郭光玲, 徐 乾, 付江濤(陜西理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 陜西 漢中 723000)

0 引言

鋼筋拉、壓應(yīng)力傳遞的預(yù)制空心板能夠組成裝配式建筑結(jié)構(gòu)中的預(yù)制剪力墻,該墻是最為主要的建筑受力結(jié)構(gòu),也就是說當(dāng)發(fā)生地震時(shí),由鋼筋拉、壓應(yīng)力傳遞的預(yù)制空心板構(gòu)成的剪力墻將承受大部分地震荷載[1-3]。這種裝配式建筑具有較高生產(chǎn)效率與構(gòu)件質(zhì)量,在鋼筋拉壓力傳遞的預(yù)制空心板的基礎(chǔ)上澆筑混凝土,不用重復(fù)開展?jié)褡鳂I(yè),縮短混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間,提升整體建筑效率,而且鋼筋拉壓力傳遞的預(yù)制空心板已經(jīng)將拉壓力等預(yù)應(yīng)力考慮進(jìn)去,所以空心板中的鋼筋一般可以承受更多地震荷載,在建筑抗震性能中發(fā)揮重要作用。而且使用鋼筋拉、壓應(yīng)力傳遞的預(yù)制空心板構(gòu)建的剪力墻減少建筑工序,能夠降低建筑過程中帶來的環(huán)境污染物含量,實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展[4]。

本文所研究的鋼筋拉壓力傳遞的預(yù)制空心板具有高抗彎剛度、低自重等特點(diǎn),將這種空心板應(yīng)用于剪力墻構(gòu)建建筑結(jié)構(gòu)時(shí)能夠增加建筑的開間面積還能縮短建筑高度,降低地震荷載對(duì)于建筑的損害,在各種建筑形式中應(yīng)用廣泛[5-6]。正是這種廣泛應(yīng)用性,相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者針對(duì)空心板抗震性能進(jìn)行研究,錢稼茹[7]等研究連梁和空心板剪力墻的聯(lián)合抗震性能,并取得初步研究成果,但是研究內(nèi)容過于注重連梁的抗震性能,忽視空心板所發(fā)揮的作用;李奉閣[8]等研究的是一種鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的剪力墻抗震性能,該種結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一種需要澆筑的混凝土結(jié)構(gòu),環(huán)保性和成本節(jié)約效果較差,無法提升新型剪力墻的性能。為此,本文基于鋼筋拉、壓應(yīng)力傳遞,制備不同試件開展試驗(yàn),研究預(yù)制空心板材料抗震性能。

1 材料方法

1.1 試件制備

本文研究中共設(shè)計(jì)三種試件編號(hào)分別為試件A、試件B以及試件C,三種試件的組成結(jié)構(gòu)均包含頂、地梁與剪力墻,同時(shí)均為預(yù)制邊緣構(gòu)件,預(yù)制空心板組成剪力墻,厚度與肢長分別為1 500 mm與250 mm,管控邊緣作為試件的兩端組成形式,混凝土為后澆模式,強(qiáng)度均為C30。各試件的相關(guān)數(shù)值如下:

(1) 試件A剪力墻高度與空度的比值為1.3,破壞模式屬于壓剪破壞,未使用鋼筋結(jié)構(gòu)作為支撐,依據(jù)強(qiáng)彎弱剪設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì),使用接縫連接試件構(gòu)建。

(2) 試件B剪力墻高度與空度的比值為1.8,破壞模式屬于壓彎破壞,設(shè)計(jì)思想為強(qiáng)剪弱彎,使用鋼筋間接搭接方式構(gòu)建試件,鋼筋作為骨架縱向貫通分布在預(yù)制空心板邊緣豎向內(nèi)孔,對(duì)內(nèi)只發(fā)揮抗裂性能,該部位使用的縱筋以及水平分布的鋼筋直徑分別為8 mm與10 mm。未使用鋼筋拉壓力傳遞性能[9]。

