半裝配式再生混凝土低矮剪力墻抗震性能試驗

劉程煒，曹萬林，董宏英，王世蒙，秦成杰

(城市與工程安全減災教育部重點實驗室(北京工業大學)，北京100124)

半裝配式再生混凝土低矮剪力墻抗震性能試驗

劉程煒，曹萬林，董宏英，王世蒙，秦成杰

(城市與工程安全減災教育部重點實驗室(北京工業大學)，北京100124)

為研究半裝配式單排配筋混凝土剪力墻結構的抗震性能以及再生混凝土在預制剪力墻中的應用效果，設計了4個不同軸壓比下工字形半裝配式單排配筋普通混凝土和再生混凝土剪力墻試件，試件由底部帶預留孔的上層預制剪力墻、帶墩頭豎向分布鋼筋的基礎梁、二者之間的坐漿層以及縱橫墻交接處的現澆暗柱組成，基礎梁頂部伸出的單排豎向墩頭鋼筋伸入上層預制墻體底部的預留孔中，采用灌漿錨固的方法連接，并進行了低周反復荷載試驗，分析了各個試件的破壞特征、承載力、剛度以及耗能等.結果表明：在水平荷載作用下，預制剪力墻與基礎梁之間的連接部位出現水平通縫并產生較小滑移，墻身分布著X形交叉斜裂縫；隨著軸壓比的增大，試件的承載力提高，但延性較差；再生混凝土試件的破壞形態和受力性能與普通混凝土試件相近，再生混凝土可用于工廠預制的結構構件中；半裝配式單排配筋混凝土剪力墻構造簡單、施工方便，且抗震性能良好，可用于低多層剪力墻結構中.

半裝配式；單排配筋；再生混凝土；低矮剪力墻；抗震性能

目前，裝配式混凝土剪力墻結構以其量產化、工期短、資源節約環保等優點在中國得到了大力推廣.已有研究表明[1-2]，采用套筒連接、漿錨連接等方式進行裝配的預制剪力墻結構性能良好，但造價較高、施工較為繁瑣.如何經濟高效地在低、多層房屋中應用裝配式建造技術成為新的課題.單排配筋混凝土剪力墻結構構造簡單，滿足低、多層房屋的抗震要求[3]；張微敬等[4]對豎向分布鋼筋單排套筒連接的預制剪力墻進行了抗震性能研究，證明豎向鋼筋與套筒連接的鋼筋間接搭接能夠有效傳遞應力；同時，建筑垃圾資源化技術也在逐漸發展，發展再生骨料混凝土是建筑垃圾資源化的重要組成部分.本課題組將裝配式建造技術和單排配筋再生混凝土剪力墻結構相結合，提出了半裝配式單排配筋再生混凝土剪力墻結構.該結構由上層預制剪力墻、下層預制剪力墻、上下層墻體間的坐漿層以及縱橫墻交接處的現澆暗柱組成.上下層預制剪力墻連接時，下層預制墻體頂部伸出的單排豎向墩頭鋼筋伸入上層預制墻體底部的預留孔中，并灌入高強灌漿料，通過墩頭鋼筋在預留孔中灌漿錨固的方法連接.本文對2個工字形半裝配式單排配筋普通混凝土剪力墻試件和2個工字形半裝配式單排配筋再生混凝土剪力墻試件在不同軸壓比下的抗震性能進行了試驗研究.

1 試驗概況

1.1 試件設計

試件編號規則：以B-0.15-0為例，首字母B表示半裝配式剪力墻試件，中間0.15為設計軸壓比，最后為0表示采用天然混凝土，若為33則代表采用再生粗骨料取代率33%的再生混凝土.試件主要參數見表1，尺寸及配筋見圖1.

表1 試件參數

1.2 試件制作

首先分別預制墻體腹板、翼緣的兩側以及基礎梁.腹板底部預留5個直徑50 mm、高度165 mm的圓孔，圓孔周圍配置鋼筋籠；暗柱兩側的預制翼緣作為整體同時預制，在同一位置采用同一根水平鋼筋相連，鋼筋兩側末端設置U形彎鉤，錨固在翼緣預制部分(實際工程中，預制剪力墻中的水平鋼筋，可采用U形彎鉤錨固在暗柱中)，翼緣兩側底部各預留一個直徑50 mm、高度165 mm的圓孔，腹板和翼緣側面分別預留直徑20 mm的與底部圓孔相通的注漿孔；預制基礎梁對應上層墻體預留孔位置的帶墩頭豎向鋼筋伸出表面170 mm，對應暗柱部位伸出4根沿墻體高度通長的豎向鋼筋.吊裝預制墻體，將基礎梁伸出的墩頭鋼筋伸入腹板及翼緣底部的預留孔中，用墊塊留出20 mm坐漿層厚度，從墻體側面的注漿孔灌漿，灌漿料充滿預留孔及坐漿層，通過灌漿料與預留孔孔壁粘結、墩頭鋼筋在灌漿料中錨固，完成預制墻體與基礎梁之間的連接，隨后澆筑暗柱及加載梁混凝土，完成腹板與翼緣兩側的連接.試件制作過程見圖2.

