初明進(jìn), 李祥賓, 劉繼良, 曹春利,2, 陳國(guó)堯, 李愛(ài)群
(1 北京建筑大學(xué)北京未來(lái)城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心, 北京 100044;2 山東艾科福建筑科技有限公司, 煙臺(tái) 264006;3 大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院, 大連 116024)
研究表明,裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)不同預(yù)制剪力墻,其墻板間豎向接縫是影響結(jié)構(gòu)整體性能的重要因素[1-3]?!堆b配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 1—2014)[1]規(guī)定“樓層內(nèi)相鄰預(yù)制剪力墻之間應(yīng)采用整體式接縫連接”,這種現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)連接方式較為符合當(dāng)前國(guó)內(nèi)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的研究水平和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的發(fā)展現(xiàn)狀。榫卯連接裝配整體式剪力墻(簡(jiǎn)稱榫卯剪力墻)結(jié)構(gòu)體系采用了一種新的豎向接縫,其基本裝配單元為榫卯板,榫卯板側(cè)邊設(shè)置有橫向凹槽和縱向通孔,無(wú)外伸鋼筋;榫卯板內(nèi)的水平分布鋼筋與置于橫向凹槽內(nèi)的邊緣構(gòu)件箍筋采用間接搭接實(shí)現(xiàn)鋼筋連接[4-6]?,F(xiàn)澆邊緣構(gòu)件處的構(gòu)造如圖1所示。
圖1 現(xiàn)澆邊緣構(gòu)件處接縫構(gòu)造示意圖
文獻(xiàn)[6]研究了剪跨比為2.0的榫卯剪力墻的受力性能,結(jié)果表明,榫卯接縫連接性能良好,能夠保證榫卯剪力墻的整體性能。文獻(xiàn)[7]對(duì)不同剪跨比的榫卯剪力墻進(jìn)行了試驗(yàn)研究,認(rèn)為提高剪跨比,墻體的承載力降低,但承載力穩(wěn)定性和變形能力提高;沿橫向凸起根部形成的宏觀豎向裂縫,可避免低矮剪力墻發(fā)生剪切破壞。目前,關(guān)鍵參數(shù)對(duì)中高剪跨比榫卯剪力墻的受力性能的影響尚未開(kāi)展研究。為此,本文設(shè)計(jì)并制作了剪跨比為1.5的1個(gè)現(xiàn)澆剪力墻試件和3個(gè)榫卯剪力墻試件,研究不同軸壓比[8]、不同水平鋼筋配筋量的中高剪跨比榫卯剪力墻的受彎性能,為這種新型裝配整體式結(jié)構(gòu)體系的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。
試件CW-01的現(xiàn)澆邊緣構(gòu)件長(zhǎng)度為400mm,邊緣構(gòu)件縱筋為616,邊緣構(gòu)件箍筋為8@200;墻板水平和豎向分布鋼筋均為雙層8@200,配筋率為0.25%。試件CW-01的截面尺寸及配筋見(jiàn)圖2。
試件主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比 表1
圖2 試件CW-01
