土木工程預應力裝配混凝土復合墻板抗震性能試驗研究

秦士洪　何登偉　陳鵬　張瀑

摘要：結合砌體結構的發(fā)展現(xiàn)狀和住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展趨勢，提出一種“預應力裝配混凝土復合墻板”，以期望在中小城鎮(zhèn)低層建筑民用房屋中發(fā)展一種新的結構形式來對砌體結構進行補充。為了考察該復合墻板的抗震性能，對2塊不同預應力度的試件進行了擬靜力試驗。得到了相應試件的抗震性能指標，顯示該墻板具有較好的承載能力和變形性能，分析認為所提出的墻板可以達到8度區(qū)低層民用房屋的應用要求，可以作為砌體承重墻的一種替代形式，并且對該墻板相關構造提出了改進建議。

關鍵詞：預制裝配結構；抗震性能；擬靜力試驗；混凝土復合墻板；住宅產(chǎn)業(yè)化

中圖分類號：TU375

文獻標志碼：A文章編號：16744764（2016）01000108

Abstract：

Based on the present situation of masonry structure and the development of housing industrialization， We proposed an invonative unbonded posttensioned precast concrete composite wall to develop a new structure form in the lowrise civil construction. We studied two specimens with various levels of prestressing were studied experimentally by the quasistatic test system to investigate the seismic behavior of the composite wall and obtained the seismic behavior indexes of corresponding specimens. The results show that the walls have better bearing capacity and good ductility. They could meet the application requirements of the lowrise building in eightintensity area and be used as an alternative of masonry loadbearing wall

structure. We also presented some suggestions about the structure forms of the compostie wall.

Keywords：prefabricated structure； seismic behavior； quasistatic test； concrete composite wall； housing industrialization

砌體材料由于其地方性、經(jīng)濟性和可操作性，使其具有廣泛的應用范圍，不論在民用還是工業(yè)建筑中都有其適用之處。根據(jù)2011年左右的統(tǒng)計，砌體仍然占有70%以上的建造面積[1]。砌體基本上是手工方式砌筑，施工勞動量大，且由于粘土磚需要粘土制造，占用較多的農(nóng)田，故國務院提出 “限粘禁實”的政策，這使得砌體的發(fā)展受到了一定的影響。

另一方面，隨著中國經(jīng)濟社會發(fā)展的城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的深入，作為國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)的建筑業(yè)迫切需要產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化轉型升級。2006年建設部頒布了《國家住宅產(chǎn)業(yè)化基地實施大綱》，2013年國務院辦公廳出臺了《綠色建筑行動方案》等文件，這促進了

近年來國內裝配式住宅的研究開發(fā)。本文結合這種發(fā)展方向提出了一 種“預應力裝配混凝土復合墻板”。

預應力作為一種具有較好恢復性能的裝配手段在裝配式剪力墻結構體系中較常用，通常的連接方式有豎向和水平無粘結預應力筋連接。比如美日聯(lián)合項目PRESSS[23]提出的一種豎向通過后張無粘結預應力裝配式剪力墻結構，

試驗研究顯示該體系具有較好的抗震性能和自恢復性能。Smith等[45]對豎向通過無粘結預應力筋裝配的墻板進行了試驗和數(shù)值分析，表明該連接方式墻板具有較的抗震性能，并且Smith等[6]對開洞剪力墻采用了同樣的裝配方式進行試驗，取得了相似的成果。Kurama等[7]通過水平無粘結預應力筋將墻板連梁進行連接，進行了11個1/2縮尺試件的抗震試驗，表明破壞主要發(fā)生在墻體與連梁的連接節(jié)點的破壞，墻體自恢復性能較好。

