豎向分布筋不連接裝配式剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究*

肖緒文，曹志偉，劉 星，廖顯東

(1 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院建筑工程系，上海 200092；2 中國建筑股份有限公司，北京 100029；3 中國建筑第八工程局工程研究院，上海 200135；4 清華大學(xué)土木水利學(xué)院，北京 100084)

0 引言

裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能以及低能耗、高質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)[1]，已被廣泛應(yīng)用于房屋建筑中。而可靠的墻體鋼筋連接方式是保證裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵[2]，目前我國采用較多的鋼筋連接方式為套筒灌漿連接[3]。然而實(shí)際應(yīng)用中，套筒灌漿連接方式存在著諸多方面的不足，主要體現(xiàn)在以下方面：1)由于我國采用細(xì)鋼筋設(shè)計(jì)方式，導(dǎo)致墻體需要連接的鋼筋數(shù)量較多，實(shí)際裝配式墻體安裝過程中鋼筋難以準(zhǔn)確就位；2)目前由于產(chǎn)業(yè)工人技術(shù)水平參差不齊，同時(shí)灌漿質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)也不成熟，導(dǎo)致實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)灌漿質(zhì)量往往難以保證，容易造成安全隱患；3)較多數(shù)量的灌漿套筒也相應(yīng)地增加了建造成本。

為解決上述不足，減少豎向鋼筋連接，諸多學(xué)者提出了多種不同的裝配式剪力墻豎向鋼筋連接方式[4-6]，但均未從根本上解決減少豎向鋼筋連接后所帶來的墻體承載力及延性下降的問題。

本文提出了一種豎向分布筋不連接裝配式剪力墻(簡稱SGBL裝配式剪力墻)，如圖1所示。通過斷開墻體豎向分布鋼筋，邊緣構(gòu)件現(xiàn)澆的同時(shí)加大主筋配筋的方式，使得SGBL裝配式剪力墻內(nèi)部不再需要灌漿套筒。本文對(duì)4片足尺裝配式剪力墻試件開展擬靜力試驗(yàn)，對(duì)其抗震性能展開研究。

圖1 SGBL裝配式剪力墻

1 等承載力設(shè)計(jì)方法

為保證斷開豎向分布鋼筋后，SGBL裝配式剪力墻具備和現(xiàn)澆剪力墻等同的受力性能，需給出針對(duì)于SGBL裝配式剪力墻的抗彎承載力計(jì)算方法，如圖2所示。計(jì)算方法采取如下假定：1)SGBL裝配式剪力墻墻體豎向分布鋼筋斷開連接后，豎向分布鋼筋不再參與截面抗彎承載力計(jì)算；2)墻體底部截面混凝土應(yīng)變分布滿足平截面假定；3)忽略墻體底部混凝土及坐漿材料的抗拉承載力。

圖2 SGBL裝配式剪力墻抗彎承載力計(jì)算簡圖

SGBL裝配式剪力墻正截面抗彎承載力計(jì)算公式如下：

N=α1fcbx+A′sf′y-Asfy

(1)

M=A′sf′y(hw0-a′s)+α1fcbx(hw0-x/2)

(2)

式中：N為施加于剪力墻頂部軸向力設(shè)計(jì)值；M為施加于剪力墻正截面彎矩設(shè)計(jì)值；α1為等效系數(shù)，對(duì)于C50以下混凝土取1；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b為墻體厚度；x為相對(duì)受壓區(qū)高度；As，A′s分別為剪力墻端部受拉區(qū)、受壓區(qū)鋼筋面積之和；f′y，fy分別為剪力墻受壓、受拉邊緣構(gòu)件區(qū)域鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；a′s為受壓區(qū)邊緣到受壓區(qū)鋼筋合力點(diǎn)的距離；hw0為截面有效高度，hw0=h-a′s。

SGBL裝配式剪力墻等承載力設(shè)計(jì)流程如圖3所示。首先根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[7](簡稱高規(guī))求得對(duì)應(yīng)現(xiàn)澆剪力墻的抗彎承載力，之后根據(jù)“等同現(xiàn)澆”設(shè)計(jì)原則，由式(1)求得對(duì)應(yīng)的SGBL裝配式剪力墻墻體相對(duì)受壓區(qū)高度x，并由式(2)得出SGBL裝配式剪力墻邊緣構(gòu)件主筋計(jì)算結(jié)果。

