預制裝配式剪力墻結構連接構造優化及抗震性能研究

趙承玉（山西宏廈建筑工程第三有限公司，山西 陽泉 045000）

傳統的現澆混凝土建筑以嚴重消耗自然資源為代價，造成了大量的環境污染和能源浪費，傳統建筑業的轉型升級勢在必行。預制裝配式建筑的發展為能源高效利用、建筑結構產品的工廠化制造和施工現場的綠色化安裝提供新的解決方案，成為目前土木工程領域研究的熱點[1]。

預制裝配式建筑作為建筑工業化的主流趨勢，通過現場的裝配拼接形成整體，因此，結構完整性和抗震性能受到連接節點分割的影響，特別是具有剪力墻結構的建筑，剪力墻的承載能力與連接構造的形式、構件的組合極大相關。因此，研究預制裝配式剪力墻結構連接構造的抗震性能具有十分重要的現實意義[2-3]。

王倩倩等人[4]運用ABAQUS有限元模擬軟件，對螺旋箍筋約束套筒漿錨搭接的裝配式剪力墻抗震性能展開了研究，獲得了模型的正向骨架曲線，指出螺旋箍筋約束可在一定程度上提高預制裝配式剪力墻結構的抗震承載力；洪學娣等人[5]應用OpenSEES 有限元分析軟件對裝配式鋼-混凝土組合剪力墻結構的抗震性能進行研究，模擬計算時考慮的施工裂縫、鋼筋黏結滑移、剪切效應等因素的影響，研究指出這些因素對結構抗震性能影響可以忽略不計；陳云鋼等人[6]運用室內試驗的方法，建立了水平拼縫的豎向鋼筋漿錨搭接足尺比例模型，對試件的滯回曲線、延性系數、初始剛度進行研究，指出裝配式混凝土剪力墻試件的初始剛度和延性系數均比現澆試件有所降低。

本文以山西省某市裝配式高層建筑為研究對象，運用室內物理模擬的方法，建立了2種不同的預制剪力墻結構連接構造方案，研究預制裝配式剪力墻結構的骨架曲線、承載能力、耗能能力等。研究成果可為剪力墻結構、框架剪力墻結構的預制裝配式建筑的抗震設計提供參考。

1 預制裝配式剪力墻結構連接構造方案

剪力墻結構是承受地震荷載和風荷載引起水平荷載的承重構件。由于墻體的抗側移剛度較大，建筑物大部分的水平作用被分配至剪力墻中，因此，預制裝配式剪力墻水平向和豎向的可靠連接是確保建筑結構體系受力和抗震性能的關鍵環節，應充分發揮剪力墻體約束箍筋的強度，避免混凝土變形破壞，改善剪力墻的延性和抗震能力[7-8]。為了保證預制裝配式建筑上下兩塊剪力墻結構受力的連續性，目前有關預制裝配式建筑剪力墻結構的連接方式主要有灌漿套筒連接、現澆帶連接、金屬波紋管漿錨連接以及螺栓連接等。綜合比較現有的各種連接方式可知，金屬波紋管漿錨連接具有接頭性能可靠、受力安全、配筋率較低、可增強剪力墻邊緣構件區域混凝土的圍箍約束力等優點，并且該連接方式具有成熟的工藝和設備，在現場施工時可以有效降低鋼筋綁扎工作量，提高施工質量和施工效率[9]。因此，本研究的預制裝配式剪力墻結構連接構造方案基于金屬波紋管漿錨連接方式展開，在室內試驗中建立物理模型，比較預制裝配式剪力墻金屬波紋管漿錨 “一” 字形連接構造（工況A）和 “工” 字形連接構造（工況B）的抗震性能，如圖1所示。

圖1 2種不同預制裝配式剪力墻連接構造/mm

2 預制裝配式剪力墻結構抗震物理模型實驗

2.1 連接構造物理模型的制作

為了研究2 種不同預制裝配式剪力墻結構連接構造的抗震性能，在室內試驗中按照圖1和圖2中的尺寸和配筋要求分別制作 “一” 字形連接構造、 “工” 字形連接構造實體試驗模型。 “一” 字形連接構造的平面呈 “一” 字形，長度為1700mm，剪力墻高3420mm，墻體厚度為240mm，預制底梁的長度為2300mm，高度650mm，底梁厚度700mm； “工” 字形連接構造的平面呈 “工” 字形，在剪力墻腹板兩側還配置了厚度為200mm的翼墻，其余尺寸與 “一” 字形連接構造一致。所有模型的鋼筋均采用HRB400鋼筋。試驗前，對所有鋼筋的力學強度進行了測試，得到8mm 直徑HPR400 鋼筋的屈服強度為520MPa，極限強度為620×105MPa，延伸率為22%，同樣10mm、12mm、16mm 鋼筋的屈服強度分別為430MPa、450MPa、452MPa，極 限 強 度 分 別 為580×105MPa、590×105MPa 和620×105MPa，延伸率分別為24%、25%和26%。剪力墻混凝土采用C35 混凝土，混凝土養護28d 齡期150mm 立方體抗壓強度平均值為34.8MPa，灌漿料的混凝土采用高強度低收縮BYS-40型灌漿料，灌漿料養護28d 齡期150mm 立方體抗壓強度平均值為75.3MPa。

