预制混凝土柱接缝的施工要点与受剪承载力计算.pdf

预制混凝土柱接缝的施工要点与 受剪承载力计算 孙哲 胡翔 薛伟辰 同济大学建筑工程系 上海 2 0 0 0 9 2 摘要：从结合面粗糙处理、剪力键构造、连接纵筋构造3 个方面总结了预制混凝土柱接缝的构造要求，并阐述了预制混 凝土柱接缝在不同施工阶段的施工要点。结合中国、美国、欧洲、新西兰、新加坡等国相关规范中预制混凝土柱接缝 受剪承载力计算方法，对各国规范计算方法的适用性进行了对比与分析。 关键词：预制混凝土柱 接缝 构造要求 施工要点 受剪承载力 计算方法 中图分类号：T U 7 5 7 文献标志码 ：B D OI ：1 0 1 4 1 4 4 j c n k i i z s g 2 0 1 5 0 5 0 1 7 Ke y Co ns t r uc t i o n P o i n t s o f Pr e c a s t Co n c r e t e Co l u mn J o i n t s a n d Ca l c ul a t i o n o f S h e a r Ca p a c i t y * SUN Z h e HU Xi a n g XUE W e i c h e n D e p a r t me n t o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， T o n g j i U n iv e r s it y S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 0 引言 预制混凝土结构具有生产效率高、产品质量好、施工 工期短 、现场劳动强度低 、节能环保等优点 ，在工业与民 用建筑中具有广阔的应用前景口 。 预制混凝土结构中 ，接缝是影响结构整体性和抗震性 能的关键部位 。合理 的构造措施 和科学 的施工方法是保证 预制柱接缝受力性能和结构整体稳定性 的重要环节 。而在 预制柱接缝的受力性能中 ，受剪性能是其中最值得关注的 重点内容 2 。 目前，国内外学者针对预制混凝土柱接缝的受 剪性能已开展 了较多的试验与理论研究 ，并提出了不同受 剪机理及其计算方法 ，国内外规范也给 出了具体的设计计 算规定。 1 预制混凝土柱接缝构造要求 1 1 结合面 的粗糙 处理 预制柱 接缝处的受剪承载力随着结合面粗糙程度 的 提高而增大。因此需要对预制柱底面和顶面设置粗糙面。 宜采用拉毛或凿毛处理 ，大面积的混凝土表面可涂刷缓凝 剂，以延缓混凝土表面凝结 ，使石子外露 。我国 装配式 混凝土结构技术规程 ( J G J 1 2 0 l 4)中规定 ：粗糙面的 面积不宜小于结合 面的8 0 ，预制柱端 的粗糙面凹凸深度 注：本课题为上海市科学技术委 员会重大科研项目课题，课题 编号为1 4 D Z 1 2 0 8 3 0 2 。 作者简介：孙哲 ( 1 9 9 卜一)， 男，硕士研 究生。 通信地址 ：上海市杨 浦蠡四平路1 2 3 g 号 ( 2 0 0 Q 9 2 )。 收稿 露 期 2 o l 5 a 2 专 1 3 圈建 筑 狍 工 第 3 7 卷 第 5 胡 不应小于6 ml n 。 1 2 剪力键的构造 剪力键可 显著提高接缝的受剪承载力 ，预制柱底应 设置剪力键。为提高抗剪性能 ，剪力键需要有 良好 的几何 形状。 当剪力键过低时 ，其破坏形态就会 由斜 向剪切破 坏转化为强度较低的角部局压破坏 。同时 ，剪力键 的抗 剪性能也随着其端部倾角的减小而增大，但倾角过小不易 于施工 。我 国J G J l 一2 0 1 4 中规定 ：剪力键高度不宜小于 3 0 fi l m，端部斜面倾角不宜大于3 0 。 