孫巍巍等[89]結合中國現(xiàn)狀進行的相似的連梁和墻肢試驗及數(shù)值分析研究，試件通過水平無粘結預應力來裝配。

表明在合理的設計下，可以使得破壞主要發(fā)生在連梁與墻肢的連接結合部位，同時，墻體具有較好的恢復性。

本文提出一種新型的水平無粘結預應力筋直接對墻板裝配的剪力墻，并對兩片拼裝墻板進行抗震試驗研究，其主要目的：1）研究所提出的拼裝墻板的性能指標，以驗證所提出的拼裝方式的可靠性；2）觀察該墻板在水平和垂直雙向荷載作用下的裂縫開展部位、形態(tài)發(fā)展規(guī)律，以及墻體的破壞機制；3）考察該墻板的抗震性能，與類似高寬比的砌塊砌體墻對比，評估該墻板可否作為砌體承重墻的一種替代形式。

1試件設計制作及試驗方法

1.1試件設計制作

1.1.1試件尺寸

考慮到構件的標準化生產(chǎn)和預制構件加工模板情況，以及試驗場地的大小等因素，參考類似高寬比砌塊砌體墻的試驗研究文獻，確定裝配墻板單元及裝配后試件的尺寸如圖1及圖2所示，圖中單斜線圖例表示加氣混凝土，點及三角圖例表示普通混凝土。

1.1.2墻板單元配筋A和A′型墻板構造柱縱筋為412，箍筋采用6@150，橫肋縱筋采用410，箍筋采用6@140；B型墻板橫肋縱筋采用410，箍筋采用6@150；所有豎肋內均設置一根12縱筋；加氣混凝土在澆筑時作為模板，內部不設置鋼筋。墻板單元的配筋剖面圖如下：

材料強度：混凝土的實測立方抗壓強度為44.6 MPa，試件所采用的鋼筋實測性能如表1。

1.1.3墻板裝配首先進行墻板的拼裝，在A、B和A′3塊板上下橫肋相同位置預留孔道，然后上下橫肋中各穿入一根無粘接鋼絞線（15.2），通過預應力對墻板進行拼裝，拼裝張拉控制應力分別取05fptk（試件1號）和0.6fptk（試件2號）（其中fptk為鋼絞線極限強度標準值1 860 MPa）。拼裝縫做成企口，采用干接縫。把拼裝好的整體墻板與地梁進行連接，A和A′型墻板的構造柱底部以及地梁相應位置預埋有鋼板，采用焊接連接。為保證整體墻板的垂直度，先在底部用水泥 砂漿調平。

1.2測量方案

測量內容包括變形測量和應變測量。應變測量主要測量關鍵點的水平和豎向鋼筋應變，豎向鋼筋應變片主要設置在構造柱底部和墻板相鄰的豎肋內，水平鋼筋上的應變片則沿試件斜對角布置。各單元墻板以及整體墻板的變形采用百分表測量，如圖5所示。

1.3加載裝置和加載制度

采用懸臂式加載方式，加載裝置如圖6所示。首先進行豎向力加載，其后在水平力加載的過程中豎向力保持不變，其值為680 kN，其設計軸壓比為0.1（按照純混凝土計算）。試驗全程采用位移控制加載。水平力加載開始后，先在試件的開裂荷載下循環(huán)一次，然后以3 mm為級差，每級循環(huán)兩次，直至試件破壞。水平荷載加載制度如圖7所示。

2試驗結果及分析

2.1破壞過程和破壞形態(tài)

試件的開裂破壞特點：1）混凝土板面?zhèn)龋簝蓚€試件都首先在A和A型墻板構造柱邊緣產(chǎn)生水平裂縫。然后在水平位移加載至6 mm過程中出現(xiàn)較大的斜裂縫發(fā)展。其后基本只有斜裂縫發(fā)展，試件呈現(xiàn)明顯的剪切破壞特征。加氣混凝土板面?zhèn)龋涸谖灰萍虞d至9 mm前基本沒有明顯的破壞，9 mm后逐漸出現(xiàn)較明顯的斜裂縫發(fā)展，裂縫的出現(xiàn)及發(fā)展滯后于混凝土板側；從整體墻板來看，裂縫在三個單元間沒有明顯的連貫性。2）由于1號試件的地梁預埋鋼板在試驗后期被拔出，故循環(huán)加載提前結束，這也說明了連接是預制裝配的關鍵之一。各試件的破壞狀況見圖8、圖9。