圖1 試件幾何尺寸及配筋

圖2 試件制作

1.3 材料性能

預制剪力墻混凝土采用C50級普通混凝土和再生混凝土(再生粗骨料取代率33%)，再生粗骨料為廢棄混凝土經機械破碎后人工分揀得到，粒徑大小為5～25 mm，堆積密度1 252.8 kg/m3，表觀密度2 575.5 kg/m3，壓碎指標2.99%，含泥量2.25%.普通混凝土實測強度fcu=46.85 MPa，再生混凝土實測強度fcu=51.95 MPa.高強灌漿料選擇CGMJM-VI型泵送鋼筋接頭灌漿料，按照現行國家標準《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》[5]測得其抗壓強度為77.5 MPa.剪力墻水平分布鋼筋與部分豎向分布鋼筋選用直徑10 mm的HRB400級鋼筋，實測強度fy=486 MPa，fu=688 MPa，斷后伸長率為20.8%；翼緣兩側豎向鋼筋選用直徑12 mm的HRB400級鋼筋，實測強度fy=458 MPa，fu=591 MPa，斷后伸長率為23.2%.

1.4 加載方案

采用擬靜力試驗方法，首先按照設計軸壓比n=1.2N/fcA，計算施加的豎向荷載N,結果見表1.其中混凝土強度fck=0.88αc1αc2fcu，fc=fck/1.4.試驗過程中利用2 000 kN的液壓千斤頂-滾軸支座-分配梁加載系統施加恒定的豎向荷載，然后施加低周反復水平荷載，加載點距離基礎梁頂面1 340 mm.試件屈服前，采用水平力控制加載，試件屈服后，采用位移控制加載，每級荷載或位移加載一次，直至試件明顯破壞或水平荷載下降至峰值荷載的85%.

在加載梁中央布置位移計，量測1.34 m高度處的水平位移；在基礎梁中線頂部布置百分表，量測基礎梁水平位移；在腹板底部中間位置布置百分表，量測預制墻體與基礎梁之間的剪切滑移.墩頭連接鋼筋上布置應變片，位置在距離基礎梁頂面20 mm處，以研究間接搭接的豎向墩頭鋼筋能否有效傳力.試驗過程中，豎向荷載、水平荷載、水平位移、鋼筋應變等數據通過IMP數據采集系統自動采集，人工觀測混凝土墻體裂縫并記錄損傷過程.

2 破壞過程和破壞形態

各試件破壞過程相似，以B-0.15-33為例，水平荷載達到140 kN時，翼緣底部坐漿層與基礎梁之間出現水平裂縫.水平荷載達到400 kN時，受拉翼緣距基礎梁頂面12 cm處出現水平縫.按位移控制加載，2Δy時，翼緣外側由下至上產生多條水平裂縫，原有裂縫繼續開展.3Δy時，腹板沿對角線產生剪切斜裂縫.繼續加載，墻體斜裂縫發展成數條交叉裂縫；坐漿層上下的水平縫在推拉荷載作用下由翼緣迅速向腹板中部發展直至貫通整個墻體，剪力墻與基礎梁之間發生滑移；腹板預留孔頂部位置產生水平裂縫.達到峰值荷載時，翼緣外側在基礎梁頂面以上18 cm處(即預留孔頂部位置)的水平裂縫寬度達到10 mm，預制翼緣底部的混凝土破碎嚴重，坐漿層處水平裂縫寬5 mm，正反向加載時剪力墻水平滑移值分別為2.78、1.89 mm.極限荷載時，坐漿層處水平裂縫寬8 mm，正反向加載時剪力墻水平滑移值分別為4.32、2.79 mm，翼緣底部混凝土碎裂脫落.其破壞形態與裂縫分布見圖3.

圖3 B-0.15-33破壞形態與裂縫分布

各試件坐漿層處的水平裂縫沿接觸面貫通，受拉區水平裂縫較寬，剪力墻與基礎梁之間均產生剪切滑移，翼緣由下至上產生多條水平裂縫，腹板分布著多條X形交叉斜裂縫.剪力墻的變形由坐漿層處水平縫的張開、滑移以及墻體本身的彎曲和剪切變形共同組成.

