馬少春，方宏遠(yuǎn)，鮑鵬，姜忻良

(1.河南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，河南 開封 475004；2.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001；3.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072)

近年來，環(huán)境污染、能源資源短缺、大力發(fā)展綠色節(jié)能裝配式建筑一直是各國關(guān)注的熱點(diǎn)問題。中國大力發(fā)展綠色環(huán)保、低碳節(jié)能的新型裝配式建筑[1]，力爭到2020年實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)新建建筑節(jié)能達(dá)到65%的目標(biāo)。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體上的節(jié)能是最直接、最經(jīng)濟(jì)、最有效的措施，但傳統(tǒng)墻體材料污染環(huán)境，并且消耗的能源資源也較大。因此，尋找低能耗、低成本、綠色環(huán)保墻體材料，大力推進(jìn)墻體材料革新給研究人員提出了挑戰(zhàn)[2]。石膏是一種綠色氣硬性膠凝材料，被廣泛地應(yīng)用于制作復(fù)合墻板[3]。石膏具有質(zhì)量較輕、成本低廉、對環(huán)境無污染的突出優(yōu)點(diǎn)，在建筑材料中充當(dāng)較好的耐火材料。材料內(nèi)部的多孔隙使石膏又具有較好的保溫隔熱功能，非常適合應(yīng)用于新型復(fù)合墻板或組合節(jié)點(diǎn)中?？梢詫⑹嘧龀墒嗫涨唬洚?dāng)復(fù)合墻板的免拆模板，然后在石膏空腔中配置鋼筋并澆筑混凝土填充材料形成復(fù)合的墻板或節(jié)點(diǎn)。

為了解石膏復(fù)合剪力墻的受力性能，找到其受力最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，許多研究者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[4-6]，但其大多針對單獨(dú)復(fù)合剪力墻構(gòu)件，對于石膏混凝土復(fù)合剪力墻與連接節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土異型暗柱之間關(guān)于水平鋼筋連接方式的研究相對較少。裝配時鋼筋的連接工作量大且質(zhì)量不易保證，因此，尋找腹板和翼緣與節(jié)點(diǎn)核心區(qū)異形柱鋼筋的合理連接方式是一種可行的解決方案[7]。筆者嚴(yán)格按照有關(guān)抗震試驗(yàn)規(guī)范的要求對裝配式復(fù)合剪力墻節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試件連接方式構(gòu)造分析和抗震性能試驗(yàn)，通過對組合節(jié)點(diǎn)各試件的受力變形、裂縫狀況、破壞形態(tài)、滯回特性、延性、剛度退化以及能量耗散系數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行研究，進(jìn)而研究裝配式復(fù)合剪力墻與節(jié)點(diǎn)暗柱之間采用水平鋼筋不同連接方式對組合節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 構(gòu)件設(shè)計(jì)

裝配式復(fù)合剪力墻節(jié)點(diǎn)中的石膏孔腔模板是在工廠中將建筑石膏與一定量水泥、纖維以及一些外加劑按照特定的配合比生產(chǎn)的多空腔石膏板產(chǎn)品[8]，節(jié)點(diǎn)翼緣中的石膏板與保溫系統(tǒng)也是在工廠中生產(chǎn)的一體產(chǎn)品。腹板石膏板基本尺寸為：側(cè)板厚13 mm；隔板厚20 mm，高160 mm；水平孔腔94 mm×220 mm；垂直孔腔230 mm×94 mm。翼緣系統(tǒng)基本尺寸為：保溫板厚120 mm；最外側(cè)石膏單板厚13 mm。將翼緣和腹板的石膏板部件運(yùn)輸?shù)绞┕龅剡M(jìn)行組裝、插入配筋并采用混凝土填入石膏空腔。在翼緣和腹板交接處，根據(jù)預(yù)留混凝土異形暗柱的形狀和尺寸將一些石膏隔板去掉，配置鋼筋并澆筑混凝土形成節(jié)點(diǎn)核心區(qū)暗柱。

圖1 GTJ試件平面圖(mm)Fig.1 GTJ sample plan(mm)

圖2 FGTJ試件平面圖(mm)Fig.2 FGTJ sample plan(mm)

圖3 1-1剖面圖(mm)Fig.3 Sectional view of 1-1(mm)

圖4 2-2剖面圖(mm)Fig.4 Sectional view of 2-2(mm)