(3) 試件C剪力墻高度與空度的比值為1.8,設(shè)計(jì)概念為強(qiáng)剪弱彎,破壞模式屬于壓彎破壞,根據(jù)鋼筋拉壓力傳遞性能,使用灌孔構(gòu)造邊緣構(gòu)件,鋼筋結(jié)構(gòu)在預(yù)制空心板內(nèi)部分布,剪力墻中的豎向鋼筋與通過地梁中的豎向鋼筋搭接在一起,內(nèi)部水平橫筋間距約為20 cm,縱筋直徑約為10 mm,水平橫筋直徑約為12 mm。盡管總體上試件B與試件C的構(gòu)建大同小異,但是由于使用鋼筋拉、壓力傳遞性能,在一定程度上優(yōu)化了試件C的鋼筋布置形式,試件C使用更少的鋼筋就能實(shí)現(xiàn)工作[10]。

試件制作過程為:制作裝預(yù)制空心板和地梁鋼筋籠。在注漿地梁前,對(duì)邊緣構(gòu)件進(jìn)行預(yù)埋,然后,注漿拼縫預(yù)制空心板內(nèi)墻體豎向鋼筋。當(dāng)?shù)亓夯炷翞樵O(shè)定強(qiáng)度后,進(jìn)行地梁頂面鑿毛處理。再對(duì)預(yù)制空心板、鋼筋、支撐模具進(jìn)行混凝土澆筑。試件制作過程如圖1所示。

圖1 試件制作過程Fig.1 Fabrication process of test piece

1.2 材料性能測試

各試件中的鋼筋在結(jié)構(gòu)中發(fā)揮支撐作用,不同直徑鋼筋強(qiáng)度性能與屈服應(yīng)變?nèi)绫?所列,為后續(xù)試驗(yàn)開展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[11]。鋼筋的屈服應(yīng)變表示為:

(1)

式中:ES表示彈性模量;fy表示抗拉屈服強(qiáng)度,該值設(shè)定為2.5×105MPa。

表1 鋼筋性能與屈服應(yīng)變

每次試驗(yàn)使用混凝土澆筑空心板組成試件中的剪力墻部分,為測量試件抗壓強(qiáng)度,混凝土澆筑完成后,切割一小部分試件塊,記錄抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如表2所列。加權(quán)平均預(yù)制空心板抗壓強(qiáng)度與后澆混凝土的抗壓強(qiáng)度后獲得試件平均抗壓強(qiáng)度[12-13]。

1.3 布置測試點(diǎn)與地震荷載加載方式

本文主要研究預(yù)制空心板殘余抗震性能,因此需要對(duì)各個(gè)試件施加地震荷載,本文試驗(yàn)所使用的加載儀器為MTS電液伺服作動(dòng)器。加載制度曲線如圖2所示。

試驗(yàn)開展初期,設(shè)定預(yù)定值為35 kN,針對(duì)每個(gè)布置測點(diǎn)位置:將兩個(gè)位移針分別布置在試件的頂部加載點(diǎn)和底梁上,由此監(jiān)測底梁位移情況以及試件的整體位移發(fā)生情況。將應(yīng)變片布置在試件的翼緣位置和縱筋位置,由此監(jiān)測試件的應(yīng)變變化[15]。測點(diǎn)布置位置如圖4所示。

圖2 加載制度曲線Fig.2 Loading system curve

試件,在頂部使用豎向動(dòng)作器設(shè)定值的豎向拉力,該操作完成后再次施加低周荷載。設(shè)置3.5 kN作為初級(jí)荷載,反復(fù)加載后使各個(gè)試件都出現(xiàn)裂縫,此時(shí)升高荷載至5.5 kN,直至各個(gè)時(shí)間達(dá)到屈服后停止加載,但是仍然對(duì)試件加載位移,級(jí)差是實(shí)測屈服位移,各級(jí)位移均循環(huán)3次加載,直至試件不能再承載方可停止試驗(yàn)[14]。加載過程如圖3所示。