試件SCW-1為榫卯剪力墻基準(zhǔn)試件,其邊緣構(gòu)件箍筋配置為8@95/105,即橫向凹槽內(nèi)箍筋間距為95mm,每一橫向凹槽內(nèi)靠近橫向凸起的箍筋與橫向凹槽間的箍筋的間距為105mm,箍筋伸入橫向凹槽內(nèi)的長(zhǎng)度為15d(d為鋼筋直徑),取150mm;榫卯板內(nèi)水平分布鋼筋為8@140/260。試件SCW-N1配筋情況與試件SCW-1相同。試件SCW-H的水平分布鋼筋為10@140/260,相對(duì)試件SCW-1,水平分布鋼筋配筋率提高了56.1%;其邊緣構(gòu)件箍筋為10@95/105。3個(gè)榫卯剪力墻試件的榫卯板內(nèi)豎向分布鋼筋均為雙層8@200,上部均伸入加載梁內(nèi)。試件SCW-1,SCW-H,SCW-N1試件尺寸及配筋情況見(jiàn)圖3。
圖3 試件SCW-1,SCW-N1,SCW-H截面尺寸及配筋
試件SCW-1,SCW-H,SCW-N1的中部墻板為榫卯板;榫卯板截面尺寸為200mm×700mm,高度為2 080mm;橫向凹槽由板面方向看為等腰梯形,長(zhǎng)邊尺寸為250mm,短邊尺寸為150mm,高度為150mm??拷久鍌?cè)邊位置設(shè)有縱向孔洞,截面尺寸為120mm×130mm;中部設(shè)置豎向孔洞,截面為圓形,直徑為120mm。
榫卯剪力墻試件制作過(guò)程如下:1)制作榫卯板。2)制作地梁:需預(yù)埋邊緣構(gòu)件縱筋及榫卯板中部通孔內(nèi)豎向鋼筋,然后澆筑地梁混凝土。3)安裝榫卯板:在地梁上表面與上部墻體結(jié)合部位進(jìn)行鑿毛處理,吊裝榫卯板就位。4)支模及澆筑混凝土:支設(shè)邊緣構(gòu)件、加載梁模板,澆筑榫卯板縱向孔洞、邊緣構(gòu)件及加載梁的混凝土。圖4為各制作階段照片。
圖4 榫卯剪力墻試件制作階段
各試件混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C30,在試件的制作過(guò)程中預(yù)留尺寸為150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊,與試件同條件養(yǎng)護(hù),實(shí)測(cè)混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度平均值fcu,m、軸心抗壓強(qiáng)度平均值fc,m見(jiàn)表2。同時(shí)預(yù)留同批次鋼筋試樣,實(shí)測(cè)鋼筋屈服強(qiáng)度平均值fy,m、抗拉強(qiáng)度平均值fu,m、伸長(zhǎng)率平均值δm見(jiàn)表3。
混凝土力學(xué)性能 表2
鋼筋力學(xué)性能 表3
試驗(yàn)加載裝置見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。試驗(yàn)為恒定軸壓作用下的水平低周反復(fù)加載試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)先預(yù)加載至軸向荷載的50%,然后卸載,再加載至預(yù)定軸向荷載保持恒定,然后施加水平反復(fù)荷載[9]。
水平加載采用位移控制,先推后拉,規(guī)定推為正,拉為負(fù)。加載點(diǎn)控制位移角分別為1/2 000,1/1 000,1/500,1/300,1/200,1/150,1/100,1/75,1/60,1/50,1/40,1/30,1/20,……;前三級(jí)控制位移角下各循環(huán)1次,其余控制位移角下各循環(huán)2次,如圖5所示。
圖5 試驗(yàn)加載制度
