螺栓連接裝配式多層剪力墻抗震性能試驗研究*

李 然， 田春雨， 馬云飛， 王景龍

(1 中國建筑科學(xué)研究院有限公司， 北京 100013；2 三一筑工科技有限公司， 北京 100095)

0 概述

經(jīng)過近十幾年的發(fā)展，我國新型裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計、生產(chǎn)、施工技術(shù)日漸豐富、完善，應(yīng)用體量不斷增長。在結(jié)構(gòu)安全的前提下，經(jīng)濟性和高效率逐漸成為裝配式混凝土結(jié)構(gòu)新的發(fā)展方向。以螺栓連接為代表的干式連接方法以其生產(chǎn)、施工便捷，經(jīng)濟性好等因素被引入到裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生了不同類型的螺栓連接技術(shù)。國內(nèi)的研究多以“整體式”為目標(biāo)，因此將螺栓用于受力較小的豎向分布鋼筋的連接[1]，而邊緣構(gòu)件的豎向鋼筋仍采用搭接連接，或借助高強螺栓擰緊后鋼連接板與混凝土構(gòu)件產(chǎn)生的摩擦力形成連接[2]。前者利用螺栓的受拉性能直接承力，后者利用高強螺栓產(chǎn)生的剪力傳遞荷載。國外的剪力墻結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于低多層結(jié)構(gòu)中，通常采用以螺栓為基礎(chǔ)的不同形式的螺栓連接器產(chǎn)品或預(yù)應(yīng)力鋼筋，直接連接預(yù)制混凝土構(gòu)件[3-6]，提高了設(shè)計、施工效率。

在裝配式多層剪力墻結(jié)構(gòu)中，如果仍采用裝配整體式剪力墻的設(shè)計與構(gòu)造措施，結(jié)構(gòu)的承載和抗震等能力的冗余度較大、經(jīng)濟性較差。為了推動裝配式多層混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展，我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 1—2014)[7](簡稱裝配式結(jié)構(gòu)規(guī)程)設(shè)置了“多層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計”章節(jié)。相對于高層的裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)，裝配式多層剪力墻結(jié)構(gòu)在配筋、構(gòu)造等設(shè)計方面有一定的放松。但由于缺少研究成果的支撐，裝配式結(jié)構(gòu)規(guī)程僅給出了概念性的設(shè)計方法，缺少具有可操作性的設(shè)計條款，裝配式多層結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用仍然存在困難。

本文提出了一種應(yīng)用于裝配式多層混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的螺栓連接方法，見圖1。通過在預(yù)制構(gòu)件上預(yù)留操作手孔、螺栓孔以及預(yù)埋連接器，擰緊螺栓后即形成應(yīng)用于豎向與水平接縫的連接節(jié)點。應(yīng)用于裝配式多層剪力墻結(jié)構(gòu)中，可實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件無外伸鋼筋、側(cè)邊無需粗糙面，生產(chǎn)、施工效率高，現(xiàn)場安裝簡便快速等優(yōu)點，充分發(fā)揮了工業(yè)化的優(yōu)勢，連接方法已納入到團體標(biāo)準(zhǔn)《裝配式多層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 604—2019)[8]中。

圖1 螺栓連接節(jié)點

豎向接縫節(jié)點(圖1(a))構(gòu)造為兩側(cè)預(yù)制剪力墻邊緣分別預(yù)留螺栓孔和操作手孔，擰緊螺栓后完成連接；水平接縫節(jié)點(圖1(b))構(gòu)造為在樓板內(nèi)預(yù)埋螺紋套筒、在剪力墻底部預(yù)留螺栓孔和操作手孔，擰緊螺栓后完成連接。所有預(yù)制構(gòu)件接觸面光滑，豎向接縫由于建筑防水需要，增加相應(yīng)的構(gòu)造措施；水平接縫由于防水、安裝施工的需要，接縫處采用坐漿處理。通過對豎向接縫節(jié)點的直剪[9]和水平接縫節(jié)點的壓剪力學(xué)性能試驗，驗證了節(jié)點性能可靠，但剛度、承載力與裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)中接縫節(jié)點區(qū)別較大。

