装配式混凝土剪力墙研究现状

肖志凡，王小平，曾华益，张啟华

(武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070)

在2016年住建部发布了《建筑产业现代化发展纲要》，明确了未来10年建筑产业现代化的发展目标：到2020年，我国建筑产业现代化技术体系基本成熟，装配式建筑占新建建筑的比例20%以上。到2025年，建筑品质全面提升，节能减排、绿色发展成效明显，创新能力大幅提升，装配式建筑占新建建筑的比例50%以上，保障性安居工程采取装配式建造的比例达到60%以上。同年，国务院办公厅也提出了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》(国办发〔2016〕71号)，其工作目标为：因地制宜发展装配式混凝土结构、钢结构和现代木结构等装配式建筑，力争用10年左右的时间，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。上述国家和省市层面的政策信息充分反映了装配式混凝土结构、钢结构及木结构等装配式建筑在我国建筑产业现代化发展的重要性和迫切性。

装配式混凝土结构是由预制混凝土构件通过可靠的连接方式装配而成的混凝土结构。

与现场浇筑相比，装配式混凝土结构具有大部分构件工厂化生产、现场没有或几乎没有湿作业、安装速度快、对周边环境影响小、房屋质量更容易得到保证及减少建筑垃圾等显著优势。因此，装配式钢筋混凝土结构是我国建筑结构发展的重要方向之一。

装配式混凝土剪力墙结构是装配式混凝土结构的重要组成部分，目前传统的做法为：墙体一般由两侧及上端预留钢筋、下端预埋钢筋套筒的若干整片装配式混凝土剪力墙现场浇筑而成，而楼板一般采用钢筋混凝土叠合楼板。这种做法的优势为：结构整体性好，预制墙板之间、楼板和剪力墙之间连接处刚度大。但却存在现场湿作业多、不能形成模块化和标准化、安装质量不容易得到保证和综合造价偏高等不足。

为此，国内外学者一方面对传统装配式混凝土剪力墙进行系列试验研究和理论分析，为设计和工程应用提供依据，另一方面针对传统预制混凝土墙体的不足，不断开发新型的预制墙体，以弥补传统墙体的缺陷。

1 国外装配式混凝土墙体研究

装配式混凝土结构始于二战后的西方发达国家。当时的欧洲住房紧缺，劳动力缺乏，装配式预制结构因其工期短、生产效率高、劳动力成本低等优点迎来快速发展时期。经过几十年的研究和发展，发达国家中装配式预制混凝土结构在土木工程中的应用密度也越来越大，美国、新西兰、日本、欧洲各国都已建立了较为成熟的装配式预制混凝土结构体系。

20世纪90年代至21世纪初，美国与日本联合发起旨在开发新型装配式混凝土结构的PRESSS(PREcast Seismic Structral Systems)研究计划[1]，提出了可用于抗震结构体系的装配式结构，新型结构采用了干式连接，施工简单，工业化程度高。为了解其力学性能，研究者对其中一种无粘结预应力预制剪力墙结构进行试验研究，得到了制定该类预制剪力墙抗震设计方法和规范的依据。

2008年，美国加州大学圣地亚哥分校在PRESSS项目框架下对一栋5层预制装配式框架剪力墙结构模型进行了拟动力试验，该结构由预制框架和预制剪力墙组成，墙体采用了后张预应力连接形式。试验结果表明，该连接形式的抗震性能较为良好，结构的承载力也比最大荷载规范计算值要大很多。

基于多次地震灾害调查结果和试验研究，美国威斯康星大学麦迪逊分校Can等对采用螺栓连接的预制墙板进行了抗震性能试验研究，该种连接通过在预制墙板两边预埋钢板形成。试验结果表明，试件在有替代延性机制的情况下可不依赖材料的延展性来抵抗地震作用，抵抗过程中基座连接处屈服但未发生明显破坏。James F等也对采用螺栓连接的装配式结构连接节点的动力性能进行了系统研究，为螺栓连接在新型装配式建筑中的应用提供了依据。

加州大学戴维斯分校Chai Y H、John D Anderson[2]为研究低层模块化住宅中轻质混凝土墙板的抗震性能，分别对单块墙板和两块墙板组成的墙体进行拟静力试验。试验结果表明，两组墙体的抗侧刚度和水平承载力均较大，延性系数为2～3。在设计地震作用下，该剪力墙抗侧承载力较大并仍处于弹性范围。

2009年，美国Rocky Mountain Prestress公司[3]开发出一种新型装配式建筑结构体系，成功应用于科罗拉多州威斯汀酒店项目。该新型结构体系主要包括预应力楼板、柱、肋板、楼梯以及梁等五种装配式构件，采用了带柱帽混凝土柱和外置钢筋螺纹套筒连接，提高了构件的安装速度，避免了焊接和螺栓连接带来的后期保养问题。

