裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能分析

摘要：本研究旨在深入分析裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能。通過制作裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)試件（VKSM）與現(xiàn)澆混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)試件（KSM），確保兩者墻身高度、厚度、寬度均一致，以及試驗(yàn)的有效性。對各個(gè)試件施加強(qiáng)震作用，分析試件的水平位移、水平荷載，屈服荷載與位移等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。同時(shí)，關(guān)注各個(gè)試件的延性系數(shù)、耗能指標(biāo)的變化，得出抗震性能最佳的試件。試驗(yàn)結(jié)果顯示，試件KSM_1的延性系數(shù)與耗能指標(biāo)均低于試件VKSM_1，VKSM_2，證明裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)試件的抗震性能更佳。此外，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能與屈服位移、屈服荷載、延性系數(shù)、能量耗散系數(shù)等指標(biāo)密切相關(guān)，抗震指標(biāo)越大，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能越佳。

關(guān)鍵詞：裝配式建筑；剪力墻結(jié)構(gòu)；抗震性能分析

中圖分類號：TU375文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"" 文章編號：

Seismic Performance Analysis of Prefabricated Building Shear Wall Structures

Abstract：This study aims to conduct an in-depth analysis of the seismic performance of prefabricated building shear wall structures.By making prefabricated shear wall structural specimens （VKSM） and cast-in-place concrete shear wall structural specimens （KSM），ensure that the height，thickness，and width of the two wall bodies are consistent，and the effectiveness of the test.Apply strong seismic action to each specimen，analyze key data such as horizontal displacement，horizontal load，yield load，and displacement of the specimen.At the same time，pay attention to the changes in the ductility coefficient and energy consumption index of each specimen，and determine the specimen with the best seismic performance.The test results show that the the ductility coefficient and energy consumption index of specimen KSM_1 lower than the specimen VKSM_1 and VKSM_2，with proves that the seismic performance of prefabricated shear wall structural specimens have better.In addition，the seismic performance of shear wall structures is closely related to yield displacement，yield load，ductility coefficient，energy dissipation coefficient，and other indicators.The larger the seismic index，the better the seismic performance of shear wall structures.

Keywords：prefabricated buildings; Shear wall structure; Seismic performance analysis

0 引言

裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)是建筑行業(yè)應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)體系，對于建筑工業(yè)化的發(fā)展具有重要作用。裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)在于：墻體與墻體、墻體與樓板、墻體與結(jié)構(gòu)梁之間的連接方式，連接方式的牢固程度直接決定了裝配式建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量[1]。現(xiàn)有技術(shù)方面，分為濕式與干式兩種連接形式。濕式連接需要預(yù)留孔漿錨搭接技術(shù)，以混凝土現(xiàn)澆帶連接的形式，滿足連接牢固需求。該技術(shù)在現(xiàn)場操作較為簡單，但是其本身構(gòu)造較復(fù)雜，灌漿質(zhì)量難以保證，會影響結(jié)構(gòu)的耐久性與抗震性[2]。干式連接不需要任何混凝土粘合劑，通過混凝土本身結(jié)構(gòu)性能，將各個(gè)部分連接在一起，為建筑提供良好的抗剪性能。

隨著裝配式建筑的廣泛應(yīng)用，其連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜、施工精度高等問題也隨之顯現(xiàn)，使結(jié)構(gòu)無法發(fā)揮出抗震性能，影響裝配式建筑的施工質(zhì)量[3]。裝配式建筑的梁、柱是主體結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件，梁柱通過角鋼連接，能夠?qū)⑸蠈訅毫εc梁柱自重傳遞到角鋼上，更符合構(gòu)件的受力需求。在地震來臨時(shí)，梁柱焊接節(jié)點(diǎn)會發(fā)生不同程度的損害，威脅到建筑主體機(jī)構(gòu)的安全性，更易造成建筑坍塌事故[4]。剪力墻作為典型的抗側(cè)力構(gòu)件，能夠與剪力框架相結(jié)合，能夠很大程度上改善建筑構(gòu)件的破損問題，在裝配式建筑中廣泛應(yīng)用。因此，本文進(jìn)行裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能分析。

