孫 建 邱洪興 許家鵬

(東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，南京 210096)

IPSW結(jié)構(gòu)豎向縫連接抗剪承載力試驗及理論研究

孫 建 邱洪興 許家鵬

(東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，南京 210096)

摘 要:為了驗證新型全裝配式鋼筋混凝土剪力墻(IPSW)結(jié)構(gòu)中豎向縫連接的可行性并研究其抗震性能，制作了2個豎向縫連接試件，并對其進行低周反復(fù)荷載試驗.試驗結(jié)果表明，翼緣墻板與腹板墻板之間的連接件(內(nèi)嵌邊框、高強螺栓和連接鋼框)能夠有效地傳遞二者之間的相互作用力，保證二者協(xié)同工作.然后，分別基于最大拉應(yīng)力理論、平截面假定和力的平衡條件、抗剪抵抗機構(gòu)和力的平衡條件，建立了開裂荷載、屈服荷載、極限抗剪承載力的計算模型，并推導(dǎo)了理論公式.結(jié)果表明，開裂荷載、屈服荷載以及極限抗剪承載力的試驗值與理論值吻合較好.由此可見，IPSW結(jié)構(gòu)的豎向縫連接方案可行，特征荷載的計算模型及計算公式合理.

關(guān)鍵詞:預(yù)制剪力墻;豎向縫連接;內(nèi)嵌邊框;高強螺栓;連接鋼框;抗剪承載力

預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有能源消耗少、質(zhì)量易控制、施工速度快、施工現(xiàn)場環(huán)境好以及混凝土收縮裂縫少等優(yōu)點.長期以來，國內(nèi)外學(xué)者［1-5］對各種預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)進行了深入而廣泛的研究，但大多數(shù)仍屬于裝配整體式結(jié)構(gòu)，需部分濕作業(yè).本文借鑒鋼結(jié)構(gòu)的連接方式，提出了一種新型全裝配式鋼筋混凝土剪力墻 (innovative precast shear wall，IPSW)結(jié)構(gòu)，即采用內(nèi)嵌邊框、高強螺栓以及連接鋼框等作為連接件，將預(yù)制墻板、樓板連接起來.并對該新型結(jié)構(gòu)豎向縫連接的低周反復(fù)荷載試驗及其抗剪承載力進行了介紹.

1 試驗

1.1 試驗內(nèi)容

基于文獻［6］中現(xiàn)澆帶翼緣剪力墻試件的基本尺寸及配筋強度，采用本文提出的連接件，將腹板與翼緣連接起來，形成豎向縫連接試件.制作2個試件，編號為WV-1和WV-2，進行低周反復(fù)荷載試驗.2個試件的尺寸、墻板混凝土設(shè)計強度、配筋、連接件及螺栓孔等參數(shù)均相同，但試件WV-2中高強螺栓的數(shù)量為試件WV-1的1/2.試件混凝土設(shè)計強度等級均為C35，水平分布筋、豎向分布筋、約束箍筋等均采用HPB235級鋼筋，連接鋼框與內(nèi)嵌邊框采用 Q345鋼，連接鋼框鋼板厚12 mm，內(nèi)嵌邊框鋼板厚10 mm，高強螺栓采用10.9級M16，螺栓孔直徑為18 mm.試件及連接鋼框制作詳圖分別見圖1和圖2.

圖1 試件制作詳圖(單位:mm)

圖2 連接鋼框詳圖(單位:mm)

混凝土實測立方體抗壓強度為34.2 MPa.HPB235級鋼筋實測屈服強度為325 MPa，抗拉強度為463 MPa，彈性模量為210 GPa.Q345級鋼板實測屈服強度為456 MPa，抗拉強度為652 MPa，彈性模量為206 GPa.

在試件WV-1和WV-2的頂部施加600 kN的豎向軸壓力并保持恒定;在加載梁端施加水平往復(fù)荷載(以推向為正，拉向為負).試件屈服前，水平荷載以20 kN為一級，每級荷載重復(fù)1次;試件屈服后，進入彈塑性階段，采用位移控制加載，以屈服位移的整數(shù)倍為控制位移，每級位移重復(fù)3次［7］，直至試件承載力下降到峰值荷載的85%以下或試件因變形過大不適于繼續(xù)加載為止.加載裝置見圖3.

