王 俊，田春雨，楊思忠，朱鳳起，張仲林，李 洋，石海青，周一航

(1 中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司， 北京 100013； 2 北京住宅產(chǎn)業(yè)化集團(tuán)有限公司， 北京 100161； 3 承德綠建建筑節(jié)能科技股份有限公司， 承德 067000)

0 引言

目前，裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛的一種裝配式建筑結(jié)構(gòu)形式[1-3]。國(guó)內(nèi)主要的裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，主要技術(shù)特征在于預(yù)制墻體之間的接縫連接形式[4-5]，按照預(yù)制墻體水平接縫鋼筋連接形式，可劃分以下幾種：1)豎向鋼筋采用套筒灌漿連接[6]、拼縫采用灌漿料填實(shí)；2)豎向鋼筋采用螺旋箍筋約束漿錨搭接連接[7]、拼縫采用灌漿料填實(shí)；3)豎向鋼筋采用金屬波紋管漿錨搭接連接[8]、拼縫采用灌漿料填實(shí)；4)豎向鋼筋預(yù)留后澆區(qū)搭接連接[9]、預(yù)留空心后插筋[10-11]、環(huán)套鋼筋搭接連接、擠壓套筒或錐套鎖緊等機(jī)械連接[12]方式；5)疊合剪力墻[13-15]。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，以上幾種裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)均存在一些問(wèn)題。在鋼筋灌漿套筒連接及漿錨搭接連接的技術(shù)體系中，由于構(gòu)件加工精度及施工管理水平的限制，容易出現(xiàn)鋼筋對(duì)位困難、灌漿質(zhì)量不好控制的問(wèn)題；底部預(yù)留后澆區(qū)內(nèi)鋼筋搭接連接的方式，安裝方便，但底部后澆區(qū)澆筑時(shí)需支設(shè)模板，施工工序復(fù)雜。

結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系的技術(shù)特點(diǎn)以及存在的問(wèn)題，提出一種新型裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系——縱肋疊合裝配整體式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系。如圖1所示，在該體系中預(yù)制構(gòu)件為帶混凝土貫通肋的空心墻構(gòu)件，現(xiàn)場(chǎng)在空腔內(nèi)搭接豎向鋼筋、澆筑混凝土形成疊合剪力墻構(gòu)件。對(duì)于帶夾心保溫外墻的構(gòu)件，形成單側(cè)疊合剪力墻，對(duì)于內(nèi)墻或不帶保溫的外墻，形成雙側(cè)疊合剪力墻；剪力墻豎向分布鋼筋在空腔內(nèi)采用錨環(huán)直接搭接連接。

圖1 新型裝配式剪力墻構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)連接示意圖

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

本次研究根據(jù)實(shí)際工程中可能出現(xiàn)的墻體布置情況，設(shè)計(jì)典型試件如下：1)外橫墻山墻墻肢，兩端為預(yù)制邊緣構(gòu)件，豎向鋼筋在空腔內(nèi)搭接，如圖2(a)所示；2)外縱墻窗間墻肢，兩側(cè)各帶一字形預(yù)制邊緣構(gòu)件，豎向鋼筋在空腔內(nèi)搭接，中部為現(xiàn)澆邊緣構(gòu)件，如圖2(b)所示。

圖2 典型試件示意圖

試件墻厚200mm，墻高2 800mm，對(duì)于形式1，墻肢寬度選擇2 800，1 800mm兩種，對(duì)應(yīng)墻肢剪跨比分別為1.0，1.5，對(duì)于形式2，墻肢寬度選擇1 400mm，所有試件設(shè)計(jì)軸壓比為0.2。試件混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，試件頂部設(shè)置頂梁模擬現(xiàn)澆帶，底部設(shè)置地梁，墻身及邊緣構(gòu)件配筋按照抗震規(guī)范要求的構(gòu)造邊緣構(gòu)件最小構(gòu)造配筋率進(jìn)行配筋，同時(shí)制作相同尺寸、參數(shù)及配筋的全現(xiàn)澆構(gòu)件進(jìn)行對(duì)比，預(yù)制試件配筋如圖3所示。

圖3 試件配筋圖

試驗(yàn)主要研究剪力墻的抗震性能，因此試件僅包含內(nèi)葉的剪力墻部分，不包含保溫板及外葉板。試件參數(shù)見(jiàn)表1。

試件編號(hào)及變化參數(shù) 表1

鋼筋強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果 表2

混凝土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果 表3

1.2 加載方案

試驗(yàn)在中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司大型結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，試驗(yàn)裝置如圖4所示，試件地梁用地錨固定在試驗(yàn)臺(tái)座上，試驗(yàn)時(shí)在恒定豎向荷載作用下施加水平低周反復(fù)荷載。豎向荷載通過(guò)門架、千斤頂及分配梁施加，千斤頂與門架之間設(shè)置滑板，保持軸向力可以隨著試件的變形而變化。側(cè)向力通過(guò)1臺(tái)300t電液伺服作用器及反力墻施加。墻板側(cè)面設(shè)置側(cè)向支撐鋼梁防止失穩(wěn)。