1 3 纵筋的连接构造 连接纵筋的构造要求主要有 以下3 点： 1 ) 穿过接缝的柱纵筋直径不宜小于2 0 f i l m 。选用较大 直径的钢筋可减少钢筋根数 ，增大 间距 ，便于柱钢筋连接 及节点区钢筋布置； 2 ) 纵筋采用套筒灌浆连接时 ，预制柱中钢筋接头处套 筒外侧箍筋的混凝土保护层厚度不应小于2 0 ra m ；套筒之间 的净距不应小于套筒外径 ； 3 ) 纵筋采用浆锚搭接连接时 ，预 留浆锚 管的长度应 比纵筋搭接长 度大3 0 m lT l ；浆锚管 内径应 比纵 筋直径大 1 5mm。 2 预制混凝土柱接缝施工要点 2 1 纵筋连接的施工要点 1 )纵筋采用套筒灌浆或浆锚搭接连接时 ，应检查套 筒 、预 留孔 的规格 、位置 、数量和深度以及被连接钢筋 的 规格 、数量、位置和长度 ；应及时清理套筒 、预留孔内的 ：望 塑 壁 墨 !翌 鳖 圭 竺 竺 三 皇 茎 翌 塑 ： 杂物 ；当连接钢筋倾斜时 ，应进行校直 。连接钢筋偏离套 筒或孔洞中心线不宜超过5 c m； 2 ) 纵筋采用焊接连接时 ，应采取措施防止因连续施焊 引起的连接部位混凝土开裂。 2 2 灌浆的施工要点 当纵筋采用套筒灌浆或浆锚搭接连接时 ，柱底接缝厚 度宜为2 0 m m，并采用灌浆料填实。灌浆施工过程中应符合 以下规定 ： 1 ) 灌浆施工时，环境温度不应低于5 o C ；当连接部位 养护温度低于1 0时 ，应采取加热保温措施 ； 2 ) 竖向构件与楼面连接处的水平缝应清理干净 ，灌浆 前2 4 h 结合面应充分浇水湿润 ，灌浆前1 h 应吸干积水； 3 ) 灌浆前 ，应对接缝周围进行封堵 ，封堵措施应符合 结合面承载力设计要求 ； 4 ) 灌浆操作全过程应有专职检验人员负责旁站监督并 及时形成施工质量检查记录； 5) 应按产品使用说 明书 的要求计算 灌浆料和水的用 量 ，并搅拌均匀 ；每次拌制的灌浆拌和物应进行流动度 的 检测，且其流动度应满足本规程的规定 ； 6) 灌浆施工应采用压浆法从下 口灌注 ，当浆料从上口 流 出后应及时封堵 ，必要时可设分仓进行灌浆 ； 7 ) 灌浆料拌和物应在制备后3 0 ra i n 内用完 ； 8 ) 灌浆结束后应及时将灌浆 口及构件表面的浆液清理 干净 ，并将灌浆 口表面抹压平整。 2 3 后 浇混凝 土的施工要点 当预制柱接缝为新旧混凝土接缝时，后浇混凝土的施 工应符合以下规定 ： 1 ) 结合面疏松部分的混凝土应剔除并清理干净 ； 2) 模板应保证后 浇混凝土部分形状 、尺寸 和位置准 确 ，并应防止漏浆 ； 实。 下 ，接缝发生滑移的同时也产生纵 向分离 ，穿过接缝 的钢 筋拉伸变形 ，对混凝土产生压力 ，从而产生垂直于压力方 向的摩擦力。影响剪切摩擦受剪承载力的主要因素有界面 类型 、受力方式 、抗剪钢筋特性 、混凝土种类与强度等嘲 。 S h i k h E 、万墨林 等通过试验研究各 自提出了剪切摩擦受 剪的计算方法。 3 1 3 钢筋销 栓抗剪机理 接缝受剪过程 中 ，在裂 缝面发生滑移 和分离 时 ，垂 直穿过接缝 的钢筋中产生的拉力的水平分量可直接抵抗剪 力，即为钢筋的销栓作用。钢筋销栓力随着钢筋直径的增 大而增大 ，拉力作用下 ，钢筋的销栓力有所折减并随拉力 的增大而减小嘲 。M i l 1 a r d 8 、刘伟庆 通过试验研究各 自 提出 了钢筋销栓力的计算方法 。 3 1 4 剪力键 机理 剪力键是在相互嵌合的凹凸形状的混凝土上传递剪切 作用力的构造 ( 图1 )。在达到剪切强度前 ，在界面上几 乎不产生错位变形。剪力键 的受剪承载力是由剪力键 凸出 部位的承压强度和剪力键剪切强度 的较小者决定 。我国学 者柳炳康等 通过试验研究 ，分析 了剪力键接缝的抗剪机 理。研究表明为提高剪力键 的抗剪性能 ，抑制剪力键的变 形 ，需要具有 良好的剪力键形状 ， 槽深不宜小于2 c m f 1 “ 。 