1.2 試驗(yàn)加載裝置與測試

為了模擬復(fù)合剪力墻節(jié)點(diǎn)的真實(shí)受力情況，試驗(yàn)主要在水平和垂直兩個方向進(jìn)行加載[9]。垂直方向：豎向荷載值為122 kN,軸壓比為0.1，通過3臺50 kN的液壓千斤頂施加在節(jié)點(diǎn)頂部鋼梁上，可以較真實(shí)地模擬節(jié)點(diǎn)上部的結(jié)構(gòu)荷載均勻地傳遞給節(jié)點(diǎn)，還可避免應(yīng)力集中影響。在千斤頂頂部設(shè)置滾軸支座，實(shí)現(xiàn)3臺千斤頂在保證豎向恒荷載的同時可以伴隨節(jié)點(diǎn)在水平方向同步移動。水平方向：在腹板頂部一側(cè)設(shè)置1臺1 000 kN的推拉千斤頂用來模擬水平地震作用。推拉千斤頂一端與反力墻進(jìn)行固定，另一端可通過傳感器、固定裝置與節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行連接。擬靜力試驗(yàn)加載過程主要分為兩部分：1)預(yù)加載，取預(yù)估30%開裂荷載作為預(yù)加載試驗(yàn)的控制荷載；2)正式加載，參照試驗(yàn)規(guī)范中的要求，采用荷載與位移混合加載方式。在低周反復(fù)加載試驗(yàn)中，當(dāng)試件達(dá)到屈服之前，主要采取荷載控制，每級水平荷載控制級為10 kN并往復(fù)3次；當(dāng)達(dá)到屈服之后改為位移控制，取屈服位移倍數(shù)作為位移控制級并往復(fù)加載3次。直到試件的承載力下降至峰值荷載的85%以下，構(gòu)件破壞，試驗(yàn)結(jié)束。加載系統(tǒng)與試驗(yàn)裝置如圖5、圖6所示。為了研究復(fù)合剪力墻節(jié)點(diǎn)的抗震性能以及考慮水平鋼筋不同連接方式對其性能的影響，試驗(yàn)主要測量內(nèi)容為：節(jié)點(diǎn)頂部荷載及變形、裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展、試件下部固定梁位移、試驗(yàn)誤差。根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)可知，試驗(yàn)破壞多發(fā)生在試件的中下部，因此，在試驗(yàn)過程中對其進(jìn)行了重點(diǎn)關(guān)注。

圖5 現(xiàn)場加載裝置Fig.5 On-site test loading device

圖6 試驗(yàn)循環(huán)加載裝置Fig.6 Test set-up for cyclic loading

試件開裂前，采用水平力控制并以預(yù)估開裂荷載的50%為初始荷載分級加載，每級水平力以10 kN為級差往復(fù)一次；試件開裂后，采用水平位移控制加載，每級位移循環(huán)兩次，直至試件承載力降低到峰值荷載的85%以下，或試件無法穩(wěn)定地承受反復(fù)荷載時，停止加載。

2 現(xiàn)象及破壞形態(tài)

