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1、西安科技大学硕士生学位论文开题报告研 究 生 学 号: 研 究 生 姓 名: : : 结构工程 年 级: 院 系建筑与土木工程学院 西安科技大学研究生部制年11月27日填写预制装配式剪力墙结构连接的方法及受力性能研究1. 选题的背景及研究的意义1.1 选题的背景装配整体式混凝土结构是由预制混凝土构件或部件通过钢筋，连接件或施加预应力加以连接并现场浇筑混凝土而形成整体的结构，又简称为预制装配式结构（PC结构），属于建筑工业化、住宅产业化的范畴。上世纪50年代和70年代末，全国建筑业推行标准化、工业化、发展预制构件和预制装配建筑，兴起中国第一次PC建筑高潮，但由于初期技术不成熟，唐山地震中大量PC
2、建筑遭到破坏，使人们对预制结构的应用更加保守，且当时外墙的防水防渗技术比较落后，造成其居住的质量和使用功能较差，业内也停止了对预制技术的研究，PC技术逐渐退出建筑市场。国内停止发展PC建筑的同时，PC技术在境外得到了迅速发展和广泛应用，在地震频发的日本和台湾地区，PC建筑甚至表现出了较现浇结构更好的抗震性能。在PC住宅的抗震问题得到解决的同时，防水、防渗等主要问题也得到了很好解决，而且工业化的生产方式使PC住宅在质量方面较现浇结构更具优势，PC住宅已成为品质住宅的代名词。过去的二三十年中，我国住宅以传统的现浇方式为主，这种方式耗费能源、耗费材料、污染大，同时工期长、成本高、浪费严重。“十二五”
3、规划提出我们要“建设资源节约型、环境友好型社会” ，这就要求我们在建设活动中保护环境、节约材料、降低成本、发展低碳建筑以及减少对周边环境的影响。近几年我国“建筑工业化、住宅产业化”的步伐明显加快，建筑行业作为国民经济支柱之一，对我国经济发展有着重要作用。建筑行业所遇到的挑战在近些年不断加大，如劳动力短缺及成本上升、资源紧缺、节能环保等，这些问题导致建设行业周期延长，利润降低，制约建筑业积极向前发展。这些问题使得政府和企业不得不考虑通过提高自动化水平来提高建设效率。建筑工业化的建设模式正式解决这一问题的有效途径之一。在“建筑工业化、住宅产业化”的进程中，政策的导向作用必不可少。1999年，国务院
4、办公厅下发了关于推荐住宅产业化提高住宅质量的若干意见，住宅产业化的概念在我国首次被正式提出，该意见强调住宅建设必须做到节能、节地、节水、节材，重视对环境的保护等。2010年，国家建筑工业行业标准装配式住宅建筑设计规程编制组在北京成立，与此同时召开了第一次工作会议，标志着装配式住宅标准进入了编制程序。2012年，北京拟出台装配式剪力墙结构设计规程。截止2012年9月，全国先后批准建立了27个国家住宅产业化基地。目前，我国在逐步推广装配式结构，以此来推动住宅建设工业化的发展。当前，我国正在大规模推进保障性住房的建设。该项目主要由政府投资，其具有户型面积小、建筑设计简单等特点，十分适合工业化、标准化
5、生产。这对推进住宅建设工业化和装配式住宅的发展提供了一个很好的平台。1.2 研究意义国内从上个世纪90年代重新开始了装配式结构的研究，相对欧美、日本等国家来说起步较晚，对装配式结构的相关试验、数据资料及实践应用都存在很大的不足。这需要我们投入大的精力与人员去研究与实践。在我国当前的住宅建设中，无论是多层砖混结构还是高层混凝土结构，混凝土结构的施工还大都采用现浇的体系方式。这种体系在建设工程领域得到了广泛的认可，并被大量使用，具有技术成熟、经验丰富、造价较低的优势，但传统的住宅建造方式手工操作多、劳动强度大，施工工期长、生产效率低，资源浪费严重，成本不易控制，工程质量难以保证，现场管理难度大。与