圖3 SGBL裝配式剪力墻等承載力設(shè)計(jì)流程圖

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件設(shè)計(jì)

本文共設(shè)計(jì)了兩組共4片足尺SGBL裝配式剪力墻試件進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)。試件XD-1，PD-1為第一組剪跨比為2的高墻試件，XF-1，PF-1為第二組剪跨比為0.85的矮墻試件。其中XD-1，XF-1為每組的現(xiàn)澆對(duì)比剪力墻試件，PD-1，PF-1為采用本文等承載力設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)的SGBL裝配式剪力墻試件。試件設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，試件尺寸及配筋詳情如圖4所示。

圖4 試件尺寸及配筋詳情

試件設(shè)計(jì)參數(shù) 表1

2.2 材料性能

試件墻體采用C40商品混凝土，鋼筋等級(jí)為HRB400。在試驗(yàn)當(dāng)天測(cè)得的試件各部位混凝土立方體抗壓強(qiáng)度fcu及彈性模量如表2所示。不同直徑鋼筋的強(qiáng)度及伸長率如表3所示。

混凝土材料性能 表2

鋼筋材料性能 表3

2.3 加載裝置及加載方案

試驗(yàn)加載裝置如圖5所示。豎向荷載按照規(guī)定的設(shè)計(jì)軸壓比，由4根預(yù)應(yīng)力鋼棒施加到指定荷載。水平荷載通過4個(gè)2 000kN作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)水平往復(fù)加載，定義作動(dòng)器前推方向?yàn)檎蚣虞d，回拉方向?yàn)榉聪蚣虞d。試驗(yàn)采取力-位移控制加載方式，如圖6所示。水平加載首先采用力加載模式，當(dāng)?shù)竭_(dá)試件開裂荷載后轉(zhuǎn)為位移控制加載模式，此時(shí)采用墻體高度的1/400進(jìn)行分級(jí)加載。

圖6 水平加載制度

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 破壞形態(tài)

如圖7所示，SGBL裝配式剪力墻試件與現(xiàn)澆對(duì)比剪力墻試件破壞形態(tài)基本一致。全部表現(xiàn)為受拉鋼筋屈服，受壓區(qū)混凝土被壓碎，呈現(xiàn)典型壓彎破壞特點(diǎn)，其中PF-1試件現(xiàn)澆邊緣構(gòu)件與預(yù)制墻板中間出現(xiàn)豎向裂縫。

圖7 試件破壞形態(tài)

3.2 滯回曲線和骨架曲線

各試件滯回曲線和骨架曲線分別如圖8、圖9所示。由圖8可見，每組試件中SGBL裝配式剪力墻滯回曲線特征與現(xiàn)澆剪力墻基本保持一致，表明SGBL裝配式剪力墻同現(xiàn)澆剪力墻抗震性能相當(dāng)。加載初期，各試件滯回環(huán)呈線性，隨著最外側(cè)鋼筋屈服，滯回環(huán)表現(xiàn)出明顯的非線性特征，剛度降低，耗能能力明顯增強(qiáng)。最終破壞前推拉兩個(gè)方向的破壞程度不同，導(dǎo)致滯回環(huán)的不對(duì)稱。

圖8 試件滯回曲線

圖9 試件骨架曲線

由圖9可知，第一組高墻試件骨架曲線基本保持一致，第二組矮墻試件在加載后期，由于PF-1試件現(xiàn)澆邊緣構(gòu)件與預(yù)制墻板中間出現(xiàn)豎向裂縫，導(dǎo)致墻體后期承載力下降減緩，延性增加。