位移測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。荷載量測(cè)包括水平及豎向荷載;位移量測(cè)包括加載點(diǎn)處水平位移(測(cè)點(diǎn)MD1)、沿墻體中線不同高度處水平位移(測(cè)點(diǎn)MD2~MD5)、墻體兩側(cè)豎向相對(duì)變形(測(cè)點(diǎn)EV2~EV6、測(cè)點(diǎn)WV2~WV6)、底部水平縫豎向相對(duì)張開(kāi)變形(測(cè)點(diǎn)VD5~VD8)和水平位移(測(cè)點(diǎn)MD6)、豎向接縫水平位移(測(cè)點(diǎn)HD1~HD6)和豎向相對(duì)張開(kāi)變形(測(cè)點(diǎn)VD1~VD4)、地梁平移位移(測(cè)點(diǎn)MD7)和轉(zhuǎn)動(dòng)位移(測(cè)點(diǎn)EV1,WV1)。
圖6 位移測(cè)點(diǎn)布置
鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的布置如圖7所示。測(cè)量了榫卯接縫處和墻體中線處的水平分布鋼筋應(yīng)變(測(cè)點(diǎn)HR1~HR9)、中部豎向通孔兩側(cè)的豎向分布鋼筋應(yīng)變與中部豎向通孔內(nèi)豎向插筋應(yīng)變(測(cè)點(diǎn)S1~S6)以及底部水平縫處的邊緣構(gòu)件縱筋應(yīng)變(測(cè)點(diǎn)V1~V6)和榫卯接縫處邊緣構(gòu)件箍筋應(yīng)變(測(cè)點(diǎn)HR01~HR05)。
圖7 鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置
位移角θ=-1/1 510時(shí),墻體與地梁相交處出現(xiàn)水平裂縫;θ=-1/833時(shí),邊緣構(gòu)件間開(kāi)始自下而上出現(xiàn)水平裂縫;θ=+1/631時(shí),距根部約600mm處水平裂縫斜向下發(fā)展進(jìn)入墻板,東、西兩側(cè)斜裂縫在墻體中線處交叉;θ=+1/415時(shí),東側(cè)邊緣構(gòu)件外側(cè)縱筋屈服(圖8(a));θ=+1/365時(shí),兩側(cè)邊緣構(gòu)件根部出現(xiàn)豎向裂縫。
位移角θ=+1/106,θ=-1/74時(shí),墻體分別達(dá)到峰值荷載+724,-803kN,此時(shí)新增多條斜裂縫,斜裂縫延伸過(guò)墻體中線,東西兩側(cè)墻體根部混凝土輕微壓潰,此時(shí)最大斜裂縫寬2.0mm,墻體根部水平裂縫寬1.5mm(圖8(b))。
位移角θ=±1/55時(shí),墻體水平力下降到峰值荷載的85%,此時(shí)出現(xiàn)對(duì)角斜裂縫,墻體根部混凝土保護(hù)層剝落,邊緣構(gòu)件縱筋外露,最大斜裂縫寬2.25mm(圖8(c))。加載至控制位移角為1/40的第一循環(huán)時(shí),豎向承載力突然減小,結(jié)束試驗(yàn)。
圖8 試件CW-01裂縫開(kāi)展?fàn)顩r
位移角θ=+1/2 050時(shí),墻體根部出現(xiàn)水平裂縫;θ=+1/1 130時(shí),邊緣構(gòu)件開(kāi)始自下而上出現(xiàn)水平裂縫;θ=+1/451時(shí),橫向凸起根部出現(xiàn)短細(xì)斜裂縫、橫向凹槽底部出現(xiàn)豎向裂縫,隨后裂縫持續(xù)增多、局部連通;θ=+1/440時(shí),東側(cè)邊緣構(gòu)件內(nèi)水平裂縫穿過(guò)榫卯接縫斜向下發(fā)展至墻體中線;θ=-1/220時(shí),兩側(cè)邊緣構(gòu)件內(nèi)距根部100mm處的水平-斜向裂縫與榫卯板底部水平裂縫連通,形成“V”字形裂縫;θ=+1/203時(shí),東側(cè)邊緣構(gòu)件外側(cè)縱筋屈服;θ=-1/201時(shí),西側(cè)邊緣構(gòu)件外側(cè)縱筋屈服,此時(shí)最大斜裂縫寬1.25mm,墻體根部水平縫寬1.6mm(圖9(a))。