6、传统的住宅建造方式相比，装配式住宅采用工业化的生产方式来建造，将部分甚至全部构件在工厂预制完成，运输到施工现场，通过可靠有效的连接方式将构件拼装而成。其具有明显的特征：工厂预制、现场装配，外墙分项施工可在工厂直接把结构、保温、装饰一体化预制形成整体。装配式住宅的建造方式有着多方面的优势。一是生产效率大大提高。主体构件的梁板柱墙在工厂里集中化、工业化、流水线式大规模生产，生产效率的提高将会是显而易见的。工厂化生产，就像电子产品的制作一样，可以利用先进的现代技术，进行自动化生产和计算机的智能控制，这将在很大程度上提高建筑领域的现代化水平。二是建造工期缩短。主要构件都是在工厂提前预制成形，只需将其运
7、到现场进行有效的组装，这将大大缩短建设工期。据相关数据表明，建筑工人可减少50%左右，建设工期缩短40%以上；传统方式的用工高峰期需工人月240人左右，而采用工业化方式建造同等规模的工程只需要70人左右，这在很大程度上节省了人力、财力。三是产品质量显著提升。结构构件在工厂预制，基本消除了现浇方式常见的开裂、空鼓、尺寸偏差等质量方面的通病，全面提升了住宅的质量。四是节能减耗效果显著。大量构配件采取预制方式，施工现场模板、脚手架用量大大减少，可达60%70% 。减少用水量约20% ，用电量约15% 。预制构件尺寸精确，表面平整，省去了构件表面的粉刷层，节约材料的同时又减轻重量。利于环境保护。长期困
8、扰市民的建设工地噪音、粉尘污染、物料抛洒等问题，都将得到很好的解决，现场实现现代化管理，文明施工1。2 预制装配式结构的研究动态及发展趋势目前发展的预制装配式混凝土结构，应是完全满足国家现行有关标准的要求，甚至比现浇结构具有更好的安全性、适用性和耐久性。结合国内外的研究和应用经验来看，可采用预制装配式框架结构、预制装配式剪力墙结构、预制装配式框架-现浇剪力墙结构体系。承重构件可以全部为预制构件或者预制与现浇构件相结合。预制装配式框架剪力墙结构，以美国技术为代表，突出预制预应力构件在高层大跨度建筑中应用优势，我国目前多以叠合楼盖的局部应用为主，竖向构件尤其是剪力墙的预制装配在抗震设防裂度较高地区
9、的高层建筑中应用还有许多问题需要研究。预制装配式框架结构目前以日本技术为代表在高层、超高层建筑中应用比较广泛和成熟，一般结合隔震减震技术协同作用设计，主要为标准化预制柱、叠合梁板构件，适宜采用工业化方式建造。该技术在我国的高层建筑中应用还不成熟，理论研究和工程实践还比较缺乏，现阶段实施难度较大。预制装配式剪力墙结构，以东欧技术为代表曾在中高层建筑中得到广泛应用，但抗震性能方面需要完善提高；目前我国采用的装配式剪力墙结构，主要以预制外墙和叠合楼盖为主的装配整体式剪力墙技术，强调接近现浇结构的抗震设计方法和装饰、保温一体化预制外墙集成技术，该体系目前已成为我国高层住宅的主要实施方案。预制装配式剪力
10、墙结构可以分为全预制剪力墙结构、部分预制剪力墙结构以及适用于低多层建筑的剪力墙结构。国外在预制装配式剪力墙结构性能方面的理论研究有一定的积累。Pekau等2对一受损的6层预制混凝土剪力墙结构，在瞬时荷载作用下动态响应进行研究，其中瞬时荷载是模拟的室内煤气爆炸，并进一步基于有限元分析，对遭遇局部墙板破坏后的整体结构抗连续倒塌性能进行研究，研究发现: 当考虑所有响应参数，并在全部倒塌时间内进行分析时，动态响应因子的变化幅值较大，参数的平均动态响应因子影响受损整体结构的承载力，即竖向连接的延性要求和水平连接的最大承载力应在1.4至2.0的范围内，个别值达到4。Mochizuki3对多层预制混凝土剪力