2012年，Ioani A和Tripa E等人[4]提出了一种采用浆锚套筒连接的新型装配式无梁楼盖框剪结构，该结构的墙柱采用钢筋搭接，安装就位后再浇筑混凝土，楼板与柱子之间则是采用螺栓连接。研究者对该结构体系进行了墙体受力静力试验和1∶4五层建筑模型振动台试验研究，结果表明该结构可以满足相关抗震设计规范要求。

Tony和John B等[5]对两个1∶2缩尺装配式剪力墙模型试件进行了试验研究。其中一组试件采用碳纤维束与普通混凝土进行部分预应力连接，另一组试件则通过预留底座坑槽灌浆来模拟现浇。试验结果表明，部分预应力连接的试件残余变形较小，破坏不大；模拟现浇的试件其连接的整体性良好，可等同现浇，但残余变形较大，破坏严重。

2016年，韩国首尔大学Lim W Y和Tomas Kang等[6]针对低层建筑提出了一种采用螺栓、钢板连接件的新型T型剪力墙，该结构受力筋与分布筋可以与螺母配套连接，实现了预制构件内上、下受力筋的连接。研究者对两组预制墙体试件进行了低周往复加载试验，试验中螺栓、钢板连接件的变形占墙体总体侧移变形的90%，远大于其它侧移变形；螺栓节点的承载力、延性及耗能能力可以满足低层建筑使用要求。

Todut C和Dan D[7]开展了关于开洞预制混凝土墙体的试验研究。在试验过程中，墙体均出现了裂缝、钢筋屈服以及混凝土压碎的现象；钢筋屈服时的剪力要比规范计算值大，但混凝土实际承担的剪力则比规范计算值小；预制墙体开洞越小其表型出来的耗能能力越好，延性越大。另外，研究者建立的有限元模型也能与试件相吻合，结果基本一致。

Sri Sritharan等[8]提出了一种带端柱的预制混凝土墙结构，预制混凝土墙通过“O”型连接器与两端柱体相连，能有效抵抗水平荷载、减少残余位移和结构损伤。作者对该新型结构进行循环荷载试验，结果表明：带端柱的预制混凝土墙水平抗侧承载力和刚度大于传统现浇混凝土墙；试验过程中预制墙受到较小的损坏，而端柱没有损坏；特殊设计的“O”型连接器性能良好，增加了结构的耗能能力。

Lim等研发了一种新型的T型装配式混凝土剪力墙，上下两剪力墙通过六角螺母和法兰连接，作者对两个2/3比例的有和没有对角钢筋加固的装配式混凝土剪力墙试件进行循环荷载试验。结果表明，没有对角加固的试件在侧向刚度、承载力和延性方面表现良好，对角加固不利于试件的延性和耗能能力。此外，上下面板之间的螺栓连接在试验结果中被证明是可靠的。

Pablo Ramirez等对部分灌浆钢筋混凝土砌体剪力墙进行循环荷载试验。通过试验评估墙体长宽比、配筋率、轴压比等因素对结构的刚度、抗剪强度、位移延展性和耗能性能的影响。提出了部分灌浆钢筋混凝土砌体剪力墙的损伤演变过程和承载力计算表达式。

Bruno Dal Lago等[9]通过一系列非线性结构分析，研究了新型轻质预制混凝土墙体系的结构性能。采用二维损伤敏感单元模型，研究了墙体单元的轴压和弯曲性能，该模型可以估计裂纹形态，并定义单调的承载力曲线。研究了不同配筋方案对墙体结构性能的影响，并在此基础上提出了一种新的解决方案，以提高剪力墙在地震作用下的延性。

Trevor K Nye等[10]研究了一种用玻璃纤维增强复合材料板连接预制混凝土墙的方法，并对八个试件进行准静态循环荷载试验，探讨复合材料连接板数量和表面压力、碳纤维增强聚合物铆钉、混凝土表面处理方法对墙板连接能力的影响。结果表明：在连接板表面施加压力、增加连接层数量、处理混凝土表面、用钉锚增加连接板的强度等措施均能提高预制混凝土墙体的抗侧承载力和延性。

Pouya Seifi[11]等对7个灌浆金属管连接的全尺寸预制混凝土墙板进行循环荷载试验，探究轴向荷载、墙板几何形状、墙板间拼接等对墙板抗侧承载力的影响。结果表明，双层钢筋加强层的墙板破坏发生在连接处，而单层钢筋加强层的墙体破坏发生在墙板本身；墙体长度较长且具有较大轴向荷载的试件，破坏时墙板底部混凝土大面积剥落，导致金属导管脱落；在金属导管附近设置箍筋能有效增强墙板连接处的强度和延展性，防止发生脆性破坏。

