馬 力， 周文君， 孫 麗， 溫 全

(1 中建三局城建有限公司， 長(zhǎng)春 130031； 2 吉林建筑科技學(xué)院土木工程系， 長(zhǎng)春 130114；3 沈陽建筑大學(xué)土木工程系， 沈陽 110168)

0 引言

隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)逐步成為我國(guó)工業(yè)化住宅的主要結(jié)構(gòu)形式。其中，高層裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在承受風(fēng)荷載及橫向地震力作用時(shí)，剪力墻成為主要承力構(gòu)件，與其連接的連梁將分擔(dān)剪力墻承擔(dān)的傾覆力矩，耗散地震力輸入的能量，提高結(jié)構(gòu)整體抗震性能，是高層裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中不可缺少的構(gòu)件。連梁的制備主要有兩種形式：一種是傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)澆筑，另一種是工廠預(yù)制。其中，第一種在傳統(tǒng)現(xiàn)澆連梁的制備現(xiàn)場(chǎng)，混凝土澆筑濕作業(yè)量大；多連梁或?qū)掃B梁結(jié)構(gòu)施工支模及拆模任務(wù)繁重，工期拖長(zhǎng)，效率低、能耗大，不利于節(jié)能減排；采用全現(xiàn)澆連梁搭接剪力墻墻體結(jié)構(gòu)，由于剪力墻墻體截面尺寸限制、鋼筋較密，現(xiàn)場(chǎng)連梁安裝作業(yè)時(shí)，易造成連梁與剪力墻墻體預(yù)留梁窩的鋼筋在連接處位置沖突，從而影響結(jié)構(gòu)荷載傳遞。而第二種預(yù)制裝配式連梁，將繁重的制造流程放在工廠內(nèi)進(jìn)行，應(yīng)用先進(jìn)的機(jī)械提高施工效率，節(jié)能減排；最后，構(gòu)件運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，在專業(yè)技術(shù)人員指導(dǎo)下快速安裝即可。

基于裝配式連梁的這些優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其開展了大量研究。國(guó)外學(xué)者Fortney等[1]應(yīng)用鋼連梁代替鋼混連梁，提出削弱型可更換連梁，改善連梁抗震性能；Paulay等[2]從改變配筋形式角度提出方案，推遲斜壓混凝土的壓潰，提高連梁抗剪能力；Barmey等[3]通過在連梁中加入阻尼器增強(qiáng)連梁耗能能力，使其具有一定的延性和良好的塑性耗能能力，但在高層建筑上部難以滿足抗震要求，而且對(duì)跨高比較大的連梁，對(duì)角交叉配筋傾角過小，抗剪作用提高有限。國(guó)內(nèi)學(xué)者范重等[4]提出一種通過加大連梁兩側(cè)或單側(cè)寬度的方式，來改善連梁受剪承載力不足的通病。同時(shí)，應(yīng)用試驗(yàn)證明多跨連梁及寬連梁能顯著提高跨高比與擴(kuò)大連梁的受剪區(qū)面積，改善結(jié)構(gòu)的整體性能。項(xiàng)遠(yuǎn)輝等[5]在論述如何增強(qiáng)跨高比小的連梁抗震性能時(shí)，提出連梁延性不足可以通過降低連梁高度，增大連梁寬度的途徑來提高?？梢姡瑢⒀b配式寬連梁構(gòu)件應(yīng)用到裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，既能發(fā)揮寬連梁的高強(qiáng)抗剪優(yōu)勢(shì)又能提高預(yù)置裝配式結(jié)構(gòu)施工的現(xiàn)代化程度，進(jìn)而推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，沈陽建筑大學(xué)孫麗提出一種內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁。單獨(dú)寬連梁及多寬連梁的連梁的長(zhǎng)度為兩端梁窩長(zhǎng)度與連梁凈跨長(zhǎng)度之和，連梁兩端在梁窩長(zhǎng)度范圍內(nèi)布置與連梁截面高度相同的雙層壓型鋼板，壓型鋼板之間由連接桿相連(支撐)，構(gòu)造裝配形式如圖1所示。預(yù)制時(shí)，內(nèi)模板采用凹型槽圍成的壓型鋼板，寬連梁端部形成“U槽結(jié)構(gòu)”。裝配時(shí)將預(yù)制寬梁吊裝至剪力墻預(yù)留的卡位處，鋼筋穿過凹槽，澆注混凝土，成為一種新型混合聯(lián)肢墻體系。

圖1 內(nèi)置壓型鋼板凹槽結(jié)構(gòu)的裝配式寬連梁的裝配形式

本文對(duì)上述內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)，與同尺寸下現(xiàn)澆連梁的破壞形態(tài)比較，對(duì)比得出寬連梁在塑性、延性、抗震性能的改善程度。最終通過仿真手段分析內(nèi)置壓型鋼板寬連梁在結(jié)構(gòu)抗震中的整體性能能否得到滿足。