11、墙竖向接缝的抗震性能进行了试验研究，通过试验结果分析得出，预制混凝土剪力墙的最大荷载受到水平、竖向接缝约束条件的组合影响，极限荷载与水平接缝的约束条件（包括销钉作用）有关，对于水平接缝布置销键的试件，达到最大荷载的刚度与是否布置传力杆无关。Pekau4通过谱分析和有限元分析研究一幢12层预制剪力墙结构的抗震性能，通过分析得出，含竖向接缝的预制剪力墙对其抗震响应影响不太显著，与相等基本周期的整体墙响应很接近。竖向接缝设计主要考虑其抗剪承载力，轴力相比其抗剪承载力而言，不超过抗剪承载力的60%。Harry5等针对预制混凝土大板结构，提出了一种适用于预制混凝土剪力墙的缩尺动力模型，包括设计、施工、测
12、试等过程，通过拟静力试验发现，相比结构连续倒塌设计要求的抗剪承载力，试验值随着接缝配筋率的不同而变化幅值较大，试验值最高可以达到设计值的3.6倍；同时随着竖向接缝面积的增大，模型的抗剪延性进一步提高。 Oliva等6分别在美国和南斯拉夫进行了大板结构(试件均为3层)振动台和拟静力试验，通过理论和试验分析了这2种不同试验的相关性，对比分析试验结果得出，振动台试验和拟静力试验所得位移承载力曲线、破坏机理较一致。但同时存在3个本质不同点，即拟静力试验表现出更好的耗能性，翼缘的受力响应存在不同，振动台试验中墙板两端的破坏特征不对称。Nazzal7研究了轴向荷载对多层预制承重剪力墙结构滞回性能的影响，试
13、验研究得出滞回环的大小随着轴向荷载的增加而减小，分析结果显示轴向荷载对其滞回性能绝对值并没有影响，与试验结果不一致的原因是由于轴力的存在导致输入结构的能量增加，使得滞回环大小明显减小。最后提出一个耗能因子，基于该因子的计算结果与试验结果吻合较好。在结构构件方面，Yahya等8对无粘结后张法预制混凝土墙的水平荷载性能及抗震设计进行研究。Pekau等9提出了一种改进的离散单元模型来模拟预制剪力墙板，其中考虑了局部墙板倒塌持时的影响，研究得出局部倒塌的持时在性能分析不容忽视。Khaled等10对5种不同钢筋连接方式的预制混凝土剪力墙进行压弯拟静力试验研究。Chakrabarti等11进行了预制墙板竖
14、向接缝的29个试件试验研究，考察了竖向接缝的抗剪能力和剪切刚度。Bhatt12基于纽马克不完整的耦合理论，对开洞和未开洞预制剪力墙中竖向接缝对连接刚度的影响进行分析。国内在预制装配式剪力墙结构性能方面的理论研究也取得了一定的成果。尹之潜等13对一个1/5缩尺的10层装配式大板结构模型和一个1/6缩尺的14层装配式大板结构模型进行了振动台试验，当输入El Centro地震波后，发现结构的破坏主要发生在预制构件连接的部位，说明连接位置是装配式结构的薄弱部位。当输入双向地震作用时，对应模型的边缘构件破坏比单向地震输入时要严重，建议实际结构的角柱应适当加强。姜洪斌14对一个3层足尺预制混凝土剪力墙进行
15、了拟静力子结构、拟动力子结构试验研究，研究结果表明，采用插入式预留孔灌浆钢筋搭接连接的结构具有良好的恢复力特性，结构开裂后刚度下降缓慢，无突变，开裂部位出现在底部弯矩最大处，可以采用现浇混凝土设计规范进行受力计算，层间位移比满足高层结构水平位移限制。根据PKPM 试算结果得出，在规定的高度范围内结构在小震作用不会发生明显破坏。中国建筑科学研究院陈惠玲等15对预制整体带边框剪力墙在水平往复荷载作用下的强度和延性进行研究，通过试验结果，对预制剪力墙的抗裂性、裂缝开展、带边框剪力墙强度计算、墙的恢复力曲线、水平位移和延性进行了分析，提出该结构形式可用于新建的预应力、普通钢筋混凝土多高层框架房屋的抗震
