱筋搭接長(zhǎng)度大30 mm；漿錨管內(nèi)徑應(yīng)比縱筋直徑大15 mm。

2 預(yù)制混凝土柱接縫施工要點(diǎn)

2.1 縱筋連接的施工要點(diǎn)

1）縱筋采用套筒灌漿或漿錨搭接連接時(shí)，應(yīng)檢查套筒、預(yù)留孔的規(guī)格、位置、數(shù)量和深度以及被連接鋼筋的規(guī)格、數(shù)量、位置和長(zhǎng)度；應(yīng)及時(shí)清理套筒、預(yù)留孔內(nèi)的雜物；當(dāng)連接鋼筋傾斜時(shí)，應(yīng)進(jìn)行校直。連接鋼筋偏離套筒或孔洞中心線不宜超過(guò)5 cm；

2）縱筋采用焊接連接時(shí)，應(yīng)采取措施防止因連續(xù)施焊引起的連接部位混凝土開(kāi)裂。

2.2 灌漿的施工要點(diǎn)

當(dāng)縱筋采用套筒灌漿或漿錨搭接連接時(shí)，柱底接縫厚度宜為20 mm，并采用灌漿料填實(shí)。灌漿施工過(guò)程中應(yīng)符合以下規(guī)定：

1）灌漿施工時(shí)，環(huán)境溫度不應(yīng)低于5 ℃；當(dāng)連接部位養(yǎng)護(hù)溫度低于10 ℃時(shí)，應(yīng)采取加熱保溫措施；

2）豎向構(gòu)件與樓面連接處的水平縫應(yīng)清理干凈，灌漿前24 h 結(jié)合面應(yīng)充分澆水濕潤(rùn)，灌漿前1 h應(yīng)吸干積水；

3）灌漿前，應(yīng)對(duì)接縫周?chē)M(jìn)行封堵，封堵措施應(yīng)符合結(jié)合面承載力設(shè)計(jì)要求；

4）灌漿操作全過(guò)程應(yīng)有專職檢驗(yàn)人員負(fù)責(zé)旁站監(jiān)督并及時(shí)形成施工質(zhì)量檢查記錄；

5）應(yīng)按產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)的要求計(jì)算灌漿料和水的用量，并攪拌均勻；每次拌制的灌漿拌和物應(yīng)進(jìn)行流動(dòng)度的檢測(cè)，且其流動(dòng)度應(yīng)滿足本規(guī)程的規(guī)定；

6）灌漿施工應(yīng)采用壓漿法從下口灌注，當(dāng)漿料從上口流出后應(yīng)及時(shí)封堵，必要時(shí)可設(shè)分倉(cāng)進(jìn)行灌漿；

7）灌漿料拌和物應(yīng)在制備后30 min內(nèi)用完；

8）灌漿結(jié)束后應(yīng)及時(shí)將灌漿口及構(gòu)件表面的漿液清理干凈，并將灌漿口表面抹壓平整。

2.3 后澆混凝土的施工要點(diǎn)

當(dāng)預(yù)制柱接縫為新舊混凝土接縫時(shí)，后澆混凝土的施工應(yīng)符合以下規(guī)定：

1）結(jié)合面疏松部分的混凝土應(yīng)剔除并清理干凈；

2）模板應(yīng)保證后澆混凝土部分形狀、尺寸和位置準(zhǔn)確，并應(yīng)防止漏漿；

3）澆筑混凝土前應(yīng)灑水潤(rùn)濕結(jié)合面，混凝土應(yīng)振搗密實(shí)。

3 預(yù)制混凝土柱受剪承載力計(jì)算

3.1 接縫受剪機(jī)理

預(yù)制混凝土柱接縫的受剪機(jī)理主要包括界面摩擦機(jī)理、剪切摩擦機(jī)理、鋼筋銷栓抗剪機(jī)理和剪力鍵機(jī)理等。

3.1.1 界面摩擦機(jī)理

柱的軸壓力能夠提高接縫的受剪承載力，而軸拉力會(huì)降低接縫的受剪承載力[3]。當(dāng)預(yù)制柱受壓時(shí)，接縫可通過(guò)界面摩擦力抗剪。界面摩擦力的大小與軸壓力N成線性關(guān)系，可近似由接縫所受壓力N與界面摩擦因數(shù)μ相乘得到，其中μ隨接縫的材料性質(zhì)及表面粗糙度而異。