3 試驗結果及分析

3.1 滯回曲線與骨架曲線

各試件頂點的水平荷載F與位移Δ滯回曲線和骨架曲線分別見圖4、5.由圖4可看出，半裝配式再生混凝土剪力墻試件的滯回曲線與普通混凝土剪力墻試件相似，加載初期滯回環為細長梭形，隨著剪力墻與基礎梁之間發生剪切滑移及水平縫的張開，加載曲線在后期變得平緩，且由于剪力墻與基礎梁之間的裂縫寬度不斷增大，卸載時開始曲線較陡，之后恢復變形加快，曲線平緩，捏攏現象逐漸明顯，殘余變形越來越大.由骨架曲線可見，軸壓比0.3的2個試件峰值荷載大于軸壓比0.15的2個試件，但其極限位移較小；軸壓比相同時，混凝土實測強度較高的再生混凝土試件峰值荷載較大.

3.2 承載力分析

表2列出了各試件的開裂荷載Fcr、屈服荷載Fy和峰值荷載Fp.

預制翼緣底部混凝土受壓破壞之后，其中的連接鋼筋逐漸失去作用，由試驗過程中測得的鋼筋應變可知，峰值荷載時翼緣兩側的連接鋼筋未達到屈服強度，沒能充分發揮作用，為提高安全可靠性，建議在計算半裝配式剪力墻的正截面承載力時，忽略翼緣連接鋼筋的作用.表3列出了根據規范[6]并參考文獻[3]得到的試件承載力計算值，鋼筋屈服強度取實測值，混凝土軸心抗壓強度取fc=0.88αc1αc2fcu.

圖4 試件頂點水平荷載F與位移Δ滯回曲線

圖5 試件頂點水平荷載F 與位移Δ骨架曲線

對比表2、3中結果可知，各試件試驗峰值水平荷載為承載力計算值的1.04～1.41倍.計算斜截面承載力時，規范[6]規定當N>0.2fcbh0時取N=0.2fcbh0，導致軸壓比0.3、剪跨比1.0的半裝配式剪力墻試件的承載力計算值遠小于實測值，較為保守.

3.3 延性

表4列出了試件的屈服位移Δy、峰值位移Δp、極限位移Δu、峰值位移角θp、極限位移角θu和位移延性系數μ，μ=Δu/Δy.結果表明：軸壓比0.15的試件延性系數大于軸壓比0.3的試件，延性較好；再生混凝土試件的延性系數略大于普通混凝土試件；4個試件的極限位移角均達到1/50以上，彈塑性變形能力滿足規范要求.

表2 試件開裂荷載、屈服荷載、極限荷載實測值

表3 試件承載力計算值

3.4 剛度

采用割線剛度分析各試件在低周反復荷載作用下的剛度退化，圖6為試件割線剛度與頂點水平位移的關系曲線.結果表明：各試件的剛度退化曲線基本平行，屈服前剛度下降較快，隨著頂點位移的增大剛度退化趨緩.軸壓比大的試件剛度相對較大，后期退化相對較快.試件破壞時殘余剛度為屈服剛度的9%～16%.剛度退化的主要原因是反復荷載作用下混凝土的破碎以及接縫處的張開、滑移.

3.5 耗能

采用試件破壞前的總耗能值A與能量耗散系數E來判斷試件的耗能能力[7].試件B-0.15-0、B-0.15-33、B-0.3-0、B-0.3-33在低周反復荷載作用下每級循環耗能值的總和A分別為115、111、119、112 kN·m，總耗能值相近.圖7為能量耗散系數E與水平位移Δ的關系曲線.每級循環的能量耗散系數隨水平位移的增大整體呈上升趨勢，接近極限位移時，由于結構的加速破壞和承載力的降低，耗能系數稍有下降.再生混凝土試件的耗能能力與普通混凝土試件相比較小，但相差不多.

表4 各試件位移及延性系數實測結果

圖6 試件剛度K與頂點水平位移Δ關系曲線

圖7 試件能量耗散系數E與頂點水平位移Δ關系曲線

4 結 論

1)半裝配式單排配筋混凝土剪力墻在水平荷載作用下破壞時，預制剪力墻與基礎梁之間出現水平通縫并產生較小滑移，翼緣出現多條水平裂縫，墻身分布多條X形交叉斜裂縫.