位移角θ=-1/160時(shí),東西兩側(cè)斜裂縫在墻體中線處交叉;θ=+1/110時(shí),西側(cè)墻體根部混凝土出現(xiàn)豎向裂縫;θ=+1/101,θ=-1/99時(shí),墻體分別達(dá)到峰值荷載+613,-689kN,此時(shí)最大斜裂縫寬2.5mm,根部水平裂縫寬2.6mm(圖9(b))。
圖9 試件SCW-1裂縫開(kāi)展?fàn)顩r
位移角θ=±1/31時(shí),水平力下降到峰值荷載的85%;此時(shí)榫卯板內(nèi)斜裂縫向上發(fā)展至墻體頂部,中部豎向通孔處斜裂縫出現(xiàn)交叉,無(wú)對(duì)角斜裂縫;橫向凸起根部的保護(hù)層剝落,與橫向凹槽內(nèi)側(cè)接縫連通形成豎縫,導(dǎo)致水平分布鋼筋外露,豎縫兩側(cè)墻體發(fā)生明顯錯(cuò)動(dòng);墻體根部、榫卯板角部的混凝土發(fā)生小范圍剝落,墻體根部壓潰區(qū)域非常小(圖9(c)),這表明邊緣構(gòu)件構(gòu)造合理。
試件SCW-H的水平分布鋼筋配筋量相對(duì)基準(zhǔn)試件SCW-1提高了約56.1%,其破壞過(guò)程與基準(zhǔn)試件SCW-1相似。位移角θ=+1/725時(shí),橫向凸起根部出現(xiàn)短細(xì)斜裂縫及橫向凹槽內(nèi)側(cè)接縫開(kāi)裂;θ=+1/680時(shí),榫卯板東側(cè)出現(xiàn)斜裂縫;θ=+1/378時(shí),東側(cè)邊緣構(gòu)件外側(cè)縱筋屈服,屈服位移角相對(duì)基準(zhǔn)試件較小,此時(shí)最大斜裂縫寬度、根部水平裂縫寬度(圖10(a))均大于基準(zhǔn)試件。
位移角θ=-1/360時(shí),榫卯板斜裂縫在墻體中線處交叉;θ=+1/315時(shí),中部豎向通孔處形成交叉斜裂縫;θ=-1/200時(shí),東側(cè)墻體根部出現(xiàn)豎向裂縫;上述三種裂縫狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)的位移角與基準(zhǔn)試件SCW-1相比均減小。當(dāng)θ=+1/150時(shí),墻體底部形成“V”字形裂縫;θ=±1/77時(shí),試件先后達(dá)到正、負(fù)向峰值荷載+759,-723kN,相對(duì)基準(zhǔn)試件,達(dá)到峰值荷載的時(shí)間延后;達(dá)到峰值荷載時(shí)裂縫寬度較基準(zhǔn)試件明顯增大(圖10(b))。
位移角θ=+1/40時(shí),水平荷載約下降到峰值荷載的85%,峰值位移角相比基準(zhǔn)試件減小,榫卯接縫的破壞程度相對(duì)減輕,根部混凝土壓潰現(xiàn)象相對(duì)加重(圖10(c))。
圖10 試件SCW-H裂縫開(kāi)展?fàn)顩r
試件SCW-N1的軸壓比相對(duì)基準(zhǔn)試件SCW-1增大了66.7%。位移角θ=+1/750時(shí),橫向凸起根部出現(xiàn)短細(xì)斜裂縫及橫向凹槽內(nèi)側(cè)接縫開(kāi)裂;θ=+1/337時(shí),東側(cè)邊緣構(gòu)件外側(cè)縱筋屈服,屈服位移角相對(duì)基準(zhǔn)試件SCW-1減小,此時(shí)最大斜裂縫0.6mm,根部水平裂縫寬0.7mm(圖11(a)),小于基準(zhǔn)試件SCW-1的裂縫寬度。
圖11 試件SCW-N1裂縫開(kāi)展?fàn)顩r
位移角θ=-1/565時(shí),榫卯板中部豎向通孔處短細(xì)斜裂縫出現(xiàn)交叉;θ=+1/320時(shí),榫卯板東側(cè)出現(xiàn)斜裂縫,斜裂縫延伸過(guò)墻體中線;θ=+1/205時(shí),西側(cè)邊緣構(gòu)件根部出現(xiàn)豎向裂縫,榫卯接縫處混凝土輕微剝落。θ約為+1/160,-1/142時(shí),墻體分別達(dá)到峰值荷載+924,-780kN,此時(shí)裂縫寬度(圖11(b))較基準(zhǔn)試件SCW-1要小。