3.3 承載力及延性

各試件試驗(yàn)所得承載力及變形(開裂荷載Vcr、屈服荷載Vy、極限荷載Vu、屈服位移Δy、極限位移Δu以及延性系數(shù)μ)如表4所示。由表4中的試驗(yàn)結(jié)果可看出，SGBL裝配式剪力墻試件承載力與現(xiàn)澆對(duì)比剪力墻試件承載力基本相同，表明針對(duì)SGBL裝配式剪力墻試件設(shè)計(jì)所采用的等承載力設(shè)計(jì)方法是合理的。試驗(yàn)所有試件均滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[8]中關(guān)于結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值1/120的規(guī)定。通過計(jì)算試件的極限位移Δu與屈服位移Δy比值確定其延性系數(shù)，對(duì)比可知第一組高墻試件中，XD-1與PD-1試件延性系數(shù)基本相同，第二組矮墻試件中，由于現(xiàn)澆邊緣構(gòu)件與預(yù)制墻板中間豎向裂縫出現(xiàn)，PF-1試件延性系數(shù)較XF-1試件提高約30%，表明豎向裂縫的出現(xiàn)提高了SGBL裝配式剪力墻墻體變形能力。

各試件試驗(yàn)所得承載力及變形 表4

3.4 剛度退化

根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ 101—1996)[9]規(guī)定，將每次循環(huán)最大位移的割線剛度定義為等效剛度Ki：

(3)

式中：+Fi為正向加載條件下，試件在第i次加載循環(huán)時(shí)的峰值荷載；-Fi為負(fù)向加載條件下，試件在第i次加載循環(huán)時(shí)的峰值荷載；+Xi為正向加載條件下，試件在第i次加載循環(huán)時(shí)的峰值荷載對(duì)應(yīng)的位移；-Xi為負(fù)向加載條件下，試件在第i次加載循環(huán)時(shí)的峰值荷載對(duì)應(yīng)的位移。

各試件剛度退化情況如圖10所示。不難看出，SGBL裝配式剪力墻剛度退化曲線與現(xiàn)澆剪力墻的基本重合，在加載初期退化速度較快，隨著水平位移增加，墻體剛度退化逐漸減緩。

圖10 試件剛度退化

3.5 耗能能力

選取累計(jì)耗能與等效黏滯阻尼系數(shù)表征試驗(yàn)墻體的耗能能力，如圖11、圖12所示。等效黏滯阻尼系數(shù)ξ0計(jì)算公式如下：

圖11 試件累計(jì)耗能

圖12 試件等效黏滯阻尼系數(shù)

ξ0=ED/2πES0

(4)

式中：ED為一個(gè)位移循環(huán)耗散能量；ES0為基于最大位移的等效線彈性系統(tǒng)含有的彈性能量。

由圖11、圖12可知，隨著水平位移的增加，墻體累計(jì)耗能逐漸增加，且同一位移循環(huán)下，正向階段耗能略大于反向階段。XD-1與PD-1試件耗能能力基本相同，PF-1試件在加載后期耗能能力較XF-1試件有所提高，表明PF-1試件墻體豎向裂縫的出現(xiàn)提高了墻體耗能能力。

4 結(jié)論

本文提出了一種SGBL裝配式剪力墻，并提出了針對(duì)于這種新型墻體的等承載力設(shè)計(jì)方法，同時(shí)為探究SGBL裝配式剪力墻抗震性能，進(jìn)行了4片足尺試件的擬靜力試驗(yàn)，相關(guān)結(jié)論如下：

(1)SGBL裝配式剪力墻試件與現(xiàn)澆對(duì)比剪力墻試件破壞形態(tài)基本一致，全部表現(xiàn)為受拉鋼筋屈服，受壓區(qū)混凝土被壓碎，呈現(xiàn)典型壓彎破壞特點(diǎn)。

(2)采用本文提出的等承載力設(shè)計(jì)方法配筋的SGBL裝配式剪力墻與現(xiàn)澆剪力墻承載力基本相同，表明針對(duì)SGBL裝配式剪力墻的等承載力設(shè)計(jì)方法是合理的。

(3)試驗(yàn)過程中，PF-1試件現(xiàn)澆邊緣構(gòu)件與預(yù)制墻板之間出現(xiàn)豎向裂縫，同時(shí)由于豎向裂縫的出現(xiàn)，PF-1試件延性及耗能能力均較現(xiàn)澆XF-1試件有相應(yīng)提高。

綜上所述，本文提出的SGBL裝配式剪力墻承載力、延性、耗能能力與現(xiàn)澆剪力墻相比基本相當(dāng)，且由于墻體豎向鋼筋不再需要灌漿套筒進(jìn)行連接，現(xiàn)場(chǎng)施工方便，質(zhì)量容易保證，具備較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。