為研究上述螺栓連接節(jié)點在裝配式多層剪力墻結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的可靠性以及抗震性能，設(shè)計了2組4個剪力墻試件，進行低周往復(fù)荷載作用下的抗震性能試驗，研究其承載力、剛度、延性以及抗震性能，研究螺栓連接節(jié)點破壞情況以及水平、豎向拼裝縫的滑移情況等，分析螺栓連接的裝配式多層剪力墻的受力機理，提出受力模型與承載力計算方法，為裝配式多層剪力墻結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計提供依據(jù)。

1 試驗概述

1.1 試件設(shè)計與制作

試件設(shè)計以多層剪力墻結(jié)構(gòu)工程為參考，主要參數(shù)包括剪跨比、軸壓比以及配筋等，見表1。試件高度取普通住宅層高2 800mm，墻厚150mm；墻身水平與豎向分布鋼筋配筋率0.16%。混凝土設(shè)計強度C40級，鋼筋HRB400級。試件尺寸及布置見圖2。

表1 試件參數(shù)

圖2 試件尺寸及布置

多層剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻本身可以提供較高的剛度和承載能力，因此邊緣構(gòu)件在多層剪力墻結(jié)構(gòu)中作用不明顯，且不經(jīng)濟，為進一步簡化多層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計并研究無邊緣構(gòu)件的裝配式剪力墻的力學(xué)性能與抗震性能，試件未設(shè)置邊緣構(gòu)件?？紤]到實際結(jié)構(gòu)中樓板對剪力墻的約束作用，在試件頂部設(shè)置加載梁。

試件水平接縫采用坐漿處理，水平和豎向接縫均采用單排8.8級M16高強螺栓連接，間距600mm。試件安裝施工時，參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[10]，對每個螺栓施加80kN預(yù)緊力，隨后用細(xì)石混凝土對操作手孔進行封堵。

實測混凝土軸心抗壓強度分別為37.2，40.0MPa；鋼筋屈服強度480MPa，極限強度655MPa；8.8級M16高強螺栓屈服強度650MPa，極限強度799MPa。水平接縫采用坐漿處理，實測抗壓強度52.5MPa。

1.2 加載制度與量測內(nèi)容

試件加載裝置見圖3，采用200t液壓千斤頂施加軸壓力、300t電液伺服作動器施加往復(fù)水平荷載。首先施加軸壓力，并在試驗過程中保持不變；然后施加往復(fù)水平荷載。試件屈服前采用力控制加載，每級循環(huán)1次；屈服后采用位移控制加載，每級循環(huán)2次。

圖3 加載裝置示意圖

試件的應(yīng)變片及位移計布置見圖4，量測重點位置的螺栓、鋼筋以及混凝土表面應(yīng)變變化；量測試件層間位移，水平、豎向接縫滑移，試件兩側(cè)邊翹起情況。

圖4 試件應(yīng)變片及位移計布置圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象描述

試件LSQ1-1在水平力為300kN時根部開裂并逐漸延伸，至層間位移5mm時貫通，同時豎向接縫開始滑移。層間位移為12.5mm時，墻板上部出現(xiàn)指向豎向接縫連接螺栓的斜裂縫。層間位移為17.5mm時(層間位移角為1/160)，剪力墻角部開始壓潰，豎向接縫底部滑移達(dá)5mm，兩預(yù)制墻板接近于各自獨立受力；試件底部50mm高度范圍內(nèi)逐漸出現(xiàn)開裂、裂縫延伸以及混凝土剝落。層間位移為30mm時，墻板出現(xiàn)兩端均指向螺栓的斜向裂縫，此時層間位移角已超過1/100，荷載已降至峰值荷載的85%以下。層間位移繼續(xù)加載至40mm時(層間位移角為1/70)，墻體底部100mm范圍內(nèi)混凝土剝落嚴(yán)重，兩側(cè)角部壓潰嚴(yán)重，斜裂縫突然增寬，循環(huán)加載時承載力陡降，試驗結(jié)束。