1 試件設(shè)計(jì)與制作

本次試驗(yàn)結(jié)合試驗(yàn)室場地條件，制作了3個(gè)剪力墻機(jī)構(gòu)試件，編號分別為KSM_1，VKSM_1，VKSM_2。其中，KSM_1試件為現(xiàn)澆混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)；VKSM_1，VKSM_2為裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)[5]。剪力墻試件的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

由表1可知，本文制作的試件中，KSM_1，VKSM_1，VKSM_2的前跨比、混凝土柱截面尺寸、軸壓比存在變化，其余參數(shù)均保持一致，可以滿足試驗(yàn)需求。剪力墻墻身鋼板豎向拼接方式中，試件KSM_1通長兩排螺栓密布，試件VKSM_1居中210 mm范圍內(nèi)兩排螺栓密布，試件VKSM_2通長兩排螺栓密布[6]。將試件VKSM_1，VKSM_2在某預(yù)制工廠加工與制作之后，運(yùn)輸?shù)皆囼?yàn)室分析現(xiàn)場。將試件KSM_1在試驗(yàn)室內(nèi)完成內(nèi)填混凝土的施工。VKSM_1作為裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)試件，墻身的截面尺寸為450 mm×100 mm，墻身的鋼板厚度為3 mm，暗柱的鋼板厚度為4 mm。焊接在墻身鋼板上的鋼筋采用橫向布置，間距約為100 mm。墻身鋼板豎向拼接方式與墻身底部采用M10@35連接[7]。試件VKSM_2與試件VKSM_1的軸壓比不同，其余尺寸參數(shù)均相同。在混凝土澆筑的過程中，預(yù)留3個(gè)150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，3個(gè)試塊在相同條件下養(yǎng)護(hù)，并取抗壓強(qiáng)度為60.4 N/mm2的試塊作為KSM_1試件。本次試驗(yàn)采用反復(fù)水平的加載方式，加載裝置見圖1。

由圖1可知，本文在試件與豎向千斤頂?shù)奈恢蒙戏胖脡|梁，豎向荷載以均勻的形式施加在剪力墻構(gòu)件上。水平荷載由作動(dòng)器施加，加載點(diǎn)在加載量的中心。在基礎(chǔ)梁的兩端同時(shí)設(shè)置水平千斤頂，滿足剪力墻構(gòu)件底部的固定約束邊界條件[8]。在試驗(yàn)的過程中，施加大小與方向固定的豎向荷載，再通過作動(dòng)器施加水平荷載。同時(shí)，以1/1000位移角、1/500位移角作為1次荷載循環(huán)，往復(fù)3次循環(huán)。當(dāng)試件的水平荷載降到峰值荷載的85%以下，停止試驗(yàn)。此時(shí)，剪力墻結(jié)構(gòu)試件更能夠符合裝配式建筑的使用需求。

2 試驗(yàn)過程

在剪力墻結(jié)構(gòu)試件的往復(fù)荷載作用下，分析KSM_1，VKSM_1，VKSM_2試件的滯回曲線變化情況。滯回曲線越飽滿，耗能能力越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)抗震性能越強(qiáng)。滯回曲線在各個(gè)加載層之間不斷位移，最大荷載值的連線作為骨架曲線[9]。通過骨架曲線反映剪力墻結(jié)構(gòu)的初始剛度、屈服位移、屈服荷載、峰值荷載、極限位移、延性等抗震性能指標(biāo)。各個(gè)試件的骨架曲線見圖2。

由圖2可知，試件KSM_1，VKSM_1，VKSM_2均在（20，250）的位置承載力最高，試件VKSM_2的承載頂點(diǎn)超過了350 kN；試件VKSM_1的承載力頂點(diǎn)超過了300 kN；試件KSM_1的承載力頂點(diǎn)低于250 kN。在（0，0）的位置上，試件VKSM_2的斜率＞試件VKSM_1的斜率＞試件KSM_1的斜率。