圖10所示滯回曲線的一個明顯特點是，殘余變形在正方向（推）的積累越來越大，而負向（拉）的殘余變形一直很小，尤其是1號試件表現(xiàn)得很明顯。2個試件的骨架曲線都沒有明顯的直線段。分析認為這是因為試件由預應力拼裝而成，拼裝縫之間存在摩擦，這導致了試件受力的非線性；同時，干拼裝縫被越壓越緊，導致墻板殘余變形在推的方向積累越來越大。1號試件由于地梁的預埋鋼板拔出破壞，故其骨架曲線正方向沒有出現(xiàn)下降段。

2.3承載能力

試驗全程采用位移控制加載，實際試件高寬比為0.652，沒有明顯的屈服點出現(xiàn)，故無法測試到屈服位移。本文采用Park法求得試件的名義屈服荷載[10]。表2列出了試件的各受力特征點的測試數(shù)據(jù)。為了與相近高寬比砌體墻的承載能力比較，表3列出了國內其他學者的試驗測試數(shù)據(jù)。可以看出，裝配式復合墻板的承載力比砌體墻的承載力大很多。

2.4延性性能

延性系數(shù)μ定義為構件的極限位移Δu與屈服位移Δy的比值，一般極限位移取為荷載下降到085倍峰值承載力Fu時的位移。由于1號試件發(fā)生地梁預埋鋼板拔出而提前結束加載，其承載力還未進入下降段。此處為作比較，采用峰值荷載下的位移Δp與屈服位移Δy的比值μp來衡量，我們稱其為名義延性系數(shù)，見表4。顯然，如無該意外，實際延性系數(shù)μ還要大一些。

從表4中可以看出，1號試件由于發(fā)生預埋件拔出破壞，導致其延性系數(shù)不大，但仍與文獻[17]（見表5）中統(tǒng)計的試件的延性系數(shù)接近，由此可以預見，如果沒有發(fā)生地梁預埋件拔出的情況，所具有的延性系數(shù)將會更大，將會超過該文獻中更多的試件；而2號試件的延性系數(shù)則超出了文獻統(tǒng)計的絕大多數(shù)試件的延性系數(shù)。通過比較可以認為本復合墻板的延性較好。另一方面，可以計算出2號試件的實際延性系數(shù)μ，正向為10.1，負向為7.4。比名義延性系數(shù)大，這與推斷一致。

2.5剛度退化

在循環(huán)反復荷載作用下，以及相同的加載位移下，滯回環(huán)峰值點荷載隨循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減小，這種現(xiàn)象稱為剛度退化。將同級加載位移下第一循環(huán)達到峰值位移的割線剛度定義為等效剛度K。表5為試件各階段的等效剛度，其中Kcr，Ky，Ku分別代表開裂，屈服，峰值時的剛度。

由表6及圖12可以看出，正向特征點的等效剛度比負向的等效剛度小，這反映了正向殘余變形不斷積累的現(xiàn)象；同時還可以看出，2號試件各受力特征點的等效剛度都比1號試件的大，這正是由于1號試件的地梁預埋鋼板在加載過程中逐漸被拔出，導致其等效剛度下降。同時也說明該墻板與地梁的連接對于整體墻性能有相當大的影響。

可以看出，試件的最大位移角值都超過了混凝土結構設計規(guī)范所規(guī)定的剪力墻結構在大震作用下的彈塑性位移角1/120。但值得注意的是，該試件的高度僅為1 500 mm，表現(xiàn)以剪切變形為主，仍然能在較大的層間位移下而不破壞，證明了該復合墻板的的受力性能較好。

為了考察各墻板單元的變形成分，對各墻板單元在每級加載下第一循環(huán)所達到最大位移進行了變形成分分析。其主要結果：1）各墻板單元的變形都以剪切變形為主，剪切變形成分大多數(shù)達到85%以上，并且在加載后期剪切變形成分的比重越來越大；2）同一試件中，B型墻板單元的剪切變形一般比A及A型的剪切變形大，分析認為這是由于加載裝置導致的，即上部豎向力加載的鋼墊梁長度完全覆蓋了B板，而沒有覆蓋完A型板和A型板，B型板的頂部轉動受到了鋼墊梁的約束，其變形更趨向于純剪切。

