2.2.1 混凝土与混凝土之间传力
在装配式结构中，混凝土与混凝土之间的传力主要发生在预制构件之间的直接接触或预制构件与后浇混凝的接触中。上述两种混凝土接触方式均能够直接传递剪力、压力或是压剪组合力，但是不能直接传递混凝土之间的拉力，拉力往往需要通过锚固钢筋、金属预埋件、螺栓、焊接材料等间接地传递到相邻混凝土中；传递剪力时，往往需要对混凝土结合面进行一些构造处理（如结合面凿毛、设置键槽、注浆等）来提高结合面的受剪承载力；压力则在混凝土之间直接传递，有时也需要借助一些中间材料的转换来实现。根据目前常用的装配式混凝土结构构件连接形式及其构造，混凝土与混凝土之间的传力方式主要有新旧混凝土结合面抗剪传力、抗剪键抗剪传力、支承作用传力以及依靠焊接、螺栓、预应力筋等材料间接传力。
1）新旧混凝土结合面抗剪传力
此处提到的新旧混凝土结合面是指装配整体式混凝土结构中预制构件与后浇混凝土接触的面。该接触面为凿毛粗糙面，结合面受剪钢筋预埋于预制构件中，垂直于该接触面并在后浇混凝土和预制构件中充分锚固，接触面上未设键槽，且结合面仅有剪力作用。
研究表明，新旧混凝土结合面在外力作用下接缝从受剪到破坏的全过程荷载-滑移关系如图2.4所示，图中纵坐标为结合面承受的剪力，横坐标为结合面两侧混凝土的结合面方向的相对滑移量。新旧混凝土结合面受剪的全过程根据结合面主要受剪承载力来源不同分为3个阶段：黏结力抗剪传力阶段、剪摩擦抗剪传力阶段、钢筋销栓抗剪传力阶段。
图2.4 新旧混凝土结合面全过程剪力位移关系示意图
根据国内外学者的相关研究，针对图2.4新旧混凝土结合面的剪力位移关系需满足以下基本假定：
①结合面的混凝土挤压力完全由钢筋拉力提供。
②达到剪摩擦峰值荷载时，假定穿过结合面的纵向钢筋全部屈服。
③结合面的受剪承载力由3个部分组成，新旧混凝土结合面黏结力、剪摩擦力、钢筋销栓力。
（1）三阶段分析
①第一阶段：黏结力抗剪传力阶段。
图2.5 新旧混凝土机械咬合力示意图
当结合面刚开始受到外部剪力作用时，结合面剪力较小，由于结合面是凹凸不平的混凝土粗糙面，新旧混凝土颗粒骨料之间相互咬合抵抗外力，结合面没有产生裂缝，即图2.4中的原点到1点的阶段。该阶段的外界剪力主要是由混凝土颗粒之间的机械咬合力、范德华力和材料之间化学作用的作用组合与之平衡（图2.5），即第一阶段结合面受剪承载力的主要来源是黏结力。
②第二阶段：剪摩擦抗剪传力阶段。
当外界对结合面施加的剪力继续增大，且超过图2.4中1点对应的剪力V1（结合面开裂荷载）时，结合面产生裂缝，新旧混凝土沿着接缝方向产生细微的相对错动，此时结合面受剪由第一阶段转为第二阶段。
由于新旧混凝土表面粗糙，当结合面发生沿接缝方向的相对错动时，结合面两侧混凝土受到骨料颗粒的阻碍而产生沿接缝法向的相对位移，新旧混凝土沿接缝法向的分离使得与结合面垂直的锚固钢筋受拉。相应地，结合面受到反向的压力作用，从而使结合面具备了受压抗剪的能力，称之为剪摩擦抗剪，如图2.6所示。另一方面，随着新旧混凝土沿接缝方向相对错动的增大，与接缝垂直的锚固钢筋在接缝处产生轻微的弯曲变形，接缝处锚固钢筋的拉力在垂直于接缝方向产生的分力使结合面受压，形成剪摩擦抗剪，而与接缝方向相平行的分力能够直接与外力相平衡，形成钢筋的销栓抗剪，如图2.7所示。
图2.6 结合面剪摩擦抗剪示意图
图2.7 钢筋销栓抗剪示意图
由于第二阶段新旧混凝土的相对位移不大，受拉锚固钢筋在接缝处产生的弯曲变形较小，所产生的沿接缝方向的分力值较小，也就是钢筋的销栓作用力较小，即该阶段结合面受剪承载力的主要来源是剪摩擦抗剪。
a.受压抗剪原理。
