縱肋疊合裝配整體式混凝土剪力墻抗震性能試驗研究*

王 俊，田春雨，楊思忠，朱鳳起，張仲林，李 洋，石海青，周一航

(1 中國建筑科學研究院有限公司， 北京 100013； 2 北京住宅產業化集團有限公司， 北京 100161； 3 承德綠建建筑節能科技股份有限公司， 承德 067000)

0 引言

目前，裝配整體式剪力墻結構是應用最為廣泛的一種裝配式建筑結構形式[1-3]。國內主要的裝配整體式剪力墻結構體系中，主要技術特征在于預制墻體之間的接縫連接形式[4-5]，按照預制墻體水平接縫鋼筋連接形式，可劃分以下幾種：1)豎向鋼筋采用套筒灌漿連接[6]、拼縫采用灌漿料填實；2)豎向鋼筋采用螺旋箍筋約束漿錨搭接連接[7]、拼縫采用灌漿料填實；3)豎向鋼筋采用金屬波紋管漿錨搭接連接[8]、拼縫采用灌漿料填實；4)豎向鋼筋預留后澆區搭接連接[9]、預留空心后插筋[10-11]、環套鋼筋搭接連接、擠壓套筒或錐套鎖緊等機械連接[12]方式；5)疊合剪力墻[13-15]。

在實際應用過程中，以上幾種裝配整體式剪力墻結構均存在一些問題。在鋼筋灌漿套筒連接及漿錨搭接連接的技術體系中，由于構件加工精度及施工管理水平的限制，容易出現鋼筋對位困難、灌漿質量不好控制的問題；底部預留后澆區內鋼筋搭接連接的方式，安裝方便，但底部后澆區澆筑時需支設模板，施工工序復雜。

結合國內現行的裝配整體式剪力墻結構體系的技術特點以及存在的問題，提出一種新型裝配式剪力墻結構體系——縱肋疊合裝配整體式混凝土剪力墻結構體系。如圖1所示，在該體系中預制構件為帶混凝土貫通肋的空心墻構件，現場在空腔內搭接豎向鋼筋、澆筑混凝土形成疊合剪力墻構件。對于帶夾心保溫外墻的構件，形成單側疊合剪力墻，對于內墻或不帶保溫的外墻，形成雙側疊合剪力墻；剪力墻豎向分布鋼筋在空腔內采用錨環直接搭接連接。

圖1 新型裝配式剪力墻構件及節點連接示意圖

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

本次研究根據實際工程中可能出現的墻體布置情況，設計典型試件如下：1)外橫墻山墻墻肢，兩端為預制邊緣構件，豎向鋼筋在空腔內搭接，如圖2(a)所示；2)外縱墻窗間墻肢，兩側各帶一字形預制邊緣構件，豎向鋼筋在空腔內搭接，中部為現澆邊緣構件，如圖2(b)所示。

圖2 典型試件示意圖

試件墻厚200mm，墻高2 800mm，對于形式1，墻肢寬度選擇2 800，1 800mm兩種，對應墻肢剪跨比分別為1.0，1.5，對于形式2，墻肢寬度選擇1 400mm，所有試件設計軸壓比為0.2。試件混凝土強度等級為C40，試件頂部設置頂梁模擬現澆帶，底部設置地梁，墻身及邊緣構件配筋按照抗震規范要求的構造邊緣構件最小構造配筋率進行配筋，同時制作相同尺寸、參數及配筋的全現澆構件進行對比，預制試件配筋如圖3所示。

圖3 試件配筋圖

試驗主要研究剪力墻的抗震性能，因此試件僅包含內葉的剪力墻部分，不包含保溫板及外葉板。試件參數見表1。

試件編號及變化參數 表1

鋼筋強度測試結果 表2

混凝土強度測試結果 表3

1.2 加載方案

試驗在中國建筑科學研究院有限公司大型結構實驗室內完成，試驗裝置如圖4所示，試件地梁用地錨固定在試驗臺座上，試驗時在恒定豎向荷載作用下施加水平低周反復荷載。豎向荷載通過門架、千斤頂及分配梁施加，千斤頂與門架之間設置滑板，保持軸向力可以隨著試件的變形而變化。側向力通過1臺300t電液伺服作用器及反力墻施加。墻板側面設置側向支撐鋼梁防止失穩。

圖4 試驗加載裝置圖

1.3 測量方案

試驗過程中測量墻體邊緣構件內縱筋鋼筋應變，包括搭接鋼筋底部、頂部鋼筋應變，如圖5(a)所示。試驗過程中測量墻體頂部中間位移、頂梁兩端部面外位移、墻體與地梁之間的相對滑移，并在試驗中隨時觀察試件的開裂和破壞現象。試件位移計布置如圖5(b)所示。

圖5 應變片及位移計布置圖

2 試驗過程及破壞形態

所有試件均為彎剪破壞模式，試驗過程中通過觀測鋼筋應變可以看出，邊緣構件內縱筋先于墻體水平分布鋼筋屈服，試件先受彎屈服，在軸壓比恒定的情況下，隨著剪跨比的增大剪切破壞相對減弱。試驗過程中，墻體首先在受拉側邊緣構件中下部產生水平裂縫，隨著荷載增加，裂縫斜向開裂延伸進入試件中部；當荷載增加到墻體峰值承載力時，試件受壓側邊緣構件角部混凝土剝落，受拉側邊緣構件與地梁脫開；荷載繼續增加超過峰值承載力后，試件受壓側邊緣構件角部混凝土壓碎，剝落區域逐漸增大，受拉側鋼筋拉斷。各試件破壞實景如圖6所示。