1 內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁抗震性能試驗(yàn)研究

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)共包含兩個(gè)連梁剪力墻試件，分別為預(yù)制內(nèi)置壓型鋼板凹槽寬連梁剪力墻試件(L1)與現(xiàn)澆連梁剪力墻試件(L2)。圖2為L(zhǎng)1及L2試件尺寸示意圖。兩種不同的連梁鋼筋分布如圖3所示。

圖2 連梁剪力墻試件尺寸示意圖

圖3 連梁鋼筋分布

本次試驗(yàn)的鋼筋采用HRB400級(jí)熱軋螺紋鋼筋，其力學(xué)特性見表1，采用C30混凝土，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度30MPa，塌落度為180±20mm。

鋼筋性能參數(shù) 表1

1.2 測(cè)點(diǎn)布置及加載方案

1.2.1 加載方案

設(shè)計(jì)加載制度依據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ/T 101—2015)。試驗(yàn)過程中保持軸壓力恒定，按軸壓比0.1(軸力100kN)控制。試件屈服前，采用荷載加載制度，屈服后，采用位移加載，每個(gè)位移值循環(huán)三周，當(dāng)承受荷載能力下降到最大承載力的85%時(shí)，停止加載，試驗(yàn)停止[6-10]。加載裝置及布置見圖4。

圖4 加載裝置及布置

1.2.2 測(cè)點(diǎn)布置

墻體豎向鋼筋應(yīng)變、連梁縱筋和不同位置箍筋的應(yīng)變數(shù)據(jù)均由高精度電阻式應(yīng)變片測(cè)得；構(gòu)件的變形主要是利用布置在剪力墻一側(cè)以及連梁固定端和自由端的電阻位移計(jì)測(cè)得；試件加載底梁上布置兩個(gè)電阻位移計(jì)用來測(cè)量剪力墻體的微小轉(zhuǎn)動(dòng)，具體測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

(1) 力控制階段裂縫發(fā)展

L1試件在荷載作用下的裂縫分布見圖6(a)。L1試件在梁端荷載加載至正向17kN時(shí)出現(xiàn)1號(hào)裂縫；L2試件在往復(fù)豎向正向荷載達(dá)到25kN時(shí)，在連梁固支端與剪力墻連接處上側(cè)出現(xiàn)1號(hào)裂縫，見圖7(a)。當(dāng)負(fù)向荷載達(dá)19kN時(shí)，L1試件出現(xiàn)2號(hào)裂縫，裂縫開裂至梁墻交接處；負(fù)向荷載達(dá)20kN時(shí)，L1試件在距離2號(hào)裂縫40mm處的寬連梁下側(cè)出現(xiàn)3號(hào)裂縫。當(dāng)梁端豎向負(fù)向荷載達(dá)到30kN時(shí)，L2試件連梁與剪力墻交接處下側(cè)出現(xiàn)2號(hào)裂縫，見圖7(b)；L1試件連梁下側(cè)出現(xiàn)4號(hào)斜裂縫，裂縫基本為豎直方向，梁端位移達(dá)到0.81mm時(shí)，連梁縱筋屈服，試件達(dá)到屈服荷載，屈服位移取0.8mm。隨著往復(fù)循環(huán)荷載的施加，L2試件連梁與剪力墻交接位置陸續(xù)出現(xiàn)更多細(xì)小裂縫，最早期出現(xiàn)的裂縫向豎直方向開展，裂縫寬度不斷增加。

(2) 位移控制階段裂縫發(fā)展

在位移控制加載階段，梁端加載至單倍屈服位移Δ第二次循環(huán)時(shí)，L2試件連梁上側(cè)出現(xiàn)3號(hào)斜裂縫，緊接著在與之對(duì)稱的下側(cè)出現(xiàn)4號(hào)裂縫(圖7(b))，并且隨著裂縫開展，裂縫角度逐漸趨于60°。當(dāng)加載至2Δ第一次循環(huán)的過程中，L1及L2試件連梁梁窩上側(cè)距剪力墻近端100mm處產(chǎn)生5號(hào)裂縫。加載至3Δ第二次循環(huán)時(shí)，L1試件5號(hào)裂縫與2號(hào)裂縫連通，在之后的加載過程中，可以看出此裂縫為中間寬兩頭窄的棗核形裂縫，屬于典型的腹剪斜裂縫；L2試件1，2號(hào)裂縫基本匯合，形成一條貫通的裂縫。梁端加載至4Δ時(shí)，L2試件承載力處于明顯下降階段，連梁與剪力墻的交接處沿剪力墻厚度方向貫通裂開。加載至4Δ～5Δ第一次循環(huán)時(shí)，L1試件各個(gè)主要裂縫周圍均有細(xì)小裂縫繼續(xù)出現(xiàn)，將主要裂縫連接起來，主要裂縫寬度和長(zhǎng)度不斷發(fā)展。加載至5Δ時(shí)，L1試件寬連梁懸臂上側(cè)出現(xiàn)豎向裂縫，連梁上側(cè)沿寬度方向也出現(xiàn)開裂。在梁端位移達(dá)5Δ～6Δ過程中，L2試件現(xiàn)澆連梁基本不再出現(xiàn)新裂縫。在加載至6Δ第一次循環(huán)時(shí)，L1試件梁窩處連梁與剪力墻接合處混凝土已經(jīng)開始開裂、剝落，試件承載力降低至最大承載力85%以下，L1試件加載停止。當(dāng)梁端位移達(dá)到7Δ時(shí)，L2試件連梁承載力下降到48kN，低于最大承載力的85%，在進(jìn)行第二次循環(huán)過程中，連梁上部縱筋被拉斷，L2試件加載停止。