在預(yù)加載試驗(yàn)階段，當(dāng)荷載為30.00 kN時，幾乎無異?，F(xiàn)象。當(dāng)荷載為101.59 kN時，首先在GTJ節(jié)點(diǎn)腹板右下角出現(xiàn)水平方向的初始裂縫，約600.00 mm長，并有延長趨勢。當(dāng)荷載為100.75 kN時，F(xiàn)GTJ試件具有相似的現(xiàn)象。復(fù)合剪力墻與暗柱的不同連接方式對節(jié)點(diǎn)初始裂縫的開裂無關(guān)，在此階段，翼緣幾乎無變化。當(dāng)GTJ荷載為150.55 kN時，在節(jié)點(diǎn)的腹板中部出現(xiàn)幾條45°或135°方向的斜裂縫，已有裂縫加寬并延伸至腹板的根部。當(dāng)FGTJ荷載為150.42 kN時，復(fù)合剪力墻中發(fā)出撕裂聲，腹板上形成主裂縫，長度為230.00 mm；當(dāng)GTJ荷載為180.00 kN時，腹板的最外側(cè)鋼筋發(fā)生了屈服。腹板左上部出現(xiàn)幾條長200.00 mm的斜裂縫，之后采用位移來控制。當(dāng)荷載為170.45 kN時，F(xiàn)GTJ腹板鋼筋出現(xiàn)了屈服現(xiàn)象。當(dāng)加載至1倍屈服位移Δy時，GTJ和FGTJ均進(jìn)入彈塑性階段，裂縫繼續(xù)發(fā)展。當(dāng)位移為2Δy時，GTJ腹板裂縫出現(xiàn)加寬和延長現(xiàn)象，在腹板中部的斜裂縫，由于相互交叉而形成網(wǎng)格。另外，在翼緣上出現(xiàn)了豎向微裂縫，F(xiàn)GTJ豎向、水平及斜向裂縫增多和延長相對較快。復(fù)合剪力墻與暗柱的不同連接方式對GTJ和FGTJ節(jié)點(diǎn)的裂縫開裂規(guī)律影響顯著。比如，出現(xiàn)裂縫的局部區(qū)域不同，裂縫發(fā)展的方向也有所不同。當(dāng)位移為3Δy時，GTJ腹板腳部的裂縫顯著變寬，F(xiàn)GTJ腹板與暗柱結(jié)合區(qū)域的豎向裂縫已基本形成并貫通，豎向裂縫的寬度顯著增大。當(dāng)位移為3.5Δy時，GTJ翼緣出現(xiàn)水平裂縫，腹板腳部的混凝土和石膏被壓碎，鋼筋被反復(fù)拉長或壓彎，水平反復(fù)荷載降至0.85Py以下。FGTJ腹板與暗柱結(jié)合區(qū)域裂縫加寬，在翼緣中部出現(xiàn)水平裂縫，長680.00 mm，腹板表面材料局部剝落。

總之，GTJ最終破壞形式為腹板腳部混凝土被壓碎或拉裂、鋼筋被拉長或壓彎，或者45°方向產(chǎn)生破壞的斜向貫通裂縫，如圖7所示。FGTJ最終破壞形式為腹板與暗柱結(jié)合區(qū)域產(chǎn)生豎向貫通裂縫。分析其原因，GTJ腹板和翼緣水平鋼筋伸入暗柱，連接效果相對較好，節(jié)點(diǎn)構(gòu)件整體性較好，有利于節(jié)點(diǎn)抗震。FGTJ在腹板與暗柱結(jié)合區(qū)域相對比較薄弱，缺少在水平方向上的必要連接。

圖7 試件破壞圖Fig.7 Specimen destruction diagram

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 滯回及骨架曲線

滯回曲線常被用來評定復(fù)合剪力墻各類節(jié)點(diǎn)的抗震性能[10]，試件的滯回和骨架曲線見圖8。在復(fù)合剪力墻腹板開裂之前，GTJ和FGTJ節(jié)點(diǎn)的承載及變形能力相對較小，滯回環(huán)基本保持重合。GTJ和FGTJ節(jié)點(diǎn)均處在彈性階段，無殘余變形，無剛度退化。隨著荷載的繼續(xù)增大，滯回環(huán)也逐步變得越來越飽滿。通過觀察GTJ和FGTJ節(jié)點(diǎn)滯回曲線的坐標(biāo)軸，當(dāng)千斤頂卸載完畢時，試件的變形卻不能完全回歸到零。因此，可以得出復(fù)合剪力墻節(jié)點(diǎn)已發(fā)生彈塑性變形，并且殘余變形在累計(jì)。與此同時，剛度退化也越來越嚴(yán)重。從GTJ和FGTJ節(jié)點(diǎn)的滯回曲線整體上看，GTJ節(jié)點(diǎn)滯回曲線與FGTJ節(jié)點(diǎn)相比相對較飽滿，而FGTJ節(jié)點(diǎn)由于后期腹板與節(jié)點(diǎn)核心區(qū)異性柱水平連接失效，滯回曲線捏攏現(xiàn)象相對比較嚴(yán)重，也說明GTJ的耗能能力明顯好于FGTJ。