16、结构体系，也可用于旧建筑震后的修复与加固。陈彤等16介绍了一栋抗震设防烈度为8 度的装配整体式剪力墙结构高层住宅建筑的设计，对其结构性能目标、整体设计原则、结构抗震验算、预制墙板设计等问题给予阐述。文中指出完全等同现浇剪力墙结构，不考虑预制墙板的结构功能的做法都会使问题简化，然而对结构设计都是不经济和不合理的。建议装配式建筑规范修编时适当考虑基于性能目标的设计方法。陈锦石等17对一个4层的全预制装配整体式剪力墙结构空间模型进行了低周反复荷载试验研究，模型为1/2缩尺，试验结果表明，试件承载力及刚度均远高于规范要求及设计结果，屈服荷载远高于设计地震剪力，试件在中震作用下仍保持弹性状态，满足大震不
17、倒的设防目标。在实际应用方面（见图1），万科集团较早即开始了工业化住宅建造技术的探索和试点，先后向香港及日本学习，目前主要形成了两大技术：1.PC( precast concrete ) 技术，该技术主要用于全预制混凝土构件，如阳台、楼梯、空调板、部分内隔墙板等；2.PCF( precast concrete form ) 技术，即预制混凝土模板技术，该技术主要用于预制混凝土剪力墙外墙模以及叠合楼板的预制板等。中南集团引自国外预制混凝土技术，结合我国设计要求，形成了具有自身特色的NPC( new precast concrete) 技术体系。宇辉集团基于剪力墙竖向连接专利技术“插入式预留孔灌浆
18、钢筋搭接连接”，形成了装配整体式预制混凝土剪力墙结构技术。西伟德混凝土预制(合肥)有限公司引进德国“double-wall precast concrete building system”技术，形成了叠合板式混凝土剪力墙结构，结构构件分为叠合式楼板、叠合式墙板以及预制楼梯等18。预制装配式剪力墙结构的研究和应用取得了很大的进步，但还有很多问题，需要去进行更细致、深入的研究：（1）随着预制装配式混凝土剪力墙结构应用范围的扩大，会在一些抗震设防区域使用，或者随国家地震区划图的调整，使得原有建筑的抗震设防标准提高，因此，仍需对预制装1.PC楼梯 2.剪力墙接缝连接图1配式剪力墙的抗震性能进行深入研
19、究，其抗震性能的好坏是该结构形式得以推广应用的关键问题。（2）相对于装配式框架结构，预制装配式剪力墙结构存在更大量的水平接缝、竖向接缝、边框节点等连接问题，有效、可靠、施工方便的连接方式是保证装配式剪力墙结构安全、正常工作的前提，目前对于连接方式主要集中在“湿连接”，而对于“干连接”的研究较少。（3）对现浇剪力墙国内外进行了大量带边框的组合剪力墙结构试验研究，例如型钢边框、钢管混凝土边框、钢筋混凝土柱边框等，结果表明带边框组合剪力墙结构能够改单一抗震防线为多道抗震防线，可以有效提高剪力墙的整体抗震性能，因此，可以将带边框的形式应用于装配式混凝土剪力墙结构，目前国内外对此研究较少，对其节点、接缝
20、、整体试件的受力性能及抗震性能值得深入研究。（4）虽然国内颁布了一些地方的预制装配式剪力墙规范标准，但仍需出台一套完整预制装配式混凝土剪力墙结构设计、施工、抗震的国家级规范或行业标准19。3. 研究内容、研究方案及主要技术路线3.1 研究内容预制装配式剪力墙结构，存在大量的水平接缝、竖向接缝等接缝连接问题。根据相关试验研究表明，接缝连接处是预制装配式剪力墙结构的薄弱部位，因此如何对接缝进行有效、可靠的连接就尤为重要。针对预制装配式剪力墙接缝的连接，分析对比已有的连接方式在受力性能、抗震等方面的优势与不足，并对我国目前在实际工程中使用的连接方式进行统计比对，通过有限元模拟分析，提出改进与提高的有