2 国内装配式混凝土墙体研究

近20年来，国内学者对装配式混凝土墙体进行了系列的研究。

许淑芳等[12]以空心钢筋混凝土剪力墙为研究对象进行静力加载试验，研究其在平面外偏心受压情况下，不同偏心距和长细比试件的破坏机理和变形特征。试验结果表明：偏心率小于0.3时试件破坏为小偏心破坏，偏心率大于0.6时试件破坏为大偏心破坏；正截面承载力计算时，可将圆管简化为方管进而把截面简化为工字型截面；平面外刚度由于空心管的存在有所降低，当长细比过大时，应考虑纵向弯曲对承载力的影响。

董华等[13]对五榀1/2比例的密肋复合墙体进行竖向加载试验，并建立了密肋复合墙体有限元模拟，研究其在竖向荷载作用下的破坏过程、破坏模式及竖向变形能力。结果表明：竖向荷载作用下肋梁不承担竖向荷载，仅起到拉杆的作用，边框柱和肋柱是复合结构的主要承力构件，砌块只承担小部分荷载，对墙体起到一定的支撑作用。通过有限元模拟，给出了砌块对密肋复合墙体轴心受压承载力提高系数的计算公式。

2007年，同济大学吕西林及上海城建实业集团董宇光等[14]对型钢混凝土(SRC)剪力墙的抗剪承载力进行反复加载试验及计算公式研究。试验结果表明，中部配置了型钢的新型SCR剪力墙抗震性能更好。基于试验结果，研究者还建立了SCR剪力墙的恢复骨架曲线数学模型，提出SCR剪力墙的抗剪承载力计算公式。通过将试验结果与公式计算结果进行对比，验证了该公式的合理性。

陶松平[15]在已有的正截面受弯、斜截面受剪承载力试验结果的基础上，研究不同因素对剪力墙正截面与斜截面承载力的影响。研究表明：墙板的承载力随偏心距的增大而降低；随着剪力墙剪跨比的增加，正截面承载力减小且减小得很快，试件破坏时，剪跨比为1.0时试件属于剪切破坏，剪跨比为1.5时试件属于弯剪破坏，剪跨大于2.1时试件属于弯曲破坏；墙板承载力随配筋率增加而线性增加，但配筋率过大时承载力不再增加；反复荷载并未降低剪力墙的正截面受压承载力。

张薇敬等[16]通过两个预制圆孔板剪力墙试件的轴心抗压试验研究其竖向承载能力及破坏模态。试验中预制圆孔板剪力墙的破坏形态与普通钢筋混凝土轴心受压相似，在墙板上部沿圆孔空心处出现竖向裂缝。用混凝土设计规范计算出的试件正截面受压承载力与试验得出的极限承载力相吻合，此新型剪力墙板轴心受压承载力达到4 000 kN，可适用于9层住宅。

2011年，哈尔滨工业大学姜洪斌课题组与黑龙江宇辉建设集团有限公司[17]合作研发了预制钢筋混凝土剪力墙结构，并对一栋三层足尺模型进行拟静力试验，试验中采用力-位移混合控制加载制度对模型进行低周往复加载，最后得到相应滞回曲线、刚度退化曲线及各级加载下刚度退化数据。分析结果表明，该结构在出现可见微裂缝前刚度退化十分明显，变形能力较强，可提高结构整体的抗震耗能能力。

孙魏巍等[18]对两榀八层新型后张无粘结装配式短肢剪力墙进行拟静力试验。结果表明：该剪力墙的破坏集中在连梁与墙肢的结合部位，地震作用下连梁大部分保持弹性，有利于震后修复。

许铭等[19]采用有限元软件对全装配式剪力墙结构体系进行精细非线性有限元建模，通过与试验结果对比，验证了有限元建模的合理性。并与相应的现浇混凝土剪力墙进行比较，分析了轴压比、墙板尺寸、材料强度等参数对墙体结构的影响，提出了全装配式剪力墙结构刚度折减系数和承载力折减系数的计算公式。

薛伟辰等[20]开发了一种竖向连接为螺栓连接的大开间装配整体式混凝土剪力墙体系，对三片足尺的剪力墙进行低周反复试验，对其跨中和边跨的抗震性能进行研究。研究结果表明：螺栓连接装配整体式剪力墙发生受弯破坏，最终破坏形态是墙体接缝处受压侧混凝土压碎，竖向钢筋屈服；螺栓连接的剪力墙滞回曲线比现浇剪力墙的滞回曲线饱满，抗震性能较好；螺栓连接的装配整体式混凝土剪力墙的位移延性优于现浇混凝土剪力墙。

2014年，东南大学肖全东[21]对装配式混凝土双板建筑体系(DWPC建筑体系)提出构造改进措施，并对改进后的DWPC墙体进行了试验及有限元分析。试验设计了11片DWPC剪力墙足尺试件，并对其进行低周反复水平加载，再对比各组试验数据和破坏特征。试验结果表明，该种DWPC剪力墙的抗震性能良好，其开裂荷载和峰值承载均有所提高，但变形能力有所减弱。