图1 剪力键机理 3 ) 浇筑混凝土前应洒水润湿结合面，混凝土应振捣密 3 2 国内外规范计算方法介绍 3 预制混凝土柱受剪承载力计算 3 1 接缝受剪机理 预制混凝 土柱接缝 的受剪 机理主要包括界 面摩擦 机 理 、剪切摩擦机理 、钢筋销栓抗剪机理和剪力键机理等 。 3 1 1界 面摩擦机 理 柱的轴压力 能够提高接缝 的受 剪承载力 ，而轴拉 力 会降低接缝的受剪承载力 。当预制柱受压时，接缝可通 过界面摩擦力抗剪。界面摩擦力的大小与轴压力 成线性 关系 ，可近似 由接缝所受压力 与界面摩擦 因数 相乘得 到，其 中 随接缝的材料性质及表面粗糙度而异。 3 1 2 剪切摩擦机 理 剪切摩擦机理最早由国外学者M a s t 4 提出。在剪力作用 目前，美国、欧洲 、新西兰 、新加坡 、中国等国的规 范都给出了接缝受剪承载力计算方法 ，但各规范中的计算 方法差异较大 ，下面具体介绍这6 部规范中的计算方法。 3 2 1 A C I 3 1 8 2 叭1 的计算方法 美国A C I 3 1 8 2 0 l 1 所提出的计算方法是将结构构件 按预裂构件考虑的。该规范认为混凝土构件在制作安装和 长期使用过程 中，会因各种原因而产生裂缝 ，混凝土本身 强度不予利用 ，故无法考虑混凝土强度变化对接缝受剪承 载力 的影响。该计算方法下接缝剪力主要通过横向钢筋的 剪切摩擦作用来承担 ，未考虑轴向力对接缝抗剪的影 响， 在接缝处存在压力的情况下偏于保守。受剪承载力按公式 ( 1 ) 计算 。 v o ( s i n + C O S ) ( 1) 式 中：v o 受剪承载力 ； 2 0 1 5 5 B u il d i n g C o n s t r u c 困 型 胡 翔 薛 伟 辰 ： 预 制 混 凝 土 柱 接 缝 的 施 工 要 点 与 受 剪 承 载 力 计 算 抗剪能力折减系数，取0 7 5 ； 名 义抗 剪强度 ，不超过0 2 f 。 A ，且不超过 5 5 A ； A 剪切平面面积 ； 混凝土圆柱体抗压强度设计值 ； 4 抗剪钢筋面积 ； 抗剪钢筋屈服强度 ，不超过4 1 4 MP a ： 界面摩擦 因数 ，取值参考表1 ； 抗剪钢筋与剪切平面的夹角 ( 取锐角 )。 表 1 ACl 3 1 8 2 O 1 1 界面摩擦因数取值 界面类型 整浇混凝土 1 4 新旧混凝土 ，表面经粗糙化处理 1 O 新旧混凝土，表面未经粗糙化处理 0 6 有栓钉或钢筋锚固的钢与混凝土组合界面 O l 7 注 ： 为轻骨料混凝土影响系数，对普通混凝土取1 O ，对砂轻混凝土 取0 8 5 ，对全轻混凝土取0 7 5 。 3 2 2 P CI 设计手册( 第七版 )的计算方法 美 国P C I 设计 手册 ( 第 七 版 )中的计算 方法 与A C I 3 l 8 2 0 l 1 相同 ，都基于剪切摩擦机理。在A C I 3 l 8 2 O l l 的基础上引入 了有效摩擦抗剪系数并提高了受剪承载力 的 上限值 ，接缝受剪承载力按公式 ( 2 ) 计算。 l C A s e 1 6 9 A c t ( 2) 【 一 一 式 中： f 抗剪钢筋屈服强度 ，不超过4 1 4 M P a ； f 有效摩擦抗剪系数 。 的取值和 的限值如表2 所示。 式 中： 混凝土抗拉强度设计值： c 、 反应界面粗糙程度的摩擦因数 ，按表3 取 值 ； L _ _ 一接缝处的轴向力 ( 压为正、拉为负 )，当 为正 时 ，不超过0 6 f A ； 抗剪钢筋与剪切平面的夹角 ，4 5 。O L 9 ： 开裂混凝土抗剪强度折减系数： 6( ) 。 