受压抗剪也就是混凝土结合面的摩擦抗剪，当粗糙的混凝土结合面上同时存在弯矩或压力与剪力共同作用时，粗糙面之间的相互挤压使得结合面具备一定的抗剪能力，其受剪承载力的大小与结合面的正向压应力大小以及结合面的摩擦系数有关。即接缝在受压抗剪传力时其受剪承载力大致为截面压力与摩擦系数的乘积，如下式所示：
式中：为受压抗剪的抗剪强度设计值；σ为法向压应力；μs为摩擦系数，与结合面的粗糙程度、材料等因素有关。
b.剪摩擦原理。
剪摩擦理论是由美国Birkeland教授提出的，是指当剪力作用于混凝土裂缝界面，且界面发生相对滑移时，如果界面粗糙且不规则，则界面在相对滑移的同时会发生相对分离，从而在穿过裂缝界面的锚固钢筋中产生拉力，反过来给混凝土界面施加压力，使结合面具备受压抗剪的能力，作用于界面上的剪力将被主要由压力所产生的混凝土界面摩擦力抵抗。在剪摩擦作用下结合面能够抵抗的剪应力大小应为结合面压应力与摩擦系数的乘积，如下式所示：
式中：为剪摩擦抗剪强度设计值；μs为摩擦系数，可按照《美国混凝土结构建筑规范》（ACI 318M-05）中的相关规定来确定；ps为单位面积内贯穿结合面的正交钢筋的面积；fy为钢筋强度设计值。当摩擦抗剪钢筋与剪切面倾斜时，剪摩擦抗剪强度按照《美国混凝土结构建筑规范》（ACI 318M-05）的相关规定进行计算。
由此可见，相较于受压抗剪，贯穿于结合面的锚固钢筋也是剪摩擦抗剪强度的重要影响因素，其值随着锚固钢筋直径、数量、强度的提高而提高。除此以外，它还与钢筋在混凝土中的锚固程度有关系，当锚固钢筋不能充分锚固时，剪摩擦不能使钢筋完全屈服达到上式所计算的抗剪强度。
c.钢筋销栓抗剪原理。
图2.8 钢筋销栓抗剪示意图
钢筋销栓抗剪是指当有锚固钢筋贯穿的接缝两侧混凝土发生一定距离的相对滑动时，贯穿结合面的钢筋通过自身的弯曲变形产生拉力，在接缝处弯曲钢筋的拉力在沿着接缝方向的分力直接抵抗外力。钢筋销栓抗剪是结合面发生滑移变形时接缝钢筋周围混凝土受压破坏和钢筋屈服的状态，如图2.8所示。我国钢筋销栓作用的受剪承载力计算公式主要参照日本的装配式框架设计规程中的规定，以及中国建筑科学研究院的试验研究结果，并同时考虑了混凝土强度及钢筋强度的影响。
单根销栓钢筋的受剪承载力设计值如下：
当销栓钢筋承受拉力时，其抗剪能力降低，单根销栓钢筋的受剪承载力设计值如下：
式中：VUE为单根销栓钢筋的受剪承载力设计值；As为单根销栓钢筋的截面积；fc为混凝土强度设计值；fy为钢筋强度设计值；N为单根销栓钢筋承受的轴拉力。
③第三阶段：钢筋销栓抗剪传力阶段。
如图2.4所示，在1点到2点的第二阶段过程中，由于结合面相对位移较小，剪摩擦传力是结合面受剪承载力的主要来源，而钢筋销栓抗剪虽然存在但是不起主要作用。随着新旧混凝土相对位移逐渐增大，锚固钢筋逐渐达到屈服荷载，此时达到结合面受剪承载力的峰值荷载V2。2点以后，随着结合面相对位移继续增大，其受剪承载能力不再提高反而有所下降。这是因为随着锚固钢筋周围受压混凝土的压碎或是垂直于结合面的钢筋锚固松动，锚固钢筋在接缝处的弯曲变形逐渐增大，钢筋拉力沿接缝方向的分力逐渐增大，而垂直于接缝方向的分力逐渐减小，相应的剪摩擦在此阶段的作用逐渐减小，而钢筋销栓抗剪在此阶段逐渐成为受剪承载力的主要来源。
如图2.4所示，在受剪承载力由剪摩擦主导向钢筋销栓抗剪主导转变的过程中，结合面受剪承载力逐渐降低并达到开裂后的最低值V3，该点以后随着钢筋进入强化阶段以及钢筋弯曲变形越来越大，结合面受剪承载力有所上升，到达极限荷载V4以后结合面受剪承载力迅速下降，连接处产生了较大变形趋于破坏。
（2）结合面受剪承载力计算公式