2015年，武汉理工大学王小平、周强[22]提出一种全螺栓连接装配式混凝土结构(BPC结构)，并对该结构体系墙体的抗侧性能进行试验研究及有限元分析。试验中对两片BPC结构墙体进行水平低周往复加载，结果显示：该墙体水平承载力很大，达550 kN，滞回曲线呈倒S形，能量耗散系数为0.5左右，墙体延性系数为1.7～1.8。通过建立BPC结构墙体的ABAQUS有限元模型，将模拟结果与试验结果对比验证了该模型的合理性，并进行参数变化分析。分析结果表明轴压比和组成墙板数量对BPC结构墙体的初始抗侧刚度、屈服荷载和峰值荷载影响较大。

2016年，清华大学李宁波、钱稼茹等人[23]为研究部分竖向分布钢筋套筒挤压连接预制剪力墙的抗震性能，对3个预制墙试件和1个现浇墙试件进行了拟静力试验，其中一片预制墙采用全部竖向分布钢筋套筒挤压连接，其余均为部分竖向分布钢筋套筒挤压连接。结果表明，4个试件均以压弯破坏为主，位移角大于1/150时，现浇墙试件的正截面受压承载力、弹塑性变形能力的安全储备大于预制墙试件；位移角大于1/70时，预制墙试件正截面受压承载力试验值与计算值之比大于1.1；位移角小于1/75时，各预制墙试件的水平力-位移滞回曲线差别不大、骨架线基本一致。

王怀远[24]利用试验与有限元结合的方法，对泡沫混凝土复合墙体承载力和抗震性能进行研究。试验与分析结果表明：进行水平拟静力试验时，泡沫混凝土复合板的极限承载能力是砌块墙体的2.4倍左右；由于泡沫混凝土的多孔性使其拥有良好的耗能能力；地震作用下复合墙体的破坏形式为剪切破坏。根据试验和模拟结果，作者提出了墙体的恢复力模型和抗震承载力验算表达式。

2017年，东南大学孙建等[25]对一种采用高强度螺栓以及钢件连接的新型全预制装配式剪力墙结构抗震性能进行一系列试验、数值模拟以及计算式研究。试验证明了螺栓连接方式的可行性和可靠性，并从强度、刚度、延性及耗能能力等方面验证了新型剪力墙的抗震性能。基于试验结果及规范方法，其建立了墙体水平接缝抗剪承载力的计算模型，并给出了相应计算公式。对比结果表明，该装配式剪力墙承载力的计算值与试验值较为一致。

2019年，中国矿业大学黄灿灿[26]通过拟静力试验和ABAQUS有限元分析模拟相结合的方法，研究了竖向分布钢筋部分连接的混合装配式剪力墙的抗震性能，并与现浇剪力墙进行对比分析。试验结果表明，混合装配式剪力墙竖向分布钢筋采用部分连接其抗震性能优于现浇试件具有可行性。同时，预制构件承载能力会随分布钢筋连接数量增多而略微提高，竖向分布钢筋连接数量则基本不影响接缝处的相对侧移。研究者还结合试验及有限元分析结果和施工工艺，提出改进预制剪力墙构件设计方法及施工要求的方法。

李思婷等[27]以全螺栓连接装配式混凝土结构的标准墙板为对象，对预制混凝土夹芯墙板进行轴心和偏心荷载试验，并且建立有限元模型分析。结果表明：轴压和偏压试验中，混凝土夹芯墙板的破坏为脆性破坏；偏心加载时，荷载主要由加载页承担，非加载页几乎不承受荷载；由于混凝土开孔导致该处应力重分布和应力集中，墙板的破坏最先发生在螺栓孔附近。

3 结 论

a.装配式混凝土剪力墙的研究主要集中在新型墙体或新型连接方法墙体的试验研究和理论分析上。

b.目前新型装配式混凝土剪力墙的做法大致包括：轻质装配式混凝土剪力墙、预制空心钢筋混凝土剪力墙、预制夹芯混凝土剪力墙、预制密肋复合剪力墙、型钢混凝土剪力墙和预制叠合混凝土剪力墙等。

c.根据文献，目前装配式混凝土剪力墙之间的连接方法包括：螺栓连接、钢筋套筒连接、预埋钢板连接、碳纤维束连接、玻璃纤维复合板连接和O型连接器连接等。

d.针对装配式混凝土剪力墙结构的研究内容为：竖向承载力和水平抗侧承载力、刚度的试验和有限元分析。墙体抗侧承载力和刚度的研究方式包括拟静力试验、缩尺振动台试验和有限元分析；考虑的影响因素为：墙体长宽比、配筋率、轴压比、偏心率、剪跨比及不同连接方式等。