本文通過剪力墻結(jié)構(gòu)滯回曲線獲得骨架曲線，骨架曲線在原點(diǎn)的切線方向即為結(jié)構(gòu)在受到正向或反向作用力時(shí)的響應(yīng)方向，此時(shí)的斜率為結(jié)構(gòu)的初始剛度。即在位移，承載力（0，0）的條件下，試件KSM_1，VKSM_1，VKSM_2的骨架斜率為初始剛度。骨架曲線處于最高點(diǎn)時(shí)，橫坐標(biāo)為峰值點(diǎn)位移，縱坐標(biāo)為峰值荷載。骨架曲線的頂點(diǎn)作為水平線，與原點(diǎn)切向相交的位置，做橫坐標(biāo)的垂線，與骨架曲線相交的點(diǎn)就是屈服點(diǎn)，橫坐標(biāo)為屈服位移，縱坐標(biāo)為屈服荷載[10]。在骨架曲線下降段，0.85倍峰值荷載對應(yīng)的荷載值就是極限荷載，極限荷載對應(yīng)的位移值即極限位移值。在骨架曲線上，屈服位移與荷載、極限位移與荷載、峰值位移與荷載的特征點(diǎn)分為正、負(fù)兩個(gè)方向。試件KSM_1，VKSM_1，VKSM_2結(jié)構(gòu)的正、負(fù)剛度平均值作為各個(gè)試件結(jié)構(gòu)的初始剛度。以骨架曲線為基礎(chǔ)，計(jì)算各個(gè)試件的延性系數(shù)，公式如下：

式（1）中：u為延性系數(shù)；△u為剪力墻結(jié)構(gòu)的極限位移，mm；△y為剪力墻結(jié)構(gòu)的屈服位移，mm。u表示試件KSM_1，VKSM_1，VKSM_2屈服之后，結(jié)構(gòu)的形變能力。u越大，試件的抗震性能越佳。試件KSM_1，VKSM_1，VKSM_2進(jìn)入屈服之后，同一層間的位移加載與荷載加載均進(jìn)行了奪權(quán)加載。多次循環(huán)的最大荷載與其對應(yīng)的位移，就是構(gòu)件的環(huán)線剛度。環(huán)線剛度的曲線斜率越平緩，剛度變化幅度越小，試件的整體抗震結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。根據(jù)試件的環(huán)線剛度變化情況，分析等效阻尼系數(shù)，計(jì)算公式如下：

式（2）中：H為剪力墻結(jié)構(gòu)的等效粘滯阻尼系數(shù)，Ns；Ed為滯回曲線面積，J；Es為彈性勢能，J。H與屈服位移、屈服荷載有關(guān)，屈服位移、屈服荷載越大，H越大，剪力墻結(jié)構(gòu)能夠吸收與分散的地震能量越多，從而減小剪力墻結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)幅度，對于提升結(jié)構(gòu)抗震性能具有重要作用。試件KSM_1，VKSM_1，VKSM_2在計(jì)算H的過程中，H越大，耗能環(huán)形狀越飽滿，抗震性能越佳。根據(jù)H的變化情況，計(jì)算出試件KSM_1，VKSM_1，VKSM_2在整個(gè)抗震過程的能量耗散系數(shù)。計(jì)算公式如下：

式（3）中：Ea為能量耗散系數(shù)。Ea越大，證明剪力墻結(jié)構(gòu)試件的耗能能力越強(qiáng)，試件的抗震性能也隨之增加。剛度退化情況能夠反映剪力墻試件在水平作用下，隨著塑性增加而降低的過程，也能夠反映能量耗散情況（見圖3）。

如圖3所示，（0，0）的位置為各個(gè)試件的初始剛度，向各個(gè)試件施加負(fù)向位移時(shí)，位移越大，剛度越小；向各個(gè)試件施加正向位移時(shí)，位移越大，剛度越小。在-40 mm的位移時(shí)，試件VKSM_2的剛度＞試件VKSM_1的剛度＞試件KSM_1的剛度。在+40 mm的位移時(shí)試件VKSM_2的剛度＞試件VKSM_1的剛度＞試件KSM_1的剛度。由此可見，剪力墻結(jié)構(gòu)吸收地震波的過程中，剛度呈現(xiàn)退化形式，但是試件VKSM_2與試件VKSM_1的剛度始終高于試件KSM_1的剛度，延遲了墻身開裂的時(shí)間，減小了裂縫的寬度，進(jìn)而提升了試件的抗震能力。