2.7墻體的整體工作性能分析

本墻板是由3個墻板單元通過預應力拼裝而成，故其整體工作性是一個重要的考察指標。圖13分別為兩個試件的百分表4所測數(shù)值與百分表5的差值隨加載過程的變化?？梢钥闯鲭S著加載的進行，相鄰墻板單元的豎向變形出現(xiàn)了差值，這說明相鄰的拼裝單元出現(xiàn)了相互的錯動，并且越到后期差值越大，即墻板整體工作性能逐漸劣化，百分表8與9也有相似的情況。另一方面，從A型板與B型板、以及A型板與B型板相鄰豎肋中同一高度處縱筋的應變變化上也可佐證這個觀點。如圖14所示，A型板與B型板相鄰豎肋中縱筋的應變變化出現(xiàn)了交叉現(xiàn)象，即應變出現(xiàn)了相反的變化，這也佐證了各墻板單元具有單獨受力的特性。

2.8拼裝預應力變化

本復合墻板采用預應力作為裝配手段，預應力在周期循環(huán)加載過程中的變化情況是較重要的考察指標。

從圖15中可以看出，各試件預應力筋的預應力都在逐漸下降，越到加載后期上部預應力筋與下部預應力筋的預應力值越接近，且上部預應力的下降幅度超過了下部。分析認為前者是由于墻板的構造所造成的，為了裝配方便，在墻板單元的相接部位設置了企口，施工精度原因使得企口不能完全緊密契合，在加載過程中相鄰企口不斷錯動，契合越來越緊密，導致預應力筋的長度變短，預應力變小；而后者原因是墻板的下部與地梁焊接連接，變形受到了地梁的約束。

3結論

通過2個預應力裝配混凝土復合墻板試件的擬靜力試驗及結果分析，得到如下主要結論：

1）與相近高寬比砌體墻體試驗結果比較可知，預應力裝配復合墻板的抗震性能較好，可以滿足在8度區(qū)低層建筑中的性能要求，可以作為砌體承重墻的一種替代形式。

2）在反復荷載作用下預應力裝配復合墻板的整體工作性能逐漸降低；裝配預應力的大小對于墻板的承載力沒有明顯的影響。

3）預應力裝配復合墻板與地梁連接可靠性直接影響墻板的工作性能，實際工程中墻板與樓蓋水平構件的連接屬于同樣的問題，需進行專門試驗改進。

4）本試件所采用的墻板裝配企口契合方式對預應力產(chǎn)生了較大的損失，相鄰單元墻板之間的拼接縫構造還有待于改進。

參考文獻：

[1] 周炳章. 我國砌體結構抗震的經(jīng)驗與展望[J]. 建筑結構， 2011（09）：151158.

Zhou B Z. Experiences and future of earthquakeresisting of the masonry structure in China[J].BuildingStructure，2011（09）：151158.（in Chinese）

[2] Nakaki S D， Stanton J F， Sritharan S. An overview of the presss fivestory precast test building[J]. PCI Journal， 1999，44（2）：2639.

[3] Priestley M J N， Sritharan S， Conley J R， et al. Preliminary results and conclusions from the presss fivestory precast concrete test building[J]. PCI Journal， 1999，44（6）：4267.

[4] Smith B J. Design of hybrid precast concrete walls for seismic regions[J]. American Society of Civil Engineers， 2014：110.

[5] Smith B J， Kurama Y C. Analytical model validation of a hybrid precast concrete wall for seismic regions[C]∥ ASCE Structures Congress 2010， 2010.

[6] Smith B J，Kurama Y C. Comparison of solid and perforated hybrid precast concrete shear walls for seismic regions[C]∥ ASCE Structures Congress 2012， 2012.

[7] Kurama Y C， Weldon B D， Shen Q. Experimental evaluation of posttensioned hybrid coupled wall subassemblages[J]. Journal of Structural Engineering， 2014，132（7）：10171029.