圖6 各試件破壞實景

3 試驗結果分析

3.1 滯回曲線

各試件滯回曲線如圖7所示。由圖7可知，預制試件與對應現澆試件滯回曲線形態均呈梭形，捏縮規律基本一致。由于預制試件混凝土強度偏小，試驗過程中預制試件墻體角部混凝土受壓破壞較早，因此預制試件的承載力略低于現澆試件，初始剛度也略小。預制試件略先于現澆試件進入屈服；預制試件彈性極限與對應現澆試件基本相同或稍大一些。

圖7 各組試件滯回曲線對比

3.2 骨架曲線

各試件骨架曲線如圖8所示。由圖8可知，預制試件骨架曲線變化趨勢與對應的現澆試件骨架曲線變化趨勢基本一致，受試件混凝土強度影響，預制試件承載力略小。骨架曲線可以分為彈性上升段、彈塑性上升段和下降段。彈性上升段對應于試件開裂或較少開裂以前，整體表現為彈性，荷載隨位移的增大而線性增加；彈塑性上升段從試件開裂增多至荷載達到峰值，在這個過程中隨著混凝土的開裂損傷，鋼筋進入塑性，試件剛度逐漸減小，表現出較明顯的彈塑性；在荷載達到峰值之后，混凝土壓潰鋼筋斷裂，骨架曲線進入下降段。

圖8 各組試件骨架曲線對比

3.3 承載力

各試件屈服承載力及屈服位移見表4，峰值承載力及峰值位移見表5。從表4，5可以看出：1)隨著剪跨比增大，試件屈服承載力與峰值承載力降低，屈服位移與峰值位移提高；2)剪跨比相同時，現澆試件屈服承載力與峰值承載力明顯高于預制試件，現澆試件屈服位移與峰值位移明顯小于預制試件，主要由于現澆試件混凝土強度明顯高于預制試件導致。

各試件屈服承載力及屈服位移 表4

為了排除混凝土強度的影響，計算各試件試驗承載力與計算承載力的比值。從試件的試驗現象可以看出，墻體破壞以彎曲破壞為主，按照《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)(簡稱混規)第6.2.17條矩形截面偏心受壓相關規定計算各試件承載力見表6。計算時混凝土強度取實測軸心抗壓強度，鋼筋強度取實測屈服強度。從表6可以看出：1)預制與現澆試件試驗屈服承載力與計算承載力的比值均約為1，說明采用混規中的公式計算縱肋疊合剪力墻的承載力是合適的；2)預制與現澆試件試驗極限承載力與計算承載力的比值較接近且均大于1.3，說明預制試件與現澆試件均具有較好的安全儲備且安全儲備基本相同。

各試件峰值承載力及峰值位移 表5

試件試驗及計算承載力對比 表6

圖11 搭接鋼筋頂應變變化曲線

3.4 剛度退化

各試件剛度變化曲線如圖9所示。由圖9可以看出：1)隨著荷載的增加，所有試件均發生了剛度退化，且屈服前剛度退化明顯，屈服后剛度退化變緩；2)預制試件初始剛度小于現澆試件；3)峰值承載力后，預制試件與現澆試件剛度及退化趨勢基本相同。

圖9 各組試件剛度變化曲線

3.5 變形與延性

各試件變形及延性系數見表7。從表7可以看出：1)所有試件均具有較好的變形能力和較大的延性系數，預制試件和現澆試件的位移延性系數均大于8，滿足規范對于剪力墻的抗震性能要求，所有試件的極限層間位移角都達到1/120(層間位移約23mm)以上，達到剪力墻結構在大震下層間位移角的要求；2)預制試件屈服位移、極限位移均大于現澆試件，預制試件變形能力好于現澆試件；3)由于預制試件屈服位移增大程度大于極限位移，因而計算延性系數略小于現澆試件。

各試件變形及延性系數 表7

3.6 鋼筋應變

試件2鋼筋應變如圖10，11所示。從試件鋼筋應變可以看出：1)試驗加載初期，預制試件及現澆試件鋼筋應變均符合平截面假定；2)預制試件疊合邊緣構件鋼筋搭接傳力良好，搭接鋼筋及被搭接鋼筋均實現屈服，搭接鋼筋最終拉斷，與試驗現象吻合；3)預制試件鋼筋受力與現澆試件鋼筋受力基本一致；試件的剪跨比較小時，鋼筋主要產生拉應變且呈不規則滯回曲線，隨著剪跨比的增大，鋼筋產生隨加載制度變化的拉壓應變且呈規則性滯回曲線。

圖10 搭接鋼筋底應變變化曲線

4 結論

(1)裝配式剪力墻試件的裂縫開展規律和破壞形態與其對應的現澆試件基本一致。

(2)采用《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)中的公式計算縱肋疊合剪力墻的承載力是合適的，預制試件與現澆試件具有相同的安全儲備。

(3)裝配式剪力墻試件的滯回曲線、骨架曲線、剛度退化規律等與現澆試件一致。

(4)裝配式剪力墻試件的變形能力較好，極限層間位移角基本均可達到在1/120以上。試件的位移延性系數能夠滿足剪力墻的抗震性能要求。

(5)裝配式剪力墻的鋼筋受力與現澆試件基本相同，該剪力墻裝配方式技術可靠、構造合理，可按與現澆構件相同的方法進行此類裝配整體式剪力墻構件的設計。