圖3 加載裝置

1.2 試驗結(jié)果

試件WV-1正向加載到100 kN時，受拉翼緣根部出現(xiàn)第1條水平裂縫;正向加載到120 kN時，受拉翼緣根部出現(xiàn)第2條水平裂縫，同時腹板受拉側(cè)內(nèi)嵌邊框底角處混凝土墻板出現(xiàn)若干條斜裂縫;反向加載與正向加載現(xiàn)象類似.試件WV-2正向加載到80 kN時，腹板受拉側(cè)內(nèi)嵌邊框邊緣處出現(xiàn)若干條近似平行的斜裂縫;反向加載到100 kN時，受拉翼緣根部出現(xiàn)2條水平裂縫;正向加載到120 kN時受拉翼緣根部出現(xiàn)2條水平裂縫.隨著荷載的增加，試件不斷出現(xiàn)新裂縫，同時原有裂縫繼續(xù)擴展、延伸.進入位移控制加載階段后，試件腹板斜裂縫進一步發(fā)展，形成明顯交叉狀，翼緣裂縫集中于根部，且以2條寬度較大的水平裂縫為主，在軸壓力與水平剪力復(fù)合作用下，受壓翼緣根部受剪錯動并隨之被壓潰;最終試件沿腹板底部發(fā)生剪切破壞，混凝土剝落，翼緣水平筋露出，豎向筋壓屈.試件的破壞形態(tài)見圖4，滯回曲線與骨架曲線見圖5.此外，在整個加載過程中，試件的連接件未發(fā)生破壞，內(nèi)嵌邊框與連接鋼框之間也未發(fā)生相對滑移.可見，連接件有效保證了翼墻和腹板的協(xié)同工作.

圖4 試件破壞形態(tài)

由圖4可見，兩試件破壞模式類似，臨近破壞時，翼緣根部在軸壓力和水平剪力復(fù)合作用下形成了剪切斜裂縫，從而導(dǎo)致破壞失效，腹板最終沿底部發(fā)生剪切破壞，形成1條水平通縫.

2 開裂荷載

2.1 基本假定

在試驗研究的基礎(chǔ)上，進行如下假定:

圖5 荷載-位移曲線

1)連接件處于彈性狀態(tài)，能夠保證翼緣、腹板共同工作;連接鋼框與內(nèi)嵌邊框間均無相對滑移，高強螺栓摩擦承載力未被克服.

2)適用最大拉應(yīng)力理論，即認為受拉翼緣根部水平裂縫產(chǎn)生的原因是最大主拉應(yīng)力超過了混凝土的抗拉強度.

3)受彎開裂時，混凝土材料的強度會有所折減，同時，試件制作過程中難免會出現(xiàn)混凝土澆筑質(zhì)量不理想、保護層厚度離散、材料強度降低等情況，使得試件的實際開裂荷載較理論開裂荷載低，故采用文獻［8］建議的折減系數(shù)0.40.

2.2 計算公式

當(dāng)試件開裂時，受頂部豎向荷載N和水平荷載Vcr0(理論開裂荷載)的作用，受拉翼緣根部外側(cè)混凝土的拉應(yīng)力σt=Vcr0H/W0－N/A0，其中A0為換算截面的面積，W0為彎曲截面系數(shù)，H為試件高度.根據(jù)2.1節(jié)中的假定2)，令σt=ft，可得理論開裂荷載為

式中，ft為混凝土軸心抗拉強度.

根據(jù)2.1節(jié)中的假定3)，可得開裂荷載實用計算公式為

由式(2)可求得，Vcr=95 kN.

3 屈服荷載

3.1 基本假定

在試驗研究的基礎(chǔ)上，進行如下假定:

1)同2.1節(jié)中假定1).

2)截面應(yīng)變保持平面.

3)不考慮混凝土的抗拉強度，混凝土受壓的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用規(guī)范［9］中的公式.