3 試驗(yàn)結(jié)果

地震波具有強(qiáng)烈的不確定性，本次試驗(yàn)選擇了合適的地震波，確保抗震性能分析的有效性。本文利用設(shè)計(jì)反應(yīng)譜選擇地震波，結(jié)合地震特性與多方面考量，該方法選擇的地震波是偏安全的結(jié)果。整個(gè)抗震性能分析分成3組，分別為KSM_1，VKSM_1，VKSM_2的結(jié)構(gòu)，場地類型為II類，8度設(shè)防。隨機(jī)選取出3條天然地震波，地震名稱分別為“Coyote Lake”“Imperial Valley-06”“El Centro Array #10”。“Coyote Lake”斷層距為3.11 km，以水平的方向傳輸?shù)卣鸩ǎ弧癐mperial Valley-06”斷層距為10.42 km，以水平的方向傳輸?shù)卣鸩ǎ弧癊l Centro Array #10”斷層距為8.6 km，以水平的方向傳輸?shù)卣鸩ā１疚睦肧eismo Match軟件生成了人工地震波，對地面運(yùn)動(dòng)記錄進(jìn)行調(diào)整與匹配，使其頻譜加速度與目標(biāo)響應(yīng)速度相匹配。在人工地震波的條件下，本文對構(gòu)件KSM_1，VKSM_1，VKSM_2的延性進(jìn)行分析（見表2）。

如表2所示，延性系數(shù)越大，剪力墻結(jié)構(gòu)的延性越佳，在強(qiáng)震作用下能夠承受的塑性形變能力越強(qiáng)，從而滿足剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能需求。無論是屈服荷載、屈服位移，還是峰值荷載、峰值位移，或是極限荷載、極限位移，試件VKSM_1，VKSM_2均高于試件KSM_1，試件VKSM_1，VKSM_2的延性系數(shù)同樣高于試件KSM_1。同時(shí)，試件VKSM_2的屈服荷載、峰值荷載、極限荷載均高于試件VKSM_1，屈服、峰值、極限位移同樣存在不同程度的變化。試件VKSM_2最終的延性系數(shù)高于試件VKSM_1。由此可見，裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能較佳，并且屈服、峰值、極限荷載越大，抗震性能越佳。試件耗能指標(biāo)見表3。

如表3所示，本文結(jié)合加載循環(huán)H，Ea在屈服點(diǎn)、峰值點(diǎn)、極限點(diǎn)對應(yīng)的變化，將試件KSM_1，VKSM_1，VKSM_2進(jìn)行耗能分析。其中，極限循環(huán)條件下，H值與Ea值處于較高的狀態(tài)；屈服循環(huán)條件，H值與Ea值處于相對較低的狀態(tài)。但從整體來看，試件KSM_1，VKSM_1，VKSM_2中的VKSM_2在極限循環(huán)時(shí)的H值與Ea值更高；KSM_1在極限循環(huán)時(shí)的H值與Ea值較低。由此證明，試件VKSM_2的抗震性能＞VKSM_1的抗震性能＞試件KSM_1的抗震性能，即裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)試件的抗震性能更佳。

4 結(jié)論

近年來，裝配式建筑的優(yōu)勢逐漸凸顯，例如，現(xiàn)場安裝與施工速度較快、現(xiàn)場浪費(fèi)與損耗更少等，使其成為運(yùn)用前景較為廣闊的建筑結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)建造方式相比，裝配式建筑能夠根據(jù)建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行定制制造，適應(yīng)不同的建筑施工環(huán)境。本文以試驗(yàn)的形式深入分析裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能與屈服位移、屈服荷載、延性系數(shù)、能量耗散系數(shù)有關(guān)，只有各個(gè)抗震指標(biāo)均滿足需求，才能確保裝配式建筑的整體安全性與穩(wěn)定性，本試驗(yàn)結(jié)果可為類似工程施工提供借鑒。

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