表3 E N 1 9 9 2 1 1 2 O O 4 界面摩擦因数取值 界面类型 C 钢、塑料 、模具与混凝土 0 2 5 O 5 新旧混凝土 ，表面未处理 O 3 5 O 6 新旧混凝土，表面经粗糙化处理 0 4 5 O 7 新旧混凝土，齿槽界面 0 _5 0 9 注：表中粗糙界面要求至少有3 mm粗糙深度及4 O mm宽度。 3 2 4 NZ S 3 1 0 1 - 2 0 0 6 的计算方 法 新西兰N Z S 3 1 0 1 2 0 0 6 中的计算方法考虑 了界面摩擦 机理 和剪切摩擦机理 ，摩擦 因数取值 与A C I 3 1 8 2 O l I S H 同。接缝 的受剪承载力按公式 ( 4 ) 计算。 = A Z ( s i n + C O S O 1)+ N ( 4) 式中： 按表1 取值。 3 2 5 新加坡设计手 册 ( 2 0 0 6 )的计 算方法 新加坡设计手册 ( 2 0 0 6 )中的计算方法与N Z S 3 1 0 1 2 0 0 6 类似 ，考虑了界面摩擦机理和剪切摩擦机理 ，摩擦因 数取值相对较高。接缝的受剪承载力按公式 ( 5 ) 计算。 = ( 0 8 7 1 4 L + N) ( 5) 式中： 按表4 取值。 表2 P G I设计手册 ( 第七版 )摩擦因数取值及受剪承载力限值 表4 新加坡设计手册 ( 2 0 0 6) 界面摩擦因数取值 的 界面类型 限值 的限值 整浇混凝土 1 4 3 4 O 3 ， 。 6 9 A 。 新旧混凝土，表面经粗糙化处理 1 O 2 9 O 2 5 。 6 9A 。 新旧混凝土，表面未经粗糙化处理 0 6 2 _ 2 0 2 A 。 5 ， 5 A 。 有栓钉或钢筋锚固的钢与混凝土组 D 7 2 4 40 2 r 。 6 9 A 。 合界面 注：A为轻骨料混凝土影响系数 对普通混凝土取1 0 ，对砂轻混凝土取 0 8 5，对全轻混凝土取0 7 5 。 3 2 3 E N 1 9 9 2 1 1 2 f ) ( ) 4 的计算方 法 欧；J II E N 1 9 9 2 1 1 2 0 0 4 中的计算方法考虑了界面摩擦 机理和剪切摩擦 机理 。与A C I 3 l 8 2 0 l l 相 比，考虑了混 凝土强度的贡献 、界面摩擦机理和剪力键对摩擦 因数的影 响 ，在机理上更加完善 ，但计算公式相对复杂。接缝的受 剪承载力按公式 ( 3 ) 计算。 ( + + A ( s i n + C O S O )0 5l ， A ( 3) 团建 筑 袍 工 第 3 7 卷 第 5 期 界面类型 整浇混凝土 1 7 新旧混凝土，表面经粗糙化处理 1 4 新旧混凝土，表面未经粗糙化处理 0 7 3 2 6我 国 装配式混凝土结构技术规程 ( j o j 1 - 2 0 1 4 )的计算方法 J G J 1 2 0 1 4 中的计算方法考虑了界面摩擦机理和钢 筋销栓抗剪机理。当预制柱受压时 ，计算轴压产生的摩擦 力摩擦 因数取0 8 。当预制柱受拉时 ，对受剪承载力进行折 减 。接缝受剪承载力按公式 ( 6 ) 计算。 l 0 8 N+ 1 6 5 A ( 预制柱受压) s 、彤 - - -N 2 预 制 柱 3 3 国内外规范计算 方法对 比 国内外规范中预制柱接缝受剪承载力的计算方法大多 型 塑 塑 塑 壁 堡垦 望 鳖圭 竺 塑 三 塞 兰茎 苎 垦 竺 ： 基于界面摩擦机理 、剪切摩擦机理 、钢筋销栓抗剪机理和 剪力键机理中的一种或几种。其中界 面摩擦机理和剪切摩 擦机理力学原理明确 、便于设计使用 ，应用最为广泛 。表5 归纳了上述6 种计算方法所考虑的抗剪机理。 