圖7 L2試件試驗(yàn)現(xiàn)象

通過試驗(yàn)現(xiàn)象(圖6，7)可以看出，現(xiàn)澆連梁結(jié)構(gòu)的裂縫比較分散，裂縫寬度和長(zhǎng)度都比較大。

(3) L1與L2試件試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從試件的滯回曲線可以看出，L1試件在力控制加載階段剛度就有一定程度的衰減(圖8(a))，L2試件在同樣階段具有稍好的耗能作用(圖8(b))。在位移控制的每級(jí)加載都會(huì)造成縱筋錨固滑移，在連梁縱筋屈服后承載力繼續(xù)上升。極限承載力出現(xiàn)在第四級(jí)加載過程中，此后的幾級(jí)加載試件承載力穩(wěn)步下降，加載至6Δ時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象和滯回形狀判斷試件已幾近破壞，試驗(yàn)停止。L2試件滯回曲線包圍的面積較大，位移較大。

圖8 滯回曲線

L2試件出現(xiàn)裂縫后，承載力降低較快，塑性鉸長(zhǎng)度很短且混凝土未壓碎，塑性鉸未能充分發(fā)揮耗能作用，破壞形式是比較典型的脆性剪切破壞；L1試件的最大承載力降低，開裂荷載相對(duì)L2試件較低，開裂位移二者持平，裂縫分布更密集，L1試件出現(xiàn)彎剪破壞，破壞過程現(xiàn)象更明顯；L1試件的塑性鉸出現(xiàn)的位置更偏向梁窩內(nèi)部，在梁窩處出現(xiàn)裂縫的時(shí)間更晚，梁窩與剪力墻接頭位置混凝土有壓碎和剝落的現(xiàn)象，塑性鉸發(fā)揮更加充分作用。試件各階段荷載與位移對(duì)比見表2。

2 內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁動(dòng)力響應(yīng)

內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁構(gòu)件在擬靜力荷載下，體現(xiàn)出了優(yōu)越的抗震性能，但裝配式建筑結(jié)構(gòu)由于與裝配構(gòu)件間連接問題，構(gòu)件抗震性能優(yōu)越并不能完全反映出整體結(jié)構(gòu)的抗震能力。對(duì)于其裝配到建筑結(jié)構(gòu)的整體性，通過動(dòng)力增量分析法進(jìn)行研究。加載峰值單調(diào)增加的B-WSM090波地震荷載，考慮結(jié)構(gòu)模型累計(jì)損傷的情況，對(duì)比計(jì)算得到的普通梁高層剪力墻結(jié)構(gòu)與帶壓型鋼板寬連梁高層剪力墻結(jié)構(gòu)地震波峰值加速度Apg與最大層間位移角EDP的曲線關(guān)系。

試驗(yàn)各階段荷載與位移 表2

2.1 結(jié)構(gòu)基本信息

2.2 地震波選取與加載

根據(jù)地震烈度、場(chǎng)地類別、設(shè)計(jì)地震分組等數(shù)據(jù)初步選擇數(shù)條地震波，再按照結(jié)構(gòu)基本周期點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜值與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜值相匹配的原則篩選出符合條件的地震波。從太平洋地震工程研究中心強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)庫選取一組地震記錄的基本信息。本次試驗(yàn)將輸入地震動(dòng)的峰值在常用的三水準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)分，共進(jìn)行了5級(jí)加載，輸入加速度峰值分別為0.1g，0.3g，0.4g，0.5g，0.7g，地震動(dòng)輸入遵循激勵(lì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)由小到大的順序，B-WSM090波地震荷載基本信息見表3。