圖4 試驗(yàn)加載裝置圖

1.3 測(cè)量方案

試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量墻體邊緣構(gòu)件內(nèi)縱筋鋼筋應(yīng)變，包括搭接鋼筋底部、頂部鋼筋應(yīng)變，如圖5(a)所示。試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量墻體頂部中間位移、頂梁兩端部面外位移、墻體與地梁之間的相對(duì)滑移，并在試驗(yàn)中隨時(shí)觀察試件的開(kāi)裂和破壞現(xiàn)象。試件位移計(jì)布置如圖5(b)所示。

圖5 應(yīng)變片及位移計(jì)布置圖

2 試驗(yàn)過(guò)程及破壞形態(tài)

所有試件均為彎剪破壞模式，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)觀測(cè)鋼筋應(yīng)變可以看出，邊緣構(gòu)件內(nèi)縱筋先于墻體水平分布鋼筋屈服，試件先受彎屈服，在軸壓比恒定的情況下，隨著剪跨比的增大剪切破壞相對(duì)減弱。試驗(yàn)過(guò)程中，墻體首先在受拉側(cè)邊緣構(gòu)件中下部產(chǎn)生水平裂縫，隨著荷載增加，裂縫斜向開(kāi)裂延伸進(jìn)入試件中部；當(dāng)荷載增加到墻體峰值承載力時(shí)，試件受壓側(cè)邊緣構(gòu)件角部混凝土剝落，受拉側(cè)邊緣構(gòu)件與地梁脫開(kāi)；荷載繼續(xù)增加超過(guò)峰值承載力后，試件受壓側(cè)邊緣構(gòu)件角部混凝土壓碎，剝落區(qū)域逐漸增大，受拉側(cè)鋼筋拉斷。各試件破壞實(shí)景如圖6所示。

圖6 各試件破壞實(shí)景

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 滯回曲線

各試件滯回曲線如圖7所示。由圖7可知，預(yù)制試件與對(duì)應(yīng)現(xiàn)澆試件滯回曲線形態(tài)均呈梭形，捏縮規(guī)律基本一致。由于預(yù)制試件混凝土強(qiáng)度偏小，試驗(yàn)過(guò)程中預(yù)制試件墻體角部混凝土受壓破壞較早，因此預(yù)制試件的承載力略低于現(xiàn)澆試件，初始剛度也略小。預(yù)制試件略先于現(xiàn)澆試件進(jìn)入屈服；預(yù)制試件彈性極限與對(duì)應(yīng)現(xiàn)澆試件基本相同或稍大一些。

圖7 各組試件滯回曲線對(duì)比

3.2 骨架曲線

各試件骨架曲線如圖8所示。由圖8可知，預(yù)制試件骨架曲線變化趨勢(shì)與對(duì)應(yīng)的現(xiàn)澆試件骨架曲線變化趨勢(shì)基本一致，受試件混凝土強(qiáng)度影響，預(yù)制試件承載力略小。骨架曲線可以分為彈性上升段、彈塑性上升段和下降段。彈性上升段對(duì)應(yīng)于試件開(kāi)裂或較少開(kāi)裂以前，整體表現(xiàn)為彈性，荷載隨位移的增大而線性增加；彈塑性上升段從試件開(kāi)裂增多至荷載達(dá)到峰值，在這個(gè)過(guò)程中隨著混凝土的開(kāi)裂損傷，鋼筋進(jìn)入塑性，試件剛度逐漸減小，表現(xiàn)出較明顯的彈塑性；在荷載達(dá)到峰值之后，混凝土壓潰鋼筋斷裂，骨架曲線進(jìn)入下降段。

圖8 各組試件骨架曲線對(duì)比

3.3 承載力

各試件屈服承載力及屈服位移見(jiàn)表4，峰值承載力及峰值位移見(jiàn)表5。從表4，5可以看出：1)隨著剪跨比增大，試件屈服承載力與峰值承載力降低，屈服位移與峰值位移提高；2)剪跨比相同時(shí)，現(xiàn)澆試件屈服承載力與峰值承載力明顯高于預(yù)制試件，現(xiàn)澆試件屈服位移與峰值位移明顯小于預(yù)制試件，主要由于現(xiàn)澆試件混凝土強(qiáng)度明顯高于預(yù)制試件導(dǎo)致。