表5 各国规范接缝受剪承载力计算公式所考虑抗剪机理 A CI P C I E N N Z S 新加坡 抗剪机理 3 1 8 设计手册 1 9 9 2 - 1 1 3 1 0 1 设计手册 J GJ 1 2 O 1 4 2 0 1 1 【 第七版 ) 2 0 0 4 2 0 0 6 ( 2 0 0 6) 界面摩擦机理 、 ， 、 、 、 剪切摩擦机理 、 -, j 、 、 、 销栓抗剪机理 、 剪力键机理 1 )国外5 种规 范中预制接缝的受剪承载力计 算公式 不限于柱接缝，也可用于梁柱接缝等竖向接缝。中国规程 针对预制柱水平接缝和梁柱竖向接缝提 出了不 同的计算公 式。 2 )国外5 种规范均以剪切摩擦抗剪机理为基础。A C I 3 1 8 2 0 1 1 、P C I 设计手册 ( 第七版 ) 仅考虑了剪切摩擦机 理 ，E N 1 9 9 2 1 1 2 0 0 4 、N Z S 3 1 0 1 - - 2 0 0 6 、 新加坡设计手 册 ( 2 0 0 6 ) 在此基础上增加 了界面摩擦机理 ，考虑 了法向 力对接缝受剪承载力 的影响。中国规程考虑了界面摩擦机 理和销栓抗剪机理。 3 ) 剪切J 挛擦抗剪公式形式简单，便于设计使用，但忽 略了抗剪钢筋的销栓作用和剪力键 的影 响，故在规范中采 用了较高的 值 ，因此 也被称为类似摩擦因数。中国规 程 中计算轴力产生的界面摩擦力时摩擦因数统一取0 8 ，未 考虑不同界面类型对摩擦因数 的影响。 为比较6 种规范中接缝受剪承载力计算结果与试验实测 值 的差异 ，本文收集 了文献【 l 2 】 、 1 3 2 8 个接缝抗剪试件 与本课题组9 个接缝抗剪试件 ( 文献【 1 4 】 )的试验数据 ，其 中 ，文献 1 2 1 试件接缝处无压力作用 ，文献 1 3 1 与文献 1 4 1 中 试件接缝处有法 向压力作用。可见 ： 1 ) 当接缝处无压力作用时 ，按照N Z S 3 1 0 1 -2 0 0 6 、新 加坡设计手册 ( 2 0 0 6 )的计算方法所得计算结果略大于试 验值 ，其计算值与试验值的比值约为1 0 2 和1 0 8 ，标准差分 别为0 3 5 和0 3 7 。P C I 设计手册 ( 第七版 )的计算方法精度 最高，其计算值与试验值的比值约为0 8 6 ，标准差为0 1 2 。 2 )当接缝处有压力作用时 ，按照N Z S 3 1 0 1 -2 0 0 6 、 新加坡设计手册 ( 2 0 0 6 )的计算方法所得计算结果略大于 试验值 ，其计算值与试验值的 比值约为1 1 9 和1 3 4 ，标准差 分别为0 4 1 和0 3 4 。其余计算方法的计算值均小于试验值 ， 有一定的安全储备 ；E N 1 9 9 2 1 一 l 一2 0 0 4 的计算方法精度最 高 ，其计算值与试验值的比值约为0 7 8 ，标准差为0 1 9 。 3 )A C I 3 1 8 2 0 l 1 和P C I 设计手册 ( 第七版 )中的计 算方法未考虑界面摩擦抗剪机理 ，接缝处有压力作用时 ， 计算值与试验值 的比值约为0 5 0 和0 5 7 ，小于接缝处有压 力作用时的0 6 2 和0 8 6 。因此在接缝处有压力作用时 ，A C I 3 l 8 2 0 l 1 和P C I 设计手册 ( 第七版 )的计算方法偏于保 守。 4 结语 通过对 国内外主要规范中预制混凝土柱接缝受剪承载 力 的计算方法进行研究 ，并基于已有试验结果 ，对各国规 范计算方法的适用性进行了对比与分析 ，得到以下结论 ： 按照N Z S 3 1 0 1 -2 0 0 6 、新加坡设计手册 ( 2 0 0 6) 得出 的计算结果略大于试验值。当接缝处无压力作用时 ，P C I 设 计手册 ( 第七版)有较高的计算精度；当接缝处有压力作 用时 ，E N 1 9 9 2 - 1 1 2 o 0 4 的计算方法精度较高 ，A C I 3 1 8 2 0 1 1 和P C I 设计手册 ( 第七版 ) 则偏于保守。 