21、效建议。主要的工作如下：（1）分析对比当前国内外预制装配式剪力墙的接缝连接技术。通过大量分析对比，探讨各自的优缺点。（2）结合我国目前的建筑行业状况，对国内目前所使用的典型接缝连接方式的受力性能进行有限元分析。（3）结合数值分析结果，对当前工程中所使用的连接方式提出改进方案或建议，以改进提高预制装配式剪力墙结构接缝处的性能。3.2 研究方案本论文研究工作以基本理论为指导，以大量已有试验数据与工程实践数据为基础，通过有限元软件ANSYS的有效模拟，对接缝的连接进行研究分析。（1）查阅国内外的相关资料，搜集预制装配式剪力墙结构接缝的试验数据，并统计分析与整理，为本课题研究工作提供依据，对比分析其优
22、缺点。（2）结合国内工程实际状况，选取具有代表性的接缝连接方式，对其性能进行数值模拟分析。（3）以分析结果为依据，在一定程度上对目前国内使用的相关接缝连接方式提出具有可行性的改进措施。3.3 主要技术路线主要技术路线见图2 。预制装配式剪力墙结构接缝构造及性能研究查阅资料，整理、统计、分析对已有接缝方式进行优缺比较对国内实际工程使用的代表性接缝方式进行模拟整理分析模拟结果结果对比，提出可改进的地方及建议图2 技术路线图4 遇到的困难和解决方法近几年我国在装配式结构方面有了很大的发展与进步，但仍处于起步阶段，总体上处于出其理论研究的状态，工程实例也很匮乏。理论还需加强研究。预计在研究过程中会遇到
23、以下一些问题：（1）预制装配式结构目前还没有标准的国家规范，相关规范的选取需要认真准备，以确保研究结果符合目前国内相关规范。（2）预制结构构件在现场装配后，都有一定程度的现浇部分，模拟时需考虑到预制部分与现浇部分结合面的处理方法。（3）如何有效的对所提连接方式进行模拟，以使其结果具有一定的参考意义。在研究中还会碰到各种各样的问题，这需要导师的悉心指导和帮助，同时必须查阅大量的文献资料，学习总结已有的成果与理论，并提高自己在数值模拟分析方面的能力、专业理论水平，最终完成本课题的研究任务。5 预期达到的目标通过对本课题的研究，预期实现的目标有:（1） 对国内在有抗震要求的地方使用预制装配式剪力墙结
24、构的可行性有相关结论；（2） 掌握预制装配式剪力墙结构接缝处的受力机理；（3） 能够提出切实可行，对实际工程使用中有价值的改进措施和建议。6 工作量及经费来源本课题需查阅、分析和总结大量现有的文献资料，建立精确的有限元模型，进行计算、分析。相关经费根据学校划拨的科研经费进行安排，同时自筹部分经费。7 进度安排（1）2013.09-2013.11 收集、查阅有关资料，编写开题报告。（2）2013.12-2014.03 对工程实际及试验数据统计、分析。 （3）2014.04-2014.08 进行有限元模拟计算。（4）2014.09-2014.11 分析结果，完成论文初稿。（5）2015.12-20
25、15.03 对论文初稿进行修改与补充，最终定稿，答辩。8 参考文献1 孙广秀，马晓蕊，张卫琴，孙林建造装配式住宅推进住宅建设工业化 J.住宅科技，20102 Pekau O A，Zielinski Z A，Lee A W K，et al Dynamic effects of panel failure in precast concrete shear wallsJACI Structural Journal，1988，85( 3 ): 2772853 Mochizuki SExperiment on slip strength of horizontal joint of precast c
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