通过上述三阶段分析可知，结合面前期受剪承载力主要由结合面的摩擦力提供，后期结合面两侧混凝土相对滑移量增大后其受剪承载力主要由钢筋销栓抗剪所提供。但是由于实际情况下达到钢筋销栓作用的峰值荷载时，结合面的相对位移过大，结构已经不再适用于正常使用，故设计时常常将V2作为结合面的受剪承载力进行考虑。由于该过程中黏结力、剪摩擦、钢筋销栓作用依次作为结合面的主要受剪承载力来源，所以在进行结构设计时各国对接缝受剪承载力的考虑也各不相同。
①美国ACI规范。
美国ACI（318-14）建筑规范仅考虑结合面间的剪摩擦作用，当抗剪钢筋达到屈服强度，新旧混凝土结合面之间的剪切摩擦作用达到最大，受剪承载力达到极限。受剪承载力计算公式如下：
式中：Vu为结合面剪力；Avf为穿过结合面的钢筋面积；fy为结合面钢筋屈服强度；fc为混凝土抗压强度；A为新旧混凝土结合面面积；μ为界面摩擦系数。试件为整体浇筑时，μ=1.4；结合面粗糙处理时，μ=1.0；结合面光滑时，μ=0.6；α为结合面锚固钢筋与接缝的夹角，当钢筋与结合面接缝垂直时α为90°。
②美国AASHTO LRFD规范。
美国AASHTO LRFD规范在美国ACI（318-14）建筑规范的基础上添加了新旧混凝土黏结力，该公式认为新旧混凝土结合面的受剪承载力由新旧混凝土黏结力以及剪切摩擦力提供。美国AASHTO LRFD规范给出的公式如式（2.6）所示，且Vu≥k1fcuAc时，取Vu=k1fcuAc；Vu≥k2Ac时，取Vu=k2Ac。
式中：Ac为新旧混凝土结合面面积；c为粗糙度系数；Avf为穿过结合面的钢筋面积；μ为摩擦系数；fy为结合面锚固钢筋屈服强度；Pc为结合面水平压力；fc为混凝土抗压强度；k1为钢筋中的拉力相互作用系数，k2为混凝土受剪承载力系数，具体参数见表2.1。
表2.1 参数表
③国际混凝土协会MC（2010）模式规范。
国际混凝土协会在MC（2010）模式规范中，对于配筋率超过了0.05%的非刚性设计试件，综合考虑了新旧混凝土黏结作用、骨料的咬合作用、钢筋的销栓作用以及剪摩擦作用。
受剪承载力计算公式如下：
式中：fc为混凝土抗压强度；Ac为结合面面积；Asd为穿过结合面的钢筋总面积；fy为穿过结合面钢筋抗拉强度；fcc为混凝土圆柱体轴心抗压强度。
④《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1—2014）。
《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1—2014）中给出的叠合梁端竖向接缝的受剪承载力计算公式，综合考虑了后浇混凝土层的受剪承载力，抗剪键作用以及钢筋销栓抗剪承载力。
受剪承载力计算公式如下：
式中：Acl为叠合梁端截面后浇混凝土叠合层截面面积；fc为预制构件混凝土轴心抗压强度设计值；Ak为键槽的根部截面面积之和；Asd为穿过结合面的钢筋总面积；fy为穿过结合面钢筋屈服强度。
2）抗剪键抗剪传力
抗剪键槽是指通过凹凸形状的混凝土咬合传递剪力的抗剪机构（图2.9、图2.10），在剪应力达到抗剪强度以前几乎不发生结合面滑移变形。抗剪键的承载力由抗剪键凸出部分的承压强度和抗剪键根部的剪切强度二者较小者决定。如图2.9所示，左侧抗剪键承载力设计值为VRL，右侧抗剪键承载力设计值为VRR，二者较小值为该抗剪键的受剪承载力设计值，可按下式计算：
上式等号右边的括号中，前一项为各凸起键槽的承压强度，后两项之和为各键槽的根部受剪承载力之和，n为局部承压的剪力键的个数（图2.9中，n=3）；xi为剪力键凸出长度；wi为剪力键宽度；ai、bi为剪力键根部高度。外边缘剪力键有可能沿如图2.9所示的M-M′面及L-L′面受拉破坏，故左边a3剪力键和右边b1剪力键的混凝士抗剪强度折减0.7使用。α为剪力键验算的承压系数，取1.25；fcL和fcR分别为结合面左右侧混凝土强度设计值。