3.2 計算模型

受拉翼緣外側(cè)豎向鋼筋屈服時，試件底部截面的應(yīng)變、受力分布分別見圖6(a)和(b).圖中，hw為截面高度;xc為受壓區(qū)高度;c為受拉翼緣外側(cè)豎向鋼筋至外邊緣的距離;εy為受拉翼緣外側(cè)豎向鋼筋屈服應(yīng)變;φy為截面屈服曲率;x為受壓區(qū)混凝土縱向纖維至中和軸的距離;εx為受壓區(qū)距中和軸x處混凝土壓應(yīng)變;xi為第i排豎向鋼筋至外側(cè)豎向鋼筋的距離;Asi，σsi分別為第i排豎向鋼筋的面積和應(yīng)力;C為受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)力的合力;M為水平作用力在底部截面產(chǎn)生的彎矩.

圖6 屈服時底部截面應(yīng)變和受力分布

由圖6(a)可知，底部截面屈服曲率φy=εy/(hw－xc－c);第i排豎向鋼筋應(yīng)力 σsi=Esφy(hw－xc－c－xi)，其中Es為鋼筋的彈性模量;距中和軸x處混凝土壓應(yīng)變εx=φyx，該處混凝土壓應(yīng)力［9］為

式中，fc，ε0分別為混凝土軸心抗壓強度及其對應(yīng)的混凝土壓應(yīng)變.

3.3 計算公式

根據(jù)3.2節(jié)中的計算模型，可得試件屈服時底部截面各部分的受力情況.受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)力合力為

式中，bw為腹板截面的寬度;b'f，h'f分別為受壓翼緣截面的寬度和高度;t為連接鋼框鋼板的厚度.

截面所有豎向鋼筋合力為

受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)力對屈服鋼筋彎矩為

截面所有豎向鋼筋對屈服鋼筋彎矩為

根據(jù)力的平衡條件可得

式中，Vy為屈服荷載.

由式(4)～(8)可得，Vy=321 kN.

4 極限抗剪承載力

4.1 基本假定

在試驗研究的基礎(chǔ)上，進行如下假定:

1)同2.1節(jié)中假定1).

2)抗剪抵抗機構(gòu)由混凝土斜壓桿、分布筋拉桿以及拉、壓翼緣組成.腹板由斜壓桿Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ組成，根據(jù)受力特性和局部平衡條件，忽略斜壓桿Ⅱ，Ⅲ的作用，斜壓桿具有相同的傾角θ，根據(jù)文獻［10］，θ=tan－1(0.72H/hweb+0.4)，其中hweb為腹板截面高度.斜壓桿的有效抗壓強度σ=αfc，其中α為混凝土壓桿有效強度系數(shù)，根據(jù)文獻［11］，取α =0.62.

3)受壓翼緣根部在上端(翼緣內(nèi)嵌邊框)與下端(地梁)的強約束下，發(fā)生類似短柱的剪切破壞.受拉翼緣下端的豎向鋼筋受拉屈服，不考慮其抗剪作用.

4)腹板底部受拉區(qū)豎向分布鋼筋均受拉屈服，受壓區(qū)豎向分布鋼筋均受壓屈服.

4.2 計算模型

定義斜壓桿Ⅰ底部水平長度與hweb的比值為腹板水平受壓區(qū)長度系數(shù)，記為ξ;斜壓桿Ⅰ受壓翼緣側(cè)的豎向高度與H的比值為翼緣豎向名義受壓區(qū)高度系數(shù)，記為β.試件達到極限抗剪承載能力時的計算模型如圖7所示.圖中，hf為受拉翼緣截面高度;fsv，f'sv分別為腹板底部受拉、受壓區(qū)豎向分布筋的拉、壓力集度;τbh，σbv分別為斜壓桿Ⅰ底部的水平剪力和垂直壓力集度;σrh，τrv分別為斜壓桿Ⅰ右側(cè)對受壓翼緣根部的水平側(cè)壓力和豎向剪力集度;為受拉翼緣根部軸拉力;為受壓翼緣下端的抗剪承載力;為受壓翼緣根部軸壓力;為受壓翼緣下端短柱高度.在水平剪力V和豎向軸壓力N的作用下，試件的受力部分主要由受拉翼緣、受壓翼緣、混凝土斜壓桿Ⅰ、腹板雙向鋼筋、連接件等組成.

圖7 計算模型

4.3 計算公式

4.3.1 各抗剪要素的受力

根據(jù)4.2節(jié)中的計算模型，各抗剪要素受力為

式中，ρsv為腹板豎向分布筋配筋率;fyv，f'yv分別為腹板豎向分布筋抗拉、抗壓屈服強度;tw為腹板厚度;As為受拉翼緣豎向鋼筋面積;fy為受拉翼緣豎向鋼筋屈服強度.