試件LSQ1-2試驗現(xiàn)象與試件LSQ1-1相近。試件LSQ2-2在水平力為150kN時根部水平接縫開裂并不斷延伸，層間位移為7.5mm時貫通。層間位移為15mm時(層間位移角為1/187)，墻底100mm范圍內(nèi)逐漸出現(xiàn)水平裂縫、表面逐漸外鼓。層間位移為25mm時(層間位移角為1/112)，螺栓處表面混凝土剝落、并出現(xiàn)豎向裂縫；此后墻底部不斷有混凝土剝落，豎向裂縫向上伸展。層間位移為40mm時(層間位移角為1/70)，預(yù)制墻兩側(cè)角部混凝土壓潰、承載力開始下降；層間位移為50mm時(層間位移角為1/56)，墻底200mm范圍內(nèi)混凝土大量剝落、預(yù)制墻兩側(cè)角部壓潰嚴(yán)重，承載力下降較多，試驗結(jié)束。

試件LSQ2-1試驗現(xiàn)象與試件LSQ2-2相近。試驗現(xiàn)象表明，帶豎向接縫的小剪跨比試件LSQ1-1，LSQ1-2首先發(fā)生水平接縫的彎曲破壞，繼續(xù)加載，墻體發(fā)生剪切破壞；大剪跨比試件LSQ2-1，LSQ2-2發(fā)生水平接縫的彎曲破壞。試件首先發(fā)生水平接縫的剪切破壞，因此墻體未設(shè)置邊緣構(gòu)件并未對結(jié)構(gòu)的破壞模式產(chǎn)生明顯影響。所有試件破壞模式與裂縫分布見圖5。

圖5 試件破壞模式與裂縫分布

2.2 試件承載力、變形及延性

試件的頂點荷載-位移關(guān)系滯回曲線和骨架線見圖6。試件的滯回曲線捏縮效應(yīng)明顯，由細(xì)長弓形逐漸過渡為扁平的弓形或S形，達(dá)到峰值荷載后，滯回曲線略有豐滿。試件骨架曲線表現(xiàn)出了較大初始剛度，試件屈服后荷載仍能緩慢上升，峰值后荷載下降平緩，表明其具有良好的延性。

圖6 滯回曲線與骨架曲線

屈服荷載、峰值荷載等計算結(jié)果見表2。由表2可知，試件的正負(fù)向峰值荷載較為接近，表現(xiàn)穩(wěn)定。屈服荷載約為峰值荷載的80%，多數(shù)試件在層間位移角為1/150～1/110之間達(dá)到峰值荷載。試件延性系數(shù)(極限位移與屈服位移之比)平均值超過4.5，延性較好。

表2 屈服荷載、峰值荷載與位移延性系數(shù)

試件各階段的剛度見表3，表中K0為初始彈性剛度；Kc為開裂割線剛度；Ky為屈服割線剛度。表中數(shù)據(jù)表明試件初始剛度較高，開裂后剛度迅速降低，試件屈服后剛度進一步降低。

表3 各階段剛度

2.3 應(yīng)變分析

螺栓屈服應(yīng)變?yōu)? 250με，在施工階段施加預(yù)緊力后螺栓應(yīng)變可達(dá)2 500με，因此試驗中螺栓拉(正)應(yīng)變超過750με即表明螺栓進入到屈服狀態(tài)。試件LSQ1-1水平接縫連接螺栓上測點L1，L3，豎向接縫連接螺栓測點L8的應(yīng)變-位移曲線見圖7。