試驗(yàn)所用地震記錄基本信息 表3

2.3 有限元模型基本信息

現(xiàn)澆連梁高層剪力墻結(jié)構(gòu)模型，依照蘇寧粉等[11]基于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的高層剪力墻結(jié)構(gòu)增量動(dòng)力分析研究中的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷缺壤罱ǎ溆?jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果接近。高層剪力墻結(jié)構(gòu)建模時(shí)，混凝土采用Solid164實(shí)體單元，材料采用*Mat_johnson_ holmquist_concrete材料模型模擬；鋼筋采用Beam168梁?jiǎn)卧?，材料采?Mat_plstic_kinematic材料模型模擬；壓型鋼板采用Plane162平面實(shí)體單元，材料采用*Mat_plstic_kinematic材料模型模擬；裝配連梁與混凝土剪力墻采用彈簧單元Sprin連接，材料采用*Mat_spring_elastic材料模型模擬。

2.4 基于增量動(dòng)力地震波的抗震性能評(píng)估

為了使分析結(jié)果更合理地應(yīng)用于地震工程中，需把曲線上的某些特征點(diǎn)與結(jié)構(gòu)性能的改變關(guān)聯(lián)起來[12]。其中Apg-θmax曲線斜率，開始發(fā)生較大變化的點(diǎn)定義為結(jié)構(gòu)可繼續(xù)使用(immediate occupancy，IO)性能點(diǎn)(Ke)，將曲線(斜率)小于0.2Ke的點(diǎn)定義為結(jié)構(gòu)防止倒塌(collapse prevention，CP)性能點(diǎn)，將曲線開始出現(xiàn)平緩直線時(shí)的點(diǎn)定義為結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)(global instability，GI)性能點(diǎn)。在各性能點(diǎn)前后，結(jié)構(gòu)性能發(fā)生改變，可以以此對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行評(píng)估。

由圖9可知，Apg=0.1g前兩條曲線斜率基本不變，之后曲線斜率發(fā)生明顯變化。以Apg=0.1g點(diǎn)處曲線(切線斜率)作為彈性剛度Ke，該點(diǎn)定義為IO點(diǎn)，其中Ke1為現(xiàn)澆連梁彈性剛度，Ke2為裝配式寬連梁彈性剛度，并且Ke2>Ke1。由圖可知在地震波作用下配置帶壓型鋼板裝配式寬連梁的高層剪力墻結(jié)構(gòu)彈性變化階段剛度要明顯高于配置現(xiàn)澆連梁的剪力墻結(jié)構(gòu)，其整體性更強(qiáng)。在曲線達(dá)到IO點(diǎn)前，配置兩種形式連梁的剪力墻結(jié)構(gòu)發(fā)生有限程度的破壞，這個(gè)過程中配置裝配式寬連梁的結(jié)構(gòu)各層位移普遍低于配置現(xiàn)澆連梁的結(jié)構(gòu)，見圖10。在Apg=0.7g處配置現(xiàn)澆連梁的高層剪力墻結(jié)構(gòu)Apg-θmax曲線(斜率)小于0.2Ke1，可以看出此時(shí)層間位移角發(fā)生急劇增加，結(jié)構(gòu)即將發(fā)生倒塌，而配置裝配式寬連梁的高層剪力墻結(jié)構(gòu)(斜率)還不小于0.2Ke2，延長(zhǎng)了倒塌時(shí)間。

圖9 基于增量動(dòng)力地震波的Apg-θmax曲線

圖10 基于增量動(dòng)力地震波的某時(shí)刻位移分布云圖/mm

通過動(dòng)力增量分析法發(fā)現(xiàn)，帶壓型鋼板裝配式寬連梁高層剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能得到明顯改善，延長(zhǎng)了建筑物倒塌時(shí)間，其整體性得到大幅度提升。

3 結(jié)論

(1)內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁試件在擬靜力荷載下，出現(xiàn)彎剪破壞，破壞過程形變更明顯，雖然最大承載能力降低，但延性明顯提升，抗震耗能能力更好，抗震整體性得到滿足。

(2)內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁構(gòu)件在擬靜力荷載下，梁窩處形成了塑性鉸，其充分地發(fā)揮了耗能能力，致使內(nèi)置壓型鋼板的寬連梁與墻肢連接處的破壞更晚，破壞更深入梁窩，塑性鉸分布更長(zhǎng)，有更加遠(yuǎn)離加載點(diǎn)的特性，連梁的跨度相對(duì)增加。

(3)與配置了現(xiàn)澆連梁的高層剪力墻結(jié)構(gòu)相比，配置壓型鋼板裝配式寬連梁的高層剪力墻結(jié)構(gòu)，一方面抗震等級(jí)得到提升，另一方面建筑物的整體性也得到大幅度改善。

(4)配置壓型鋼板裝配式寬連梁的高層剪力墻結(jié)構(gòu)最大程度耗散掉地震傳遞的能量，減少了構(gòu)件的損傷程度。