4.3.2 翼緣豎向名義受壓區(qū)高度系數(shù)

假定加載梁為剛體，翼緣與腹板頂部軸壓力按面積分配，則受壓翼緣頂部軸壓力為

式中，A'f，Af，Aw分別為受壓翼緣、受拉翼緣與腹板的截面積.

取受壓翼緣為隔離體(見圖8)，由水平力和豎向力平衡條件可得

圖8 受壓翼緣下端計算簡圖

根據(jù)4.1節(jié)中的假定3)，Vrc可按短柱計算.參考規(guī)范［9］中計算公式，并忽略箍筋貢獻項.根據(jù)Ncr的大小，分為低軸壓與高軸壓2種情況.

1)低軸壓(Nrc≤0.3fcA'f)情況下，有

式中，h'f0為受壓翼緣截面有效高度;λ=(2h'f0).

由式(11)和(12)，可得

將式(14)代入式(11)，可得

4.3.3 腹板水平受壓區(qū)長度系數(shù)

根據(jù)整體試件的豎向力平衡條件，可得到腹板受壓區(qū)相對高度系數(shù)為

4.3.4 極限抗剪承載力

根據(jù)4.2節(jié)中的計算模型，試件的極限抗剪承載力由混凝土斜壓桿Ⅰ下端抗剪承載力ξhweb和受壓翼緣根部的抗剪承載力兩部分組成，即

式中，根據(jù)低軸壓與高軸壓2種情況分別按式(12)和式(14)取值.

由式(17)可求得，Vm=417 kN.

5 理論值與試驗值比較

開裂荷載、屈服荷載以及極限抗剪承載力的計算值與試驗值比較結(jié)果見表1.開裂荷載試驗值取受拉翼緣出現(xiàn)首條水平裂縫時的水平荷載;屈服荷載試驗值取受拉翼緣外側(cè)豎向鋼筋屈服時或荷載-位移曲線出現(xiàn)明顯拐點時的水平荷載，正反向屈服荷載取相同值;峰值荷載試驗值取荷載-位移曲線上峰值點對應(yīng)的水平荷載.

表1 理論值與試驗值對比

由表1可見，試件開裂荷載、屈服荷載以及峰值荷載的試驗值與理論值誤差較小，即使計入反復(fù)荷載作用下承載力小幅降低這一因素，誤差仍在可接受范圍內(nèi)，故本文提出的計算模型及計算公式是合理的.試件WV-2的正向開裂荷載偏高，可能是由于試驗中沒有能夠及時觀察到首條水平裂縫所致.試件WV-2的正反向極限抗剪承載力都明顯低于試件WV-1，除隨機因素外，可能存在以下2個方面的原因:①在制作試件時，后澆筑試件WV-2，此時混凝土已經(jīng)稍許干澀，為震搗密實，添加了少量自來水，故其實際強度低于試件WV-1，由此導(dǎo)致試件WV-2的極限抗剪承載力較低;② 試件WV-2高強螺栓的數(shù)量為試件WV-1的1/2，高強螺栓的數(shù)量影響了試件腹板斜裂縫的發(fā)展，進而影響試件的極限抗剪承載力.

6 結(jié)論

1)連接鋼框與高強螺栓及內(nèi)嵌邊框間均未發(fā)生相對滑移，連接件(內(nèi)嵌邊框、高強螺栓以及連接鋼框)有效地傳遞了翼緣與腹板之間的相互作用力，保證了二者的協(xié)同工作.這種新型豎向縫連接方案可行.

2)試件破壞模式為受壓翼緣根部在軸壓力與水平剪力共同作用下的類似短柱剪切破壞，腹板最終發(fā)生沿水平縫的剪切破壞.該破壞模式影響了試件的抗震性能，可通過一定的構(gòu)造措施予以改善.

3)基于最大拉應(yīng)力理論并作一定折減的開裂荷載計算公式以及基于平截面假定的屈服荷載計算模型能較準確地計算試件的開裂荷載和屈服荷載.基于混凝土斜壓桿的計算模型能較好地模擬實際配筋和受力情況下試件的極限抗剪承載力.

4)連接件的局部受力狀態(tài)還有待進一步探索研究.