圖7 螺栓測點L1，L3，L8應(yīng)變-位移曲線

測點L1位于水平接縫最外側(cè)螺栓上(層間位移超過15mm后因測點損壞剔除數(shù)據(jù))。螺栓應(yīng)變在加載前期保持線性變化，在試件進入彈塑性階段后，一直處于受拉狀態(tài)，為螺栓屈服后殘余變形所致。試件在較大層間位移下，邊緣處墻體與地梁脫開，有較大的位移，螺栓隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變形，但受拉時仍能夠持續(xù)提供承載能力。

測點L3位于水平接縫中間位置處的連接螺栓上(與測點L1同側(cè))，螺栓的應(yīng)變隨著加載歷程經(jīng)歷了線性變化、受拉松弛(負(fù)向位移時)和拉壓轉(zhuǎn)換(正向位移時)的變化過程，歷程較為復(fù)雜。且測點L3在試件屈服后同樣達(dá)到了受拉屈服。

測點L8基本處于受拉狀態(tài)，隨試件的往復(fù)受力作用不斷變換。應(yīng)變在層間位移10mm時達(dá)到屈服，并逐漸增大，因此豎向接縫的滑移逐漸增大。

2.4 接縫滑移分析

接縫的剪切承載力由界面粘結(jié)力、摩擦力和鋼筋銷栓力提供。接縫開裂之前，其受剪承載力由結(jié)合界面粘結(jié)力承擔(dān)，開裂后發(fā)生相對滑動，受剪承載力由摩擦力和鋼筋銷栓力共同承擔(dān)。

圖8為試件LSQ1-2測點D5，D6測得的豎向接縫滑移情況。曲線顯示兩個測點的變化趨勢基本一致，表明豎向接縫沿高度方向滑移均勻且較穩(wěn)定。層間位移角小于1/280(水平位移為10mm)時，滑移呈線性且可恢復(fù)，滑移幅值2.5mm，接縫完好；此后由于試件混凝土裂縫發(fā)展、局部剝落導(dǎo)致滑移存在殘余值(曲線整體上移)；當(dāng)層間位移角達(dá)到1/167(水平位移15mm)后，接縫底部混凝土逐漸剝落、壓潰，導(dǎo)致豎向接縫滑移迅速增大，滑移幅值達(dá)15mm以上，可視為豎向接縫失效、破壞。即豎向接縫在層間位移角為1/280后逐漸發(fā)生破壞，建議以層間位移角1/300為豎向接縫失效分界點，在設(shè)計或結(jié)構(gòu)分析時應(yīng)采取不同的結(jié)構(gòu)模型予以考慮。

圖8 試件LSQ1-1豎向接縫滑動曲線

圖9為試件LSQ1-2，LSQ2-2的水平接縫滑移情況。水平接縫滑移始終呈線性變化，層間位移角小于1/200時滑移可復(fù)位，滑移幅值為2mm左右；此后滑移逐漸出現(xiàn)殘余，但仍較小，至試件破壞時滑移幅值約為5mm，水平接縫未發(fā)生失效。

圖9 試件水平接縫滑動曲線

2.5 承載力計算

裝配式多層剪力墻應(yīng)分別驗算剪力墻的承載力和水平接縫的承載力，水平接縫的承載力包括受剪承載力和受彎承載力。在裝配整體式結(jié)構(gòu)中，由于邊緣構(gòu)件的鋼筋逐根連接，接縫的受彎承載力與剪力墻的受彎承載力相同，因此水平接縫受彎承載力無需單獨驗算，但在裝配式多層剪力墻結(jié)構(gòu)中，水平接縫的受彎承載力與剪力墻受彎承載力可能并不一致，因此裝配式多層剪力墻結(jié)構(gòu)的水平接縫需同時驗算受剪和受彎承載力。

(1)剪力墻承載力驗算

根據(jù)剪力墻墻體的配筋設(shè)計，分別計算剪力墻體的受彎、受剪承載力，計算結(jié)果匯總于表4中。

(2)水平接縫受剪承載力計算

文獻(xiàn)[7]中規(guī)定了裝配式多層剪力墻水平接縫承載力計算方法，見式(1)，計算結(jié)果見表4。

FG(c)=0.6fyAs+0.6N

(1)