各試件屈服承載力及屈服位移 表4

為了排除混凝土強(qiáng)度的影響，計(jì)算各試件試驗(yàn)承載力與計(jì)算承載力的比值。從試件的試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，墻體破壞以彎曲破壞為主，按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)(簡(jiǎn)稱混規(guī))第6.2.17條矩形截面偏心受壓相關(guān)規(guī)定計(jì)算各試件承載力見(jiàn)表6。計(jì)算時(shí)混凝土強(qiáng)度取實(shí)測(cè)軸心抗壓強(qiáng)度，鋼筋強(qiáng)度取實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度。從表6可以看出：1)預(yù)制與現(xiàn)澆試件試驗(yàn)屈服承載力與計(jì)算承載力的比值均約為1，說(shuō)明采用混規(guī)中的公式計(jì)算縱肋疊合剪力墻的承載力是合適的；2)預(yù)制與現(xiàn)澆試件試驗(yàn)極限承載力與計(jì)算承載力的比值較接近且均大于1.3，說(shuō)明預(yù)制試件與現(xiàn)澆試件均具有較好的安全儲(chǔ)備且安全儲(chǔ)備基本相同。

各試件峰值承載力及峰值位移 表5

試件試驗(yàn)及計(jì)算承載力對(duì)比 表6

圖11 搭接鋼筋頂應(yīng)變變化曲線

3.4 剛度退化

各試件剛度變化曲線如圖9所示。由圖9可以看出：1)隨著荷載的增加，所有試件均發(fā)生了剛度退化，且屈服前剛度退化明顯，屈服后剛度退化變緩；2)預(yù)制試件初始剛度小于現(xiàn)澆試件；3)峰值承載力后，預(yù)制試件與現(xiàn)澆試件剛度及退化趨勢(shì)基本相同。

圖9 各組試件剛度變化曲線

3.5 變形與延性

各試件變形及延性系數(shù)見(jiàn)表7。從表7可以看出：1)所有試件均具有較好的變形能力和較大的延性系數(shù)，預(yù)制試件和現(xiàn)澆試件的位移延性系數(shù)均大于8，滿足規(guī)范對(duì)于剪力墻的抗震性能要求，所有試件的極限層間位移角都達(dá)到1/120(層間位移約23mm)以上，達(dá)到剪力墻結(jié)構(gòu)在大震下層間位移角的要求；2)預(yù)制試件屈服位移、極限位移均大于現(xiàn)澆試件，預(yù)制試件變形能力好于現(xiàn)澆試件；3)由于預(yù)制試件屈服位移增大程度大于極限位移，因而計(jì)算延性系數(shù)略小于現(xiàn)澆試件。

各試件變形及延性系數(shù) 表7

3.6 鋼筋應(yīng)變

試件2鋼筋應(yīng)變?nèi)鐖D10，11所示。從試件鋼筋應(yīng)變可以看出：1)試驗(yàn)加載初期，預(yù)制試件及現(xiàn)澆試件鋼筋應(yīng)變均符合平截面假定；2)預(yù)制試件疊合邊緣構(gòu)件鋼筋搭接傳力良好，搭接鋼筋及被搭接鋼筋均實(shí)現(xiàn)屈服，搭接鋼筋最終拉斷，與試驗(yàn)現(xiàn)象吻合；3)預(yù)制試件鋼筋受力與現(xiàn)澆試件鋼筋受力基本一致；試件的剪跨比較小時(shí)，鋼筋主要產(chǎn)生拉應(yīng)變且呈不規(guī)則滯回曲線，隨著剪跨比的增大，鋼筋產(chǎn)生隨加載制度變化的拉壓應(yīng)變且呈規(guī)則性滯回曲線。

圖10 搭接鋼筋底應(yīng)變變化曲線

4 結(jié)論

(1)裝配式剪力墻試件的裂縫開(kāi)展規(guī)律和破壞形態(tài)與其對(duì)應(yīng)的現(xiàn)澆試件基本一致。

(2)采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)中的公式計(jì)算縱肋疊合剪力墻的承載力是合適的，預(yù)制試件與現(xiàn)澆試件具有相同的安全儲(chǔ)備。

(3)裝配式剪力墻試件的滯回曲線、骨架曲線、剛度退化規(guī)律等與現(xiàn)澆試件一致。

(4)裝配式剪力墻試件的變形能力較好，極限層間位移角基本均可達(dá)到在1/120以上。試件的位移延性系數(shù)能夠滿足剪力墻的抗震性能要求。

(5)裝配式剪力墻的鋼筋受力與現(xiàn)澆試件基本相同，該剪力墻裝配方式技術(shù)可靠、構(gòu)造合理，可按與現(xiàn)澆構(gòu)件相同的方法進(jìn)行此類裝配整體式剪力墻構(gòu)件的設(shè)計(jì)。