圖8 GTJ/FGTJ滯回及骨架曲線圖Fig.8 GTJ / FGTJ hysteresis and skeleton curve

GTJ和FGTJ節(jié)點(diǎn)試件骨架曲線見圖8。在開裂前期，復(fù)合剪力墻節(jié)點(diǎn)的骨架曲線表現(xiàn)為直線狀態(tài)，說明節(jié)點(diǎn)承載力與相應(yīng)變形屬于典型的線性變化關(guān)系。隨著低周反復(fù)荷載的逐漸增大，腹板損傷累積越來越嚴(yán)重，骨架曲線逐漸由直線逐漸轉(zhuǎn)變曲線形狀。在GTJ和FGTJ節(jié)點(diǎn)屈服前，其荷載與位移間斜率基本一樣，說明其剛度基本相同，即兩類試件前期性能相同。當(dāng)屈服以后，F(xiàn)GTJ節(jié)點(diǎn)由于后期腹板與節(jié)點(diǎn)核心區(qū)異形柱水平連接逐漸失效，其剛度下降速度相對較快。從骨架曲線整體形狀來看，GTJ節(jié)點(diǎn)與FGTJ節(jié)點(diǎn)相比更高更長，說明GTJ承載及變形能力優(yōu)于FGTJ。從骨架曲線最終破壞情況來看，節(jié)點(diǎn)試件的承載能力突然喪失，主要表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)腹板發(fā)生脆性破壞，F(xiàn)GTJ節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)得更為明顯，從節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)分析中同樣能證實(shí)這一點(diǎn)。

3.2 承載及變形能力

GTJ和FGTJ兩類試件的主要試驗(yàn)結(jié)果見表1，可以看出，GTJ的開裂、屈服及極限荷載比FGTJ分別提高了2.42%、10.84%及9.25%，說明腹板水平鋼筋伸入節(jié)點(diǎn)核心區(qū)有助于提高節(jié)點(diǎn)的承載能力，對開裂具有一定的延緩作用。從開裂、屈服及極限位移對比來看，GTJ節(jié)點(diǎn)比FGTJ節(jié)點(diǎn)分別提高了16.42%、16.81%及13.36%，說明GTJ節(jié)點(diǎn)的整體抗變形能力與FGTJ節(jié)點(diǎn)相比要好一些。其原因在于，GTJ節(jié)點(diǎn)腹板與節(jié)點(diǎn)暗柱之間采用水平鋼筋進(jìn)行連接，組合節(jié)點(diǎn)的整體性相對較好，在加載過程中，承載及變形能力相對較好。FGTJ節(jié)點(diǎn)的腹板與暗柱之間缺少必要的水平鋼筋連接，導(dǎo)致腹板與節(jié)點(diǎn)暗柱過早分離，造成整體性較差。在腹板與暗柱之間連接界面容易產(chǎn)生豎向裂縫，隨著荷載的增加，薄弱區(qū)的豎向裂縫不斷增多和加寬，豎向裂縫逐漸貫通導(dǎo)致試件最終發(fā)生破壞。

表1 承載力與變形Table 1 Load capacity and deformation

位移延性系數(shù)μ=Δu/Δy可作為復(fù)合剪力墻節(jié)點(diǎn)抗震性能的評判指標(biāo)[11]。GTJ和FGTJ節(jié)點(diǎn)的開裂荷載Pcr、屈服荷載Py、極限荷載Pu、開裂位移Δcr、屈服位移Δy、極限位移Δu都根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范建議的方法獲得[12]。GTJ和FGTJ試件的延性系數(shù)分別為3.76和3.41，提高了約10.26%，表明GTJ節(jié)點(diǎn)的腹板水平鋼筋伸入暗柱的連接方式有助于提高其延性。從GTJ和FGTJ節(jié)點(diǎn)破壞機(jī)理來看，均是由于腹板破壞而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)最終不能繼續(xù)承受荷載而發(fā)生破壞。GTJ表現(xiàn)為腹板腳部混凝土被壓碎、鋼筋發(fā)生屈服或者45°方向產(chǎn)生貫通的主裂縫；FGTJ表現(xiàn)為腹板與暗柱連接處產(chǎn)生豎向貫通主裂縫。