［1］Smith B J，Kurama Y C，McGinnis M J.Design and measured behavior of a hybrid precast concrete wall specimen for seismic regions［J］.Journal of Structural Engineering，2011，137(10):1052-1062.

［2］Pavese A，Bournas D A.Experimental assessment of the seismic performance of a prefabricated concrete structural wall system ［J］.Engineering Structures，2011，33(6):2049-2062.

［3］Naito C，Hoemann J，Beacraft M，et al.Performance and characterization of shear ties for use in insulated precast concrete sandwich wall panels［J］.Journal of Structural Engineering，2012，138(1):52-61.

［4］姜洪斌，陳再現(xiàn)，張家齊，等.預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)擬靜力試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2011，32(6):34-40.

Jiang Hongbin，Chen Zaixian，Zhang Jiaqi，et al.Quasi-static test of precast reinforced concrete shear wall structure［J］.Journal of Building Structures，2011，32(6):34-40.(in Chinese)

［5］朱張峰，郭正興.預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)節(jié)點抗震性能試驗研究［J］.土木工程學(xué)報，2012，45(1):69-76.

Zhu Zhangfeng，Guo Zhengxing.Seismic test and analysis of joints of new precast concrete shear wall structures［J］.China Civil Engineering Journal，2012，45(1):69-76.(in Chinese)

［6］汪錦林.鋼筋混凝土帶翼緣剪力墻抗震抗剪性能試驗研究［D］.重慶:重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，2007.

［7］中國建筑科學(xué)研究院.JGJ 101—96建筑抗震試驗方法規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

［8］李一松，李國強，崔大光.型鋼混凝土中高剪力墻正截面受彎的開裂荷載和極限荷載的計算方法［J］.四川建筑科學(xué)研究，2011，37(3):1-7.

Li Yisong，Li Guoqiang，Cui Daguang.Right cross section bending cracking load and ultimate load calculation methods for SRC mid-rise shear wall［J］.Sichuan Building Science，2011，37(3):1-7.(in Chinese)

［9］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［10］Mochizuki M，Onozato N，Takehara M，et al.Analytical accuracies of maximum strengths of reinforced concrete framed shear walls by macroscopic models［J］.Concrete Research and Technology，2003，14(2):11-21.

［11］張大長，陳懷亮，盧中強.基于抗剪抵抗機構(gòu)的無開洞RC剪力墻的極限承載力分析模型的探討［J］.工程力學(xué)，2007，24(7):134-139.

Zhang Dachang，Chen Huailiang，Lu Zhongqiang.The investigation on analysismodelsofultimate strength of reinforced concrete shear wall based on shear resistant mechanism ［J］.Engineering Mechanics，2007，24(7):134-139.(in Chinese)

Experimental and theoretical study on shear capacity of vertical joints in IPSW system

Sun Jian Qiu Hongxing Xu Jiapeng
(Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:In order to verify the feasibility of vertical joints in an innovative precast shear wall(IPSW)system and investigate their seismic behaviors，two specimens were manufactured and low-cyclic reversed loading tests were carried out.The test results show that the connectors between the flange wall panel and the web wall panel，including the embedded limbic steel frame，the highstrength bolt and the connecting steel frame，can effectively transfer the interactional forces between the two wall panels and make them work cooperatively.Based on the maximum tensile stress theory，the plane cross-section assumption and the equilibrium condition of forces，and the shear resistant mechanism and the equilibrium condition of forces，the calculation models and theoretical formulas for the cracking load，the yield load，and the ultimate shear capacity were deduced，respectively.The results show that the test values of the cracking load，the yield load，and the ultimate shear capacity agree well with the corresponding theoretical values.Therefore，the novel scheme of vertical joints in IPSW system is feasible，and the calculation models and theoretical formulas for characteristic loads are reasonable.

Key words:precast shear wall;vertical joints;embedded limbic steel frame;high-strength bolt;connecting steel frame;shear capacity

中圖分類號:TU398.2

A

1001－0505(2014)03-0631-07

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.03.032

收稿日期:2013-11-19.

孫建 (1984—)，男，博士生;邱洪興(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，Qiuhx@seu.edu.cn.

孫建，邱洪興，許家鵬.IPSW結(jié)構(gòu)豎向縫連接抗剪承載力試驗及理論研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014，44(3):631-637.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.03.032］