预制混凝土剪力墙结构的研究现状

孙 浩 文

(同济大学土木工程学院，上海　200092)

0　引言

在建筑工业化发展道路上，预制结构体系是先进的建筑工业化发展的重要结果。其主要核心在于以空间模块为单位的预制装配式构件的标准化。相比于目前大量使用的现浇混凝土技术，预制混凝土技术具有生产效率高、产品质量好、工业化生产对环境影响小等优点，是一种有利于可持续发展的混凝土技术应用[1,2]。近年来我国劳动力市场日益紧缩，劳动力价格不断上涨；同时现浇结构环境污染严重，资源消耗大，这与建设环境友好资源解决型社会格格不入，与绿色建筑的发展理念背道而驰。因此，建筑的绿色化、工业化要求越来越迫切，上海市更是直接出台了《上海市绿色建筑发展三年行动计划(2014—2016)》，要求2016年外环以内的新建民用建筑将全部采用装配式建造。

本文将对当前国内外预制结构中的预制混凝土剪力墙研究现状作出一些总结。

1　结构体系特点

剪力墙结构体系作为高层住宅楼与办公楼的常用结构形式得以广泛应用，现阶段中国的剪力墙结构主要为现浇钢筋混凝土剪力墙。虽然现浇的剪力墙结构提供了较好的抗震受力体系，但是其在工程应用中暴露的问题也越来越多。与现浇剪力墙结构相比，预制剪力墙结构体系具有如下优势：

1)结构构件和连接部件在工厂统一制作，采用标准化生产，与复杂的现场施工相比，可以很大程度上提高构件单元的质量水平；

2)工厂统一标准化的结构体系，能够精简现场构件的组装，减小大量的人工劳动，缩短工期，大大提高生产效率；

3)不需要模板支撑，现场湿作业少，施工噪声小，大大减少资源浪费及对环境的污染；

4)预制的墙体和楼板在工程完成时收缩缝隙已基本完成，工程完工后的维护和检修成本较小。

预制剪力墙虽然具有许多现浇剪力墙不可比拟的优点，但是在实际工程一直没能得到广泛应用，主要原因有：

1)预制结构的关键在于节点连接的可靠性。良好的受力特性必须确保具有较强的节点连接，而现阶段预制构件节点连接还难以保证预制结构形成完全有效的整体承载体系。

2)工厂标准化生产的精度还不够高，不能保证工地现场的快速精确拼装。随着我国对预制结构科研工作的不断推进，工厂标准化生产水平与精度的不断提高，预制结构势必会在建筑工程领域逐步推广起来。

2　研究进展

2.1预制混凝土大板结构

最早的预制混凝土剪力墙结构出现在1875年，英国提出了一种新型的预制混凝土大板结构[3]，并申请了专利。该结构是通过许多墙板，以及墙板之间的连接缝拼装成整体。但是其也表现出了和现浇结构的相比的劣势：其整体的性能较差，应力集中容易出现在连接缝中，同时也会产生不连续的变形，所以墙板间的连接缝所能发挥出的整体性能直接影响结构的抗震性能。

Wilson J L等[4]提出了采用能力谱法研究墙体与楼板通过钢筋与套箍连接的低层大板结构抗震性能的方法，具体采用子结构试验法与有限元数值模拟相结合，获取能力曲线，以此评价其该体系抗震性能，结果表明大板结构的连接处是结构的关键部位。

尹之潜等[5]通过振动台模拟一座14层和一座10层的高层装配式大板结构地震试验，结果表明此类结构在地震作用下以剪切破坏为主，板间连接处的破坏在剪力的作用下较为集中，连接接头处钢筋未伸直，钢筋受力初期未发挥作用。

万墨林和曾兵[6]进行了相关试验，研究了大板结构的连接缝处的刚度以及强度。垂直的连接缝一方面传递了剪力墙单元间的力，另一方面决定了结构的耗能能力；水平接缝不仅传递着上层墙板的压力，同样也影响着结构的变形。

宋国华、柳炳康等[7]进行了反复的荷载下18榀试件相关试验，总结和归纳了竖向接缝的受力原理及其相关的抗震性能，并提出了考虑接缝宽度影响的竖缝受剪承载力设计公式。

2.2无粘结后张拉预应力预制混凝土剪力墙20世纪90年代，PRESSS项目(由美日联合展开)提出了一种新的预制混凝土剪力墙结构：无粘结后张拉预应力剪力墙结构。这种新型的剪力墙结构有很好的自复位能力，罕遇地震下能形成较大侧移，连接节点往往优先破坏，地震后可修复度较高。

Kurama Y C等[8]考虑体系在水平侧向荷载作用下的影响，评价其能量的耗散与位移能力等指标，结果表明该结构体系在侧向荷载作用并发生大非线性往复变形下仍能够保证稳定的抗力。

Kurama Y C[9]和Marriott D J等[10]在该类结构体系中采用粘滞阻尼器和软钢阻尼器，这些阻尼器均有效提高了结构耗能能力，并达到了降低结构侧向位移的目的。