3.1.2 剪切摩擦機(jī)理

剪切摩擦機(jī)理最早由國(guó)外學(xué)者M(jìn)ast[4]提出。在剪力作用下，接縫發(fā)生滑移的同時(shí)也產(chǎn)生縱向分離，穿過(guò)接縫的鋼筋拉伸變形，對(duì)混凝土產(chǎn)生壓力，從而產(chǎn)生垂直于壓力方向的摩擦力。影響剪切摩擦受剪承載力的主要因素有界面類型、受力方式、抗剪鋼筋特性、混凝土種類與強(qiáng)度等[5]。Shaikh[6]、萬(wàn)墨林[7]等通過(guò)試驗(yàn)研究各自提出了剪切摩擦受剪的計(jì)算方法。

3.1.3 鋼筋銷栓抗剪機(jī)理

接縫受剪過(guò)程中，在裂縫面發(fā)生滑移和分離時(shí)，垂直穿過(guò)接縫的鋼筋中產(chǎn)生的拉力的水平分量可直接抵抗剪力，即為鋼筋的銷栓作用。鋼筋銷栓力隨著鋼筋直徑的增大而增大，拉力作用下，鋼筋的銷栓力有所折減并隨拉力的增大而減小[8]。Millard[8]、劉偉慶[9]通過(guò)試驗(yàn)研究各自提出了鋼筋銷栓力的計(jì)算方法。

3.1.4 剪力鍵機(jī)理

剪力鍵是在相互嵌合的凹凸形狀的混凝土上傳遞剪切作用力的構(gòu)造（圖1）。在達(dá)到剪切強(qiáng)度前，在界面上幾乎不產(chǎn)生錯(cuò)位變形。剪力鍵的受剪承載力是由剪力鍵凸出部位的承壓強(qiáng)度和剪力鍵剪切強(qiáng)度的較小者決定。我國(guó)學(xué)者柳炳康等[10]通過(guò)試驗(yàn)研究，分析了剪力鍵接縫的抗剪機(jī)理。研究表明為提高剪力鍵的抗剪性能，抑制剪力鍵的變形，需要具有良好的剪力鍵形狀，槽深不宜小于2 cm[11]。

圖1 剪力鍵機(jī)理

3.2 國(guó)內(nèi)外規(guī)范計(jì)算方法介紹

目前，美國(guó)、歐洲、新西蘭、新加坡、中國(guó)等國(guó)的規(guī)范都給出了接縫受剪承載力計(jì)算方法，但各規(guī)范中的計(jì)算方法差異較大，下面具體介紹這6部規(guī)范中的計(jì)算方法。

3.2.1 ACI 318—2011的計(jì)算方法

美國(guó)ACI 318—2011所提出的計(jì)算方法是將結(jié)構(gòu)構(gòu)件按預(yù)裂構(gòu)件考慮的。該規(guī)范認(rèn)為混凝土構(gòu)件在制作安裝和長(zhǎng)期使用過(guò)程中，會(huì)因各種原因而產(chǎn)生裂縫，混凝土本身強(qiáng)度不予利用，故無(wú)法考慮混凝土強(qiáng)度變化對(duì)接縫受剪承載力的影響。該計(jì)算方法下接縫剪力主要通過(guò)橫向鋼筋的剪切摩擦作用來(lái)承擔(dān)，未考慮軸向力對(duì)接縫抗剪的影響，在接縫處存在壓力的情況下偏于保守。受剪承載力按公式（1）計(jì)算。