位移角θ=±1/60時(shí),墻體水平荷載下降到峰值荷載的85%以下,峰值位移角相對(duì)基準(zhǔn)試件SCW-1減?。淮藭r(shí)墻體中部豎向通孔處混凝土剝落、形成裂縫帶,榫卯接縫的破壞程度相比于基準(zhǔn)試件SCW-1加重,榫卯板角部混凝土剝落程度較墻體根部要大(圖11(c))。破壞時(shí),墻體仍保持良好的豎向承載力。
各試件頂點(diǎn)水平荷載-位移(P-Δ)滯回曲線如圖12所示,骨架曲線如圖13所示。
圖12 各試件滯回曲線
圖13 各試件骨架曲線
由圖12和圖13可以看出:
(1)試件CW-01的滯回曲線在屈服荷載后呈現(xiàn)捏攏效應(yīng);榫卯剪力墻試件SCW-1的滯回曲線捏攏現(xiàn)象相對(duì)試件CW-01則相對(duì)減輕,峰值后的承載力、剛度退化更為緩慢,變形性能相對(duì)增強(qiáng)。
(2)與試件SCW-1相比,試件SCW-H提高水平鋼筋配筋率后,其加載初期剛度增大,承載力提高,峰值位移增大;峰值荷載前,滯回曲線更飽滿。
(3)與試件SCW-1相比,大軸壓比的試件SCW-N1的加載初期剛度[10-11]以及承載力提高,峰值位移減小,骨架曲線在峰值荷載后迅速下降,同時(shí)變形能力減弱。
表4為各試件特征點(diǎn)荷載值,其中屈服荷載Fy采用幾何作圖法確定[12-14]。通過(guò)對(duì)比分析可以看出:
各試件特征點(diǎn)荷載值 表4
(1)與試件CW-01相比,試件SCW-1的屈服荷載、峰值荷載平均值分別下降了16.0%,14.7%,表明剪跨比為1.5的榫卯剪力墻的承載力低于現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻。
(2)與試件SCW-1相比,試件SCW-H的水平分布鋼筋配筋量提高了56.1%,其屈服荷載、峰值荷載平均值分別提高了29.0%,13.8%,表明提高水平分布鋼筋配筋量能夠提高榫卯剪力墻承載力。
(3)試件SCW-N1的軸壓比比試件SCW-1提高了66.7%,其屈服荷載、峰值荷載平均值提高了4.8%,30.9%,表明增大軸壓比可有效提高榫卯剪力墻的峰值荷載,但對(duì)屈服荷載提高幅度較小。
3.3.1 特征點(diǎn)位移與構(gòu)件延性
各特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)水平位移以及位移角見(jiàn)表5。分析表5可知,所有試件的位移延性系數(shù)平均值均不小于5.2[10],極限位移角平均值均不小于1/120,表明榫卯剪力墻具有良好的變形能力,滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2011)(2016年版)[12]要求;試件參數(shù)及配筋相同情況下,榫卯剪力墻的位移延性系數(shù)大于現(xiàn)澆剪力墻的,且極限位移角更大,具有更好的延性;試件SCW-H的位移延性系數(shù)顯著大于試件SCW-1的值,表明提高水平鋼筋配筋量可以提高榫卯剪力墻的延性;增大軸壓比則使得各特征點(diǎn)位移減小,同時(shí)導(dǎo)致μ值減小,試件延性降低。
各試件特征點(diǎn)位移、位移角及位移延性系數(shù) 表5
3.3.2 剛度退化
定義墻體在每一往復(fù)加載循環(huán)過(guò)程中的割線剛度Ki與初始彈性剛度K0的比值Ki/K0為剛度特征值,其中Ki,K0的計(jì)算方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。剛度特征值Ki/K0與位移角θ的關(guān)系曲線如圖14所示。