圖2 2種不同預制裝配式剪力墻連接構造模型及配筋/mm

2.2 剪力墻連接構造物理模型的試驗方法

制作完成的預制裝配式剪力墻結構連接構造在水平低周往復試驗裝置中進行，設計的加載試驗裝置為MAST大型地震荷載三維模擬加載系統，系統由MTS作動器、反力墻體、試件、地面螺栓、測試系統組成。MTS作動器為美國生產的MTS電液伺服程控結構試驗機系統，由MTS作動器提供水平低周期反復荷載，MTS作動器最大推力為1460kN，最大拉力為960kN，行程范圍為-250mm～250mm，試驗時加載速率控制為0.5mm/s。

預制裝配式剪力墻位移采用位移計測量，內力均由應變片測量，鋼柱的內力由應變花測量。所有監測點數據均由TDS-602 數據采集設備采集，所有試件加載方式均為位移控制加載，目標位移為60mm，共12 個加載步，每個循環位移極值為前一個循環位移極值的1.2倍，加載制度如圖3所示。

圖3 水平低周期反復荷載加載時程曲線

3 預制裝配式剪力墻結構抗震試驗結果分析

圖4為2 種不同的預制裝配式剪力墻結構連接構造的骨架曲線試驗結果。從圖4中可以看出， “一” 字形連接構造（工況A）和 “工” 字形連接構造（工況B）的骨架曲線均呈飽滿的 “S” 形，表明2 種預應力裝配式剪力墻連接構造均具有良好的耗能能力。 “一” 字形連接構造骨架曲線在±10mm 位移內，荷載位移關系呈現線性關系，此時，預制剪力墻連接構件處于彈性工作階段；在位移±10mm～±50mm時，荷載位移曲線呈現明顯的非線性變化，此階段的試件在低周期往復水平荷載作用下出現屈服、裂縫、塑性變形，而在位移為50mm 時，其承載力達到峰值，為778kN；位移為±50mm～±60mm時，荷載位移曲線出現下降的趨勢，此時構件出現破壞現象，位移直至達到動作器的極限60mm。類似地， “工” 字形連接構造骨架曲線在-20mm～-7mm 位移內，其荷載位移關系呈線性關系，斜率與 “一” 字形連接構造彈性工作階段的骨架曲線斜率大致相同，表明2種連接構件的初始剛度基本一致；位移在-40mm～-20mm、-7mm～40mm時， “工” 字形連接構造的荷載位移曲線呈現明顯的非線性變化，其承載力峰值在為44.33mm 處達到1356kN，遠大于 “一” 字形連接構造，約為后者的1.75倍；位移為±40mm～±60mm 時，荷載位移曲線出現下降的趨勢。

圖4 不同的預制裝配式剪力墻結構連接構造的骨架曲線試驗結果

圖5為兩種不同的預制裝配式剪力墻結構連接構造的耗能曲線試驗結果對比。從圖5中可以看出， “一” 字形連接構造（工況A）和 “工” 字形連接構造（工況B）的耗能曲線呈現顯著差異， “一” 字形連接構造的耗能曲線呈現先增加后趨于收斂的變化趨勢，而 “工” 字形連接構造的耗能曲線呈現單調非線性增加，無明顯的收斂趨勢。兩者的耗能在位移小于20mm時接近，這是因為2 種裝配式剪力墻結構的初始剛度接近，在位移20mm范圍內，能量的消耗主要克服剪力墻結構的彈性應變能；而在位移超過20mm 后， “工” 字形連接構造耗能相比 “一” 字形連接構造耗能的差值越來越大，由此表明， “工” 字形連接構造具有更為良好的抗震性能，在預制裝配式剪力墻結構連接時可以優先選取 “工” 字形連接方案。

圖5 不同的預制裝配式剪力墻結構連接構造的耗能曲線試驗結果

4 結語

以山西省某市裝配式高層建筑為研究對象，運用室內物理模擬的方法，建立了2種不同的預制剪力墻結構連接構造方案，研究預制裝配式剪力墻結構的骨架曲線、承載能力、耗能能力等，得到以下結論：

（1） “一” 字形連接構造和 “工” 字形連接構造的骨架曲線均呈飽滿的 “S” 形，表明2 種預應力裝配式剪力墻連接構造均具有良好的耗能能力。

（2） “一” 字形連接構造和 “工” 字形連接構造的初始剛度基本相同，但后者的極限承載力約為前者的1.75倍。

（3） “一” 字形連接構造和 “工” 字形連接構造的耗能曲線呈現顯著差異，兩者的耗能在位移小于20mm時接近，而在位移大于等于20mm 后， “工” 字形連接構造耗能比 “一” 字形連接構造耗能的差值越來越大。