式中：FG(c)為水平接縫受剪承載力設(shè)計值；fy為螺栓屈服強度；As為螺栓截面積和；N為軸壓力。

計算結(jié)果顯示，接縫計算受剪承載力高于試件的實測受剪承載力，與試驗中未發(fā)生水平接縫的剪切滑移破壞的情況一致，符合“強節(jié)點、弱構(gòu)件”的設(shè)計理念。

(3)水平接縫受彎承載力計算

對于帶有豎向接縫的試件，豎向接縫在層間位移角為1/280時承載力已達(dá)到峰值荷載的90%以上，因此計算水平接縫受彎承載力時，以構(gòu)件整體為簡化力學(xué)模型(圖10)，并采用平截面假定，因此模型同樣適用于含有豎向接縫的試件。以豎向荷載平衡和彎矩平衡兩個條件分別列出式(2)、式(3)，由此可得水平接縫的受彎承載力計算公式，即式(4)。計算得到水平接縫受彎承載力見表4。計算表明，水平接縫受彎承載力計算值FP(c)為控制荷載，且與試驗值接近。

圖10 簡化力學(xué)模型

表4 承載力對比

(2)

N(e0-hw/2+x/2)=ΣFi(hw-x/2-ai)+

(3)

FP(c)=e0N/h

(4)

水平接縫的受彎承載力計算值與試驗值較接近，相差小于5%，受力模型可以用來計算螺栓連接剪力墻的水平承載力。

3 結(jié)論

螺栓連接的裝配式多層剪力墻結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了與裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)較大的差異，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)根據(jù)其力學(xué)與抗震特性，采用性能化設(shè)計方法進行設(shè)計，充分發(fā)揮裝配式的特色。

(1)螺栓連接裝配式多層剪力墻具有良好的初始剛度、承載能力和延性等力學(xué)性能指標(biāo)，且具有一定的抗震耗能能力，可以滿足多層結(jié)構(gòu)的性能需求。

(2)不同接縫方式的試件裂縫分布模式、破壞模式以及受力機理存在較大差異。試件裂縫較少，集中分布于水平接縫上方和豎向接縫兩側(cè)，壓潰區(qū)集中于試件底部。所有試件均為水平接縫的彎曲破壞，帶有豎向接縫的試件在繼續(xù)加載后會發(fā)生墻體的剪切破壞。受力機理為：外荷載形成的彎矩由螺栓拉力與混凝土壓力形成的彎矩抵抗；水平外荷載經(jīng)墻身傳遞至水平接縫時由摩擦力、螺栓銷栓力承擔(dān)。破壞模式為水平接縫處受拉側(cè)螺栓屈服、受壓側(cè)角部混凝土逐漸壓潰導(dǎo)致試件承載力的喪失。

(3)帶有豎向接縫的試件，豎向接縫在層間位移角超過1/300后逐漸失效，各預(yù)制部分獨立受力；所有試件水平接縫未失效。建議在設(shè)計和結(jié)構(gòu)分析時以層間位移角1/300為界，采用不同的設(shè)計理念(分析模型)，即小震分析時，分析模型中豎向接縫節(jié)點連接的墻肢為整體墻肢；中震、大震分析時，分析模型中豎向接縫將墻體劃分為獨立墻肢。

(4)試件未設(shè)置邊緣構(gòu)件，但仍具有良好的延性。試件的延性源于水平接縫連接節(jié)點的可靠性。當(dāng)試件發(fā)生水平接縫的受彎破壞時，在低層剪力墻結(jié)構(gòu)中，可采取構(gòu)造柱等簡化邊緣構(gòu)件甚至不設(shè)置邊緣構(gòu)件的作法。

(5)給出了螺栓連接裝配式多層剪力墻受力模型及承載力計算方法。