圖14 各試件剛度退化曲線
由圖14可以看出,隨著水平位移角增大,各試件剛度退化規(guī)律基本一致;當(dāng)θ<1/1 000時(shí),榫卯剪力墻試件和現(xiàn)澆剪力墻試件剛度退化曲線基本重合;當(dāng)1/1 000≤θ≤1/120時(shí)[12],各試件退化曲線分化;相較于試件CW-01,榫卯剪力墻試件SCW-1的剛度退化速率減小,其在峰值荷載時(shí)剛度特征值提高了10.3%;對(duì)比試件SCW-1,SCW-H,SCW-N1可見(jiàn),提高水平分布鋼筋配筋量、增大軸壓比均導(dǎo)致試件剛度退化加快,至峰值荷載時(shí),試件SCW-H,SCW-N1的剛度分別約下降至初始剛度的8.5%,20.1%,其剛度特征值相對(duì)基準(zhǔn)試件SCW-1分別相應(yīng)地增加了-52.7%,11.1%。
3.3.3 接縫變形性能
試驗(yàn)測(cè)量了榫卯板橫向凹槽底部接縫兩側(cè)墻體的水平張開(kāi)和豎向滑移相對(duì)變形。圖15為相對(duì)變形實(shí)測(cè)值δs與頂點(diǎn)位移角θ之間的關(guān)系曲線。
圖15 各試件接縫處相對(duì)變形
加載至彈性位移角限值1/1 000時(shí),各試件接縫兩側(cè)墻體的水平及豎向相對(duì)變形基本為0mm,榫卯接縫連接性能良好,墻體保持整體性;加載至彈塑性位移角限值1/120時(shí),各試件水平相對(duì)張開(kāi)變形為0.3~0.7mm,豎向相對(duì)滑移變形為0.4~2.0mm,接縫整體性較強(qiáng)。
提高水平鋼筋配筋量,同等位移角下的相對(duì)變形值、極限狀態(tài)下的接縫兩側(cè)相對(duì)變形值顯著減小,表明提高鋼筋配筋量可更有效地約束接縫相對(duì)變形,直徑為10mm的鋼筋伸入橫向凹槽內(nèi)150mm錨固時(shí)能夠發(fā)揮作用。
試件SCW-1,SCW-H的水平分布鋼筋應(yīng)變、橫向凹槽內(nèi)的箍筋應(yīng)變的測(cè)量結(jié)果如圖16所示。可以看出,峰值荷載前,鋼筋應(yīng)變隨荷載增加而增大;峰值荷載后,應(yīng)變持續(xù)增加,表明箍筋錨固良好,能保證接縫連接性能。峰值荷載前,在相同荷載下,試件SCW-H的水平分布筋及箍筋應(yīng)變小于試件SCW-1相應(yīng)位置的應(yīng)變,表明提高水平分布配筋率后鋼筋應(yīng)力減小,能夠更有效限制榫卯接縫的變形,從而提高墻體承載力。
圖16 各試件鋼筋的荷載-應(yīng)變曲線
本文研究了現(xiàn)澆邊緣構(gòu)件的中高剪跨比榫卯剪力墻的受彎性能,分析了不同軸壓比和水平鋼筋配筋量對(duì)墻體受力性能的影響,主要結(jié)論如下:
(1)鋼筋混凝土剪力墻在位移角為1/40時(shí)突然喪失承載力;榫卯剪力墻破壞區(qū)域集中于豎向接縫位置,位移角為1/30時(shí)仍具有良好的豎向承載力。
(2)剪跨比為1.5的榫卯剪力墻承載力低于鋼筋混凝土剪力墻,但極限位移角和位移延性系數(shù)明顯增大;峰值荷載后榫卯剪力墻的承載力、剛度退化更為緩慢;對(duì)比鋼筋混凝土剪力墻,榫卯剪力墻裂縫開(kāi)展輕微,剛度的退化速率有所減緩。
(3)榫卯接縫連接性能良好。峰值荷載前,榫卯剪力墻墻體保持整體;峰值荷載后,榫卯剪力墻接縫兩側(cè)墻體的水平及豎向相對(duì)變形均較小。
(4)加大軸壓比,榫卯剪力墻破壞區(qū)域向榫卯接縫、中部豎向通孔處發(fā)展,根部混凝土壓潰區(qū)域減??;提高水平鋼筋配筋量,榫卯剪力墻榫卯接縫破壞程度減小,水平鋼筋應(yīng)變降低,能夠有效限制榫卯接縫的變形。加大軸壓比和提高水平鋼筋配筋量,榫卯剪力墻墻體承載力均有所提高,但極限位移角減小,剛度退化速率加快。