吕西林等[11]分析了影响此类结构自复位能力的参数，主要有预应力、竖向恒荷载、低碳钢含量、端部墙体构造等。

党像梁等[12]利用ABAQUS软件建立了底部水平缝摇摆剪力墙的有限元模型并进行推覆分析和滞回性能分析，结果表明底部水平缝剪力墙与普通剪力墙相比，初期承载力有所降低，但延性明显提高且残余变形较小。

2.3预制叠合剪力墙结构

Lee B J等[13]通过相关预制空心板的剪力墙的有限元分析，提出了其可以增大墙体的保温性能和受力特性。

连星和叶献国等[14]对拟静力试验下的预制叠合板式剪力墙作了相关非线性分析和研究，得出以下结论：叠合面具有足够的抗剪强度，能够保证叠合板的整体工作性能；设置不同边缘约束构造措施的预制叠合板式剪力墙其抗震性能无明显的差异。

章红梅和吕西林等[15]进行了半预制钢筋混凝土叠合墙(PPRC-CW)的非线性研究。通过对两片构件进行相关的低周反复试验，证明了PPRC-CW抗侧移性能良好，混凝土之间的协同工作性能良好。

2.4其他的预制剪力墙体系结构

钱稼茹和张微敬等[16,17]对将单片的预制圆孔板剪力墙在往复水平力，同时轴向抗下的试验条件下进行了研究。试验研究证明，按照剪切破坏或弯曲破坏设计的构件，墙体底部截面均开裂，水平裂缝沿着高度分布在各边缘构件中，剪力墙面大部分呈现斜裂缝，双片墙试件较单片墙试件，其可承受的最大荷载以及开裂荷载均有明显的提高，证明设置现浇边缘构件的预制圆孔板剪力墙可以作为房屋建筑的抗震结构构件。

3　结语

本文对预制剪力墙结构的特点，研究进程作了概要的梳理。预制剪力墙结构尤其是节点的有效连接是至关重要的。一些复杂的节点连接技术还需要后人作出努力，希望本文能给致力于预制剪力墙结构研究的学者一些参考。相信随着建筑工业化进程的推进以及一些关键技术的解决，预制剪力墙结构体系将成为今后我国建筑体系中不可或缺的一环。

参考文献：

[1]Yee,A.A.Social and environmental benefits of precast concrete technology[J].Pci Journal,2016,46(1):45-47.

[2]Yee,A.A., Hon.,D.Structural and economic benefits of precast/prestressed concrete construction[J].Pci Journal,2001,46(4):3-7.

[3]Clough R.W,Malhas F,Oliva M.G.Seismic Behavior of Large Panel Precast Concrete Walls:Analysis and Experiment[J].PCI Journal,1989(8):42-66.

[4]Wilson J L,Robinson A J,Balendra T.Performance of precast concrete load-bearing panel structures in regions of low to moderate seismicity[J].Engineering Structures,2008,30(7):1831-1841.

[5]尹之潜,朱玉莲.高层装配式大板结构模拟地震试验[J].土木工程学报,1996(3):57-64.

[6]万墨林,曾兵.大板结构接缝的强度和刚度[J].建筑结构学报,1986(4):54-69.

[7]宋国华,柳炳康,王东炜.反复荷载作用下PBPS竖缝抗震性能试验及理论研究[J].建筑结构学报,2003,45(6):18-24.

[8]Kurama Y C,Shen Q.Posttensioned Hybrid Coupled Walls under Lateral Loads[J].Journal of Structural Engineering,2004,130(2):297-309.

[9]Kurama Y C.Seismic Design of Unbonded Post-Tensioned Precast Concrete Walls with Supplemental Viscous Damping[J].ACI Structural Journal,2000:648-658.

[10]Marriott D,Pampanin S,Bull D,et al.Dynamic Testing of Precast,Post-Tensioned Rocking Wall Systems with Alternative Dissipating Solutions[J].University of Canter-bury Civil & Natural Resources Engineering,2008(9)：17.

[11]Xilin Lv,Dun Wang,Ming Cheng.Discussion on “Self-Centering Behavior of Unbonded,Post-tensioned Precast Concrete Shear Walls”[J].Journal of Earthquake Engineering,2010,14(4):626-627.

[12]党像梁,吕西林,周颖.底部开水平缝摇摆剪力墙抗震性能分析[J].地震工程与工程振动,2013,33(5):182-189.

[13]Byoung-Jun L,Stephen P.Design and analysis of precast,prestressed concrete,three-wythe sandwich wall panels[J].Pci Journal,2007(5)：71.

[14]连星,叶献国,王德才,等.叠合板式剪力墙的抗震性能试验分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2009,32(8):1219-1223.

[15]章红梅,吕西林,段元峰,等.半预制钢筋混凝土叠合墙(PPRC-CW)非线性研究[J].土木工程学报,2010,43(S2):93-99.

[16]张微敬,孟涛,钱稼茹,等.单片预制圆孔板剪力墙抗震性能试验[J].建筑结构,2010,40(6):76-80.

[17]张微敬,孟涛,钱稼茹.预制圆孔板剪力墙非线性有限元分析[J].建筑结构,2010,1(1):15-18.