2)半裝配式單排配筋再生混凝土剪力墻與普通混凝土剪力墻的抗震性能總體相近；隨著軸壓比的增大，試件的承載力提高、延性變差.

3)采用墩頭鋼筋預留孔灌漿連接的半裝配式單排配筋混凝土剪力墻抗震性能良好，可用于低層和多層剪力墻結構中.

[1] 陳云鋼, 劉家彬, 郭正興, 等. 裝配式剪力墻水平拼縫鋼筋漿錨搭接抗震性能試驗[J].哈爾濱工業大學學報, 2013, 45(6):83-89. CHEN Yungang, LIU Jiabin, GUO Zhengxing, et al. Test on seismic performance of precast shear wall with reinforcements grouted in holes and spliced indirectly in horizontal connections [J].Journal of Harbin Institute of Technology, 2013, 45(6): 83-89.

[2] SOUDKI K A, RIZKALLA S H, LEBLANC B, et al. Horizontal connections for precast concrete shear walls subjected to cyclic deformations part 1: mild steel connections [J]. PCI Journal, 1995, 40(4): 78-96.

[3] 張建偉, 曹萬林, 吳定燕, 等.單排配筋低矮剪力墻抗震試驗及承載力模型[J]. 北京工業大學學報, 2010, 36(2): 179-186. ZHANG Jianwei, CAO Wanlin, WU Dingyan, et al. Seismic experiment and load-carrying capacity calculation of low-rise RC shear wall with bi-directional single row of steel bars [J]. Journal of Beijing University of Technology, 2010, 36(2): 179-186.

[4] 張微敬, 錢稼茹, 于檢生, 等. 豎向分布鋼筋單排間接搭接的帶現澆暗柱預制剪力墻抗震性能試驗[J]. 土木工程學報, 2012, 45(10): 89-97. ZHANG Weijing, QIAN Jiaru, YU Jiansheng, et al. Tests on seismic behavior of precast shear walls with cast-in-situ boundary elements and vertical distributed reinforcements spliced by a single row of steel bars [J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45(10): 89-97.

[5] 水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)：GB/T 17671—1999 [S].北京: 中國標準出版社, 1999. Method of testing cements-determination of strength：GB/T 17671—1999 [S]. Beijing: China Standard Press, 1999.

[6] 混凝土結構設計規范：GB 50010—2010 [S]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2010. Code for design of concrete structures: GB 50010—2010 [S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2010.

[7] 建筑抗震試驗方法規程：JGJ 101—1996 [S].北京: 中國建筑工業出版社, 1997. Specification of testing methods for earthquake resistant building：JGJ 101—1996 [S]. Beijing: China Architecture & building Press, 1997.

Test on seismic behavior of semi-assembled low-rise recycled concrete shear walls

LIU Chengwei, CAO Wanlin, DONG Hongying, WANG Shimeng, QIN Chengjie

(Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering (Beijing University of Technology), Ministry of Education, Beijing 100124, China)

To evaluate the seismic behavior of semi-assembled shear wall with single row of steel bars and the application effect of recycled concrete in the precast shear walls, four I-shaped semi-assembled concrete shear wall specimens with single row of steel bars were designed. This type of specimen consisted of an upper precast concrete shear wall with reserved holes at the bottom, a foundation beam with single row of button-head steel bars, slurry layer between the precast shear wall and the foundation beam, and cast-in-place concealed columns between longitudinal and transversal walls. Button-head steel bars extending from the surface of the foundation beam were anchored in the reserved holes of the precast shear wall, with high strength grouting material filling the holes. Specimens were tested under cyclic reversed loading and different axial compression. Failure character, bearing capacity, stiffness, energy dissipation were compared, and the results show that: under the horizontal load, horizontal crack and a small slip appear in the joint connection between the precast shear wall and the foundation beam, X-shaped cracks distribute in the precast wall; with the increase of axial compression ratio, the bearing capacity of specimens is improved, but the ductility is reduced; the failure mode and mechanical properties of recycled concrete specimens are similar to those of normal concrete specimens; the semi-assembled shear wall structure with single row of steel bars has the advantages of simple structure, convenient construction and good seismic performance, and it can be used in low-rise and multistory residential structures.

semi-assembled; single row of steel bars; recycled concrete; low-rise shear wall; seismic behavior

(編輯 趙麗瑩)

10.11918/j.issn.0367-6234.201609108

2016-09-28

國家重點研發計劃(2016YFC0701902)

劉程煒(1987—)，女，博士研究生； 曹萬林(1954—)，男，教授，博士生導師

曹萬林，wlcao@bjut.edu.cn

TU375.2

A

0367-6234(2017)06-0035-05