图2.9 抗剪键示意图
图2.10 梁端键槽三维示意图
一般来说，预制构件结合面的钢筋销栓抗剪达到最大强度时的滑移变形量大于抗剪键达到抗剪强度时的滑移变形量。可见，销栓钢筋与抗剪键不能够同时达到各自承载力的峰值。对于同时设置销栓钢筋和键槽的新旧混凝土结合面，相关文献在计算接缝承载力时采用了不同的计算方法。
《预制装配整体式钢筋混凝土结构技术规范》（SJG 18）建议钢筋销栓抗剪和抗剪键抗剪应分别计算，在持久设计状况下，认为接缝不会发生较大的位移变形，取接缝受压抗剪承载力和抗剪键抗剪承载力的较大值作为接缝的抗剪承载力；在地震设计状况下，则考虑可能接缝会发生较大的位移变形，其受剪承载力取以上两者与钢筋销栓抗剪的较大值。
《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1）在计算有抗剪键和销栓共同作用的结合面受剪承载力时把钢筋销栓抗剪和抗剪键作用组合在一起考虑。该规程在叠合梁的梁端接缝受剪承载力计算中提出，由于混凝土抗剪键槽的受剪承载力和钢筋的销栓抗剪作用一般不会同时达到最大值，因此在同时考虑钢筋销栓抗剪以及键槽抗剪时，对混凝土抗剪键槽的受剪承载力进行了折减处理。
3）支承作用传力
支承传力指的是一个预制构件直接搁置在另一个预制构件上，连接处不做过多的特殊处理，常常在计算中将该方式考虑为铰接。主次梁的钢企口（牛担板）连接（图2.11）就是依靠支承作用传力，预制次梁[图2.12（a）]梁端有预埋抗剪钢板（牛担板），预埋抗剪钢板构造如图2.12（c）所示，钢板两侧为焊接的抗剪栓钉，预制主梁在次梁搁置处开设槽口[图2.12（b）]，并在槽口底部预埋承压钢板。承压钢板构造如图2.12（d）所示，钢板底焊接锚固钢筋。预制次梁通过预埋抗剪钢板端部伸出的悬挑钢板直接搁置在预制主梁凹槽内的承压钢板上，次梁端部的剪力通过抗剪钢板直接作用于承压钢板上，次梁的剪力转换为了作用在主梁上的局部支承集中力，根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010）的相关规定，承压钢板下混凝土的局部受压承载力应满足相关设计计算要求。
图2.11 主次梁钢企口（牛担板）连接
h—梁高；a—预制次梁抗剪钢板搁置长度，由设计确定尺寸标注单位为mm
图2.12 主次梁钢企口连接三维示意图
4）预应力筋、螺栓及焊接传力
预制构件之间要想传递拉力，常常通过在预制构件中预埋钢构件，并利用螺栓连接和焊接等方式实现预埋钢构件之间的连接。经过合理的传力路径设计后，钢构件之间的可靠连接能够传递构件间的弯矩、剪力、拉力等。只要能够保证预埋钢构件在预制混凝土构件内充分锚固，且传力途径合理，便能保证混凝土与混凝土之间传力的有效性。张拉预应力筋能够为构件之间的结合面提供原本不存在或原本较小的预压力，可以间接地提高预制构件结合面的受剪承载力。
上述连接中，连接用焊接材料、锚栓和钢钉等紧固件的材料应符合国家现行标准《钢结构设计规范》（GB 50017）、《钢结构焊接规范》（GB 50661）和《钢筋焊接及验收规程》（JGJ 18）等的有关规定。受力预埋件的锚板及锚筋材料应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》（GB 50010）的有关规定。专用预埋件及连接材料应符合国家现行有关标准的规定。预应力筋应满足国家现行标准《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T 5224）和《无粘结预应力钢绞线》（JG/T 161）等的规定。