参考文献 薛伟辰 预制混凝土框架结构体系研究与应用进展 J 】 工业建 筑2 0 0 2 ( 1 1 ) ： 4 7 5 0 【 2 】李爱群， 王维，贾洪， 等 预制钢筋混凝土剪力墙结构抗震性能研究进 展( f ) ： 接缝性能研究 J 】 防灾减灾工程学报，2 0 1 3 ( 5 ) ：6 0 0 6 0 5 3 万墨林 大板结构接缝的强度和变形性能 R 】 北京： 中国建筑科学研 究院， 1 9 8 3 4 】Ma s t R F lA u x i li a r y r e i n f o r c e me n t i n c o n c r e t e c o n n e c t i o n s J J ou r n al o f t h e S t r u c t u r a l Div i s ion ，1 9 6 8 5 】王伟， 苏小卒， 赵勇 钢筋混凝土中的摩擦抗剪【 C 】 中国土木工程学会 2 0 0 7 预应力上海论坛论文汇编 ，2 0 0 7 6 】S h a i k h A F P r o p o s e d r e v is io n s t o s h e a r f r ic t io n p r o v is io n s J P C I j o u r n a l ， 1 9 7 8 ( 2 ) ： 1 2 2 1 7 】 万 墨 林 ， 曾 兵 大 板 结 构 接 缝 的 强 度 和 刚 度 J】建 筑 结 构 学 报。 1 9 8 6 ( 4 ) ： 5 4 6 9 8 Mi lla r d S G， J o h n s o n R P S h e a r t r a n s f e r a c r o s s c r a c k s in r e i n f o r c e d c o n c r e t e d u e t o a g g r e g a t e in t e r l o c k a n d t o d o w e l a c t io n J Ma ga z in eo f c on c r e t e r e s e a r c h ，1 9 8 4 ( 1 2 6 ) ： 9 2 1 9 刘伟庆， 江东， 丁大钧 钢筋砼裂缝截面剪力传递性能的试验研究 J 建筑结构学报 1 9 9 4 ( 4 ) ：2 1 0 1 0 】 柳炳康， 宋国华， 王东炜 装配式大板结构竖缝抗剪机理研究 J 郑州 大学学报： 工学版，2 0 0 2 ( 2 ) ： 7 4 7 8 1 1 】 佚 名 钢筋混凝土装配式框架梁柱齿槽接头的设计【 J 】 建筑结 构 ， 1 9 7 8 ( 4 ) ：3 7 4 0 1 2 】 Ma t t o c k A H ， H a w k i n s N MS h e a r t r a n s f e r i n r e in f o r c e d c o n c r e t e r e c e n t r e s e a r c h J P C I J o u r n a l。 1 9 7 2 ( 1 7 ) ：5 5 7 5 1 3 】 Ma t t o c k A H， L i W K ， Wa n g T C S h e a r t r a n s f e r i n l i g h t we i g h t r e in f o r c e d c o n c r e t e J P C I J o u r n a l ， 1 9 7 6 ( 1 ) ： 2 0 3 9 1 4 】 薛伟辰， 胡翔孙哲预制混凝土框架构件接头受力性能与设计方 法研究 R 】 上海： 同济大学， 2 0 1 2 2 0 1 5 5 B u il d i n g c 0 n s t r u c ti 。 n 团