3.3 剛度退化

復(fù)合剪力墻節(jié)點(diǎn)在試驗(yàn)過程中隨著低周反復(fù)荷載的不斷增加，剛度逐漸出現(xiàn)退化[13]。為了使研究更具有代表性，選取GTJ和FGTJ節(jié)點(diǎn)各試件滯回曲線或骨架曲線上的關(guān)鍵點(diǎn)作為研究對象。將關(guān)鍵點(diǎn)縱橫坐標(biāo)比值作為GTJ和FGTJ的等效剛度K；將等效剛度K與初始剛度K0的比值K/K0規(guī)定為GTJ和FGTJ節(jié)點(diǎn)相對剛度。同理可得到相對位移δ/δu。GTJ和FGTJ節(jié)點(diǎn)的剛度退化曲線見圖9，剛度在整個受力過程中逐漸減小，表明在低周反復(fù)荷載作用下，裂縫繼續(xù)增多并加寬，損傷進(jìn)一步累積。從剛度退化速度的角度分析，F(xiàn)GTJ比GTJ剛度退化快。尤其是當(dāng)進(jìn)入彈塑性階段之后，退化速度相對更快。在FGTJ節(jié)點(diǎn)的腹板與暗柱結(jié)合處豎向主裂縫的形成和發(fā)展是導(dǎo)致剛度下降的直接原因，表明腹板水平鋼筋伸入暗柱并貫通節(jié)點(diǎn)，形成有效地連接，有利于提高GTJ節(jié)點(diǎn)整體抗側(cè)剛度，有利于提高其抗震性能。

圖9 GTJ和FGTJ剛度退化曲線Fig.9 GTJ and FGTJ stiffness degradation curves

3.4 耗能能力

普通混凝土異型柱具有較好的力學(xué)性能，但暗柱與內(nèi)外兩類復(fù)合剪力墻組合后的性能需要在模擬地震作用下對其進(jìn)行耗能分析。滯回環(huán)所包圍的面積SABC+CDA越飽滿，表明其耗能能力就越強(qiáng)。抗震滯回環(huán)耗能示意圖見圖10，所圍成的有效面積SBEO+DFO表示GTJ和FGTJ節(jié)點(diǎn)在一次循環(huán)荷載作用下所消耗的總能量。能量耗散系數(shù)E=SABC+CDA/SBEO+DFO。GTJ和FGTJ在1Δy、2Δy、3Δy所對應(yīng)的E分別為0.44、0.50、0.75和0.38、0.57、0.69。極值荷載狀態(tài)下，GTJ能量耗散系數(shù)提高了8.70%。由此可見，能量耗散系數(shù)E隨著位移的增加而逐漸增大，GTJ與FGTJ相比更有利于抗震。

圖10 滯回環(huán)耗能示意圖Fig.10 Hysteresis loop energy consumption diagram

4 結(jié)論

1)通過對GTJ和FGTJ兩類連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗震性能試驗(yàn)對比分析，得到兩類節(jié)點(diǎn)的各階段裂縫主要集中在腹板的兩側(cè)，翼緣變化不明顯。GTJ節(jié)點(diǎn)在其腹板腳部混凝土被壓碎、鋼筋發(fā)生屈服或者45°方向產(chǎn)生貫通的主裂縫而最終破壞。FGTJ節(jié)點(diǎn)在其腹板與暗柱連接處產(chǎn)生豎向的貫通主裂縫而最終破壞。

2)通過對GTJ和FGTJ節(jié)點(diǎn)承載及變形能力、滯回特性、延性、剛度退化、耗能等性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)GTJ抗震性能優(yōu)越于FGTJ試件，表明預(yù)制裝配式復(fù)合剪力墻節(jié)點(diǎn)暗柱與復(fù)合剪力墻之間連接方式不同，其組合節(jié)點(diǎn)的整體性能也不同，說明水平鋼筋對復(fù)合剪力墻節(jié)點(diǎn)進(jìn)行可靠地連接能有效地提高其抗震性能。

3)通過對位移延性系數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，GTJ試件的位移延性系數(shù)3.76與FGTJ試件的位移延性系數(shù)3.41相比提高了10.26%，說明GTJ節(jié)點(diǎn)的腹板水平鋼筋伸入暗柱形成可靠的連接可以提高其延性。通過耗能分析發(fā)現(xiàn)，GTJ和FGTJ在1Δy、2Δy、3Δy所對應(yīng)的能量耗散系數(shù)E分別為0.44、0.50、0.75和0.38、0.57、0.69，并且隨著位移的不斷增加而逐漸增大。從節(jié)點(diǎn)整體抗震性能來看，GTJ節(jié)點(diǎn)的耗能能力相對優(yōu)于FGTJ節(jié)點(diǎn)。