[8] 孫巍巍，孟少平， 蔡小寧. 后張無粘結預應力裝配式短肢剪力墻擬靜力試驗研究[J]. 南京理工大學學報， 2011（3）：422426.

Sun W W，Meng S P， Cai X N. Quasistatic test research of unbonded posttensioned assembly short 1imb shear wall[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology，2011（3）：422426.（in Chinese）

[9] 孫巍巍， 孟少平. 后張無粘結預應力裝配混凝土聯(lián)肢抗震墻的連梁組合體抗側性能[J]. 東南大學學報：自然科學版， 2007（2）：190194.

Sun W W， Meng S P. Lateral lload behavior of unbonded posttensioned coupled concrete wall subassemblages[J]. Journal of Southeast University ：Natural Science Edition，2007（2）：190194.（in Chinese）

[10] 華川. 帶暗支撐型鋼高強混凝土低矮剪力墻抗震性能的試驗研究[D]. 重慶：重慶大學， 2012.

Hua C. Experimental study on seismic behavior of steel reinforcement highstrength concrete low shear wall with concealed bracings[D]. Chongqing：Chongqing University，2012.（in Chinese）

[11] 金偉良， 徐銓彪， 潘金龍， 等. 不同構造措施混凝土空心小型砌塊墻體的抗側力性能試驗研究[J]. 建筑結構學報， 2001（6）：6472.

Jin W L，Xu Q B，Pan J L，et al.Experimental study on lateral resistance behavior of small concrete hollow block wall with different constructional measures[J].Journal of Building Structules，2001（6）：6472.（in Chinese）

[12] 李振威， 劉偉慶， 藍宗建， 等. 設置芯柱的混凝土小型空心砌塊墻體抗震性能研究[J]. 工程抗震， 1999（2）：811.

Li Z W，Liu W Q， Lan Z J，et al. Experimental study on seismic behavior of masonry walls made up of smallsized hollow concrete blocks with core columns[J].Earthquake Resistant Engineering，1992（2）：811.（in Chinese）

[13] 鄔瑞鋒， 賈阿興， 奚肖鳳， 等. 外加鋼筋混凝土構造柱提高磚墻抗震性能的試驗和分析[J]. 大連工學院學報， 1983（4）：1724.

Wu R F， Jia A X， Xi X F，et al. Test and analysis of the earthguakeresistant behaviour of the brickwalls with reinforced concrete columns[J].Journal of Dalian University of Technology ，1983（4）：1724.（in Chinese）

[14] 劉錫薈， 張鴻熙， 劉經(jīng)偉， 等. 用鋼筋混凝土構造柱加強磚房抗震性能的研究[J]. 建筑結構學報， 1981（6）：4755.

Liu X H，Zhang H X，Liu J W，et al. A study of seismic characteristics of masonry building with reinforced concrete tiecolumns[J].Journal of Building Structules，1981（6）：4755.（in Chinese）

[15] 施楚賢， 梁建國. 設置砼構造柱的網(wǎng)狀配筋磚墻的抗震性能[J]. 建筑結構， 1996（9）：914.

Shi C X， Lian J G.The seismic behavior of the brick masonry wall with rc constructional columns and steel networks in bed joints[J]. Building structure ，1996（9）：914.（in Chinese）

[16] 李利群， 劉偉慶. 設置構造柱的混凝土小型空心砌塊砌體抗震性能的研究[J]. 工程抗震， 2001（4）：1620.

Li L Q， Liu W Q. The seismic behavior of the small size concrete hollow block walls established with reinforced concrete constructional columns [J]. Earthquake Resistant Engineering， 2001（4）：1620.（in Chinese）

[17] 左淑紅， 熊立紅， 田志敏. 約束混凝土小砌塊墻片低周反復荷載下的抗震性能研究[J]. 黑龍江大學工程學報， 2012（1）：2227.

Zuo S H， Xiong L H， Tian Z M. Study on seismic characters of small concrete block restrained masonry walls on low cycle loading[J]. Journal of Heilongjiang Hydraulic Engineering College，2012（1）：2227.（in Chinese）

（編輯胡玲）