式中：Vu——受剪承載力；

φ——抗剪能力折減系數(shù)，取0.75；

Vn——名義抗剪強(qiáng)度，不超過(guò)0.2f'cAc，且不超過(guò)5.5Ac；

Ac——剪切平面面積；

— —混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

As——抗剪鋼筋面積；

fy——抗剪鋼筋屈服強(qiáng)度，不超過(guò)414 MPa；

μ——界面摩擦因數(shù)，取值參考表1；

α——抗剪鋼筋與剪切平面的夾角（取銳角）。

表1 ACI 318—2011界面摩擦因數(shù)取值

3.2.2 PCI設(shè)計(jì)手冊(cè)（第七版）的計(jì)算方法

美國(guó)PCI設(shè)計(jì)手冊(cè)（第七版）中的計(jì)算方法與ACI 318—2011相同，都基于剪切摩擦機(jī)理。在ACI 318—2011的基礎(chǔ)上引入了有效摩擦抗剪系數(shù)并提高了受剪承載力的上限值，接縫受剪承載力按公式（2）計(jì)算。

式中：fy——抗剪鋼筋屈服強(qiáng)度，不超過(guò)414 MPa；

μe——有效摩擦抗剪系數(shù)。

μ的取值和μe、Vu的限值如表2所示。

表2 PCI設(shè)計(jì)手冊(cè)（第七版）摩擦因數(shù)取值及受剪承載力限值

3.2.3 EN 1992-1-1—2004的計(jì)算方法

歐洲EN 1992-1-1—2004中的計(jì)算方法考慮了界面摩擦機(jī)理和剪切摩擦機(jī)理。與ACI 318—2011相比，考慮了混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)、界面摩擦機(jī)理和剪力鍵對(duì)摩擦因數(shù)的影響，在機(jī)理上更加完善，但計(jì)算公式相對(duì)復(fù)雜。接縫的受剪承載力按公式（3）計(jì)算。

式中：ft——混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

c、μ——反應(yīng)界面粗糙程度的摩擦因數(shù)，按表3取值；

N——接縫處的軸向力（壓為正、拉為負(fù)），當(dāng)N為正時(shí)，不超過(guò)0.6fcAc；

α——抗剪鋼筋與剪切平面的夾角，45°≤α≤90°；

ν——開(kāi)裂混凝土抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)：

表3 EN 1992-1-1—2004界面摩擦因數(shù)取值

3.2.4 NZS 3101—2006的計(jì)算方法

新西蘭NZS 3101—2006中的計(jì)算方法考慮了界面摩擦機(jī)理和剪切摩擦機(jī)理，摩擦因數(shù)取值與ACI 318—2011相同。接縫的受剪承載力按公式（4）計(jì)算。

式中：μ按表1取值。

3.2.5 新加坡設(shè)計(jì)手冊(cè)（2006）的計(jì)算方法

新加坡設(shè)計(jì)手冊(cè)（2006）中的計(jì)算方法與NZS 3101 —2006類似，考慮了界面摩擦機(jī)理和剪切摩擦機(jī)理，摩擦因數(shù)取值相對(duì)較高。接縫的受剪承載力按公式（5）計(jì)算。

式中：μ按表4取值。

表4 新加坡設(shè)計(jì)手冊(cè)（2006）界面摩擦因數(shù)取值

3.2.6 我國(guó)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 1—2014）的計(jì)算方法

JGJ 1—2014中的計(jì)算方法考慮了界面摩擦機(jī)理和鋼筋銷栓抗剪機(jī)理。當(dāng)預(yù)制柱受壓時(shí)，計(jì)算軸壓產(chǎn)生的摩擦力摩擦因數(shù)取0.8。當(dāng)預(yù)制柱受拉時(shí)，對(duì)受剪承載力進(jìn)行折減。接縫受剪承載力按公式（6）計(jì)算。

3.3 國(guó)內(nèi)外規(guī)范計(jì)算方法對(duì)比

國(guó)內(nèi)外規(guī)范中預(yù)制柱接縫受剪承載力的計(jì)算方法大多基于界面摩擦機(jī)理、剪切摩擦機(jī)理、鋼筋銷栓抗剪機(jī)理和剪力鍵機(jī)理中的一種或幾種。其中界面摩擦機(jī)理和剪切摩擦機(jī)理力學(xué)原理明確、便于設(shè)計(jì)使用，應(yīng)用最為廣泛。表5歸納了上述6種計(jì)算方法所考慮的抗剪機(jī)理。

表5 各國(guó)規(guī)范接縫受剪承載力計(jì)算公式所考慮抗剪機(jī)理

1）國(guó)外5種規(guī)范中預(yù)制接縫的受剪承載力計(jì)算公式不限于柱接縫，也可用于梁柱接縫等豎向接縫。中國(guó)規(guī)程針對(duì)預(yù)制柱水平接縫和梁柱豎向接縫提出了不同的計(jì)算公式。

2）國(guó)外5種規(guī)范均以剪切摩擦抗剪機(jī)理為基礎(chǔ)。ACI 318—2011、PCI設(shè)計(jì)手冊(cè)（第七版）僅考慮了剪切摩擦機(jī)理，EN 1992-1-1—2004、NZS 3101—2006、新加坡設(shè)計(jì)手冊(cè)（2006）在此基礎(chǔ)上增加了界面摩擦機(jī)理，考慮了法向力對(duì)接縫受剪承載力的影響。中國(guó)規(guī)程考慮了界面摩擦機(jī)理和銷栓抗剪機(jī)理。

3）剪切摩擦抗剪公式形式簡(jiǎn)單，便于設(shè)計(jì)使用，但忽略了抗剪鋼筋的銷栓作用和剪力鍵的影響，故在規(guī)范中采用了較高的μ值，因此μ也被稱為類似摩擦因數(shù)。中國(guó)規(guī)程中計(jì)算軸力產(chǎn)生的界面摩擦力時(shí)摩擦因數(shù)統(tǒng)一取0.8，未考慮不同界面類型對(duì)摩擦因數(shù)的影響。

為比較6種規(guī)范中接縫受剪承載力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的差異，本文收集了文獻(xiàn)[12]、[13]中28個(gè)接縫抗剪試件與本課題組9個(gè)接縫抗剪試件（文獻(xiàn)[14]）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中，文獻(xiàn)[12]試件接縫處無(wú)壓力作用，文獻(xiàn)[13]與文獻(xiàn)[14]中試件接縫處有法向壓力作用?？梢?jiàn)：

1）當(dāng)接縫處無(wú)壓力作用時(shí)，按照NZS 3101—2006、新加坡設(shè)計(jì)手冊(cè)（2006）的計(jì)算方法所得計(jì)算結(jié)果略大于試驗(yàn)值，其計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值約為1.02和1.08，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.35和0.37。PCI設(shè)計(jì)手冊(cè)（第七版）的計(jì)算方法精度最高，其計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值約為0.86，標(biāo)準(zhǔn)差為0.12。

2）當(dāng)接縫處有壓力作用時(shí)，按照NZS 3101—2006、新加坡設(shè)計(jì)手冊(cè)（2006）的計(jì)算方法所得計(jì)算結(jié)果略大于試驗(yàn)值，其計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值約為1.19和1.34，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.41和0.34。其余計(jì)算方法的計(jì)算值均小于試驗(yàn)值，有一定的安全儲(chǔ)備；EN1992-1-1—2004的計(jì)算方法精度最高，其計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值約為0.78，標(biāo)準(zhǔn)差為0.19。

3）ACI 318—2011和PCI設(shè)計(jì)手冊(cè)（第七版）中的計(jì)算方法未考慮界面摩擦抗剪機(jī)理，接縫處有壓力作用時(shí)，計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值約為0.50和0.57，小于接縫處有壓力作用時(shí)的0.62和0.86。因此在接縫處有壓力作用時(shí)，ACI 318—2011和PCI設(shè)計(jì)手冊(cè)（第七版）的計(jì)算方法偏于保守。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外主要規(guī)范中預(yù)制混凝土柱接縫受剪承載力的計(jì)算方法進(jìn)行研究，并基于已有試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)各國(guó)規(guī)范計(jì)算方法的適用性進(jìn)行了對(duì)比與分析，得到以下結(jié)論：

按照NZS 3101—2006、新加坡設(shè)計(jì)手冊(cè)（2006）得出的計(jì)算結(jié)果略大于試驗(yàn)值。當(dāng)接縫處無(wú)壓力作用時(shí)，PCI設(shè)計(jì)手冊(cè)（第七版）有較高的計(jì)算精度；當(dāng)接縫處有壓力作用時(shí)，EN1992-1-1—2004的計(jì)算方法精度較高，ACI 318—2011和PCI設(shè)計(jì)手冊(cè)（第七版）則偏于保守。