圖3 加載過程Fig.3 Loading process

圖4 測點(diǎn)布置位置Fig.4 Location of measuring points

為獲得鋼筋應(yīng)變分布規(guī)律,在試件B的底部以及試件C的上端、底部截面布置監(jiān)測點(diǎn),試件B與試件C底部測試點(diǎn)布置前端編號(hào)分別為B1～B4與C1～C4,接縫處編號(hào)分別為B5～B6與C5～C6,末端編號(hào)分別為B7～B10與C7～C10;試件C頂部截面前端編號(hào)為C11～C14,接縫編號(hào)為C15～C16,末端編號(hào)為C17～C20。

3個(gè)試件的最終破壞照片如圖5所示。其中,試件A為壓剪破壞,試件B和試件C為壓彎破壞。

圖5 3個(gè)試件的最終破壞照片F(xiàn)ig.5 Final destruction photos of 3 specimens

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試件滯回性能試驗(yàn)結(jié)果

本文所構(gòu)建的試件受到地震加載影響后,試件水平力發(fā)生變化,各試件的骨架曲線與滯回變化關(guān)系如圖6所示。

受筋拉壓力傳遞影響導(dǎo)致試件鋼筋受到拉力所產(chǎn)生的屈服被稱作鋼筋屈服強(qiáng)度;根據(jù)圖6(a)的骨架曲線以及能量法確定名義屈服;搜索水平力極限值,該值對(duì)應(yīng)的點(diǎn)就是峰值點(diǎn);當(dāng)骨架曲線達(dá)到0.86倍水平力極限值時(shí)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)就是極限點(diǎn);根據(jù)混凝土相關(guān)規(guī)定計(jì)算墻體受壓承載力FF以及對(duì)應(yīng)地震荷載下的墻體受剪承載力的在墻頂發(fā)揮作用的水平力FS,FC是這兩個(gè)值中的較小值。各試件滯回變化相關(guān)系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如表3所列。

圖6 各試驗(yàn)試件骨架曲線與滯回曲線Fig.6 Skeleton curve and hysteretic loop curve of each test piece

綜合圖6與表3的試驗(yàn)結(jié)果可知,相比于試件A試件B和試件C的滯回曲線更飽滿,從圖6(b)中能夠看出,在該試件上加載地震荷載后,滯回曲線出現(xiàn)更加顯著收縮情況,峰值荷載出現(xiàn)以后,水平力與之呈現(xiàn)反比例關(guān)系。綜合圖6(a)圖6(c)和圖6(d)可以看出,試件B和試件C在到達(dá)名義屈服點(diǎn)之前各曲線變化規(guī)律基本一致,但是到達(dá)該點(diǎn)之后,試件C超過試件B承載力,也就是說試件C在地震條件下具有更加高效的受力性能。

表3 滯回性能試驗(yàn)結(jié)果

在表3中能夠看出各試件峰值荷載點(diǎn)水平力和FC之間的比值均超過1.25,根據(jù)相關(guān)規(guī)定對(duì)比本文計(jì)算結(jié)果可以看出,各試件承載力安全裕度較高。三個(gè)試件的層間位移角都超過1/120,這一情況符合相關(guān)規(guī)定中剪力墻抗震承載能力需求。試件A具有壓剪破壞,但是層間位移角的變化情況與壓彎破壞試件B和試件C的規(guī)律一致,出現(xiàn)這種情況主要是由于試件A中存在豎向錯(cuò)動(dòng),這種情況造成試件A受力效果較差,這一特點(diǎn)也直接影響剪力墻在地震情況下的變形能力。

2.2 試件剛度性能試驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算墻體試件剛度的方法是首次地震荷載正反兩個(gè)方向水平力極大值的絕對(duì)值與頂點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的水平位移絕對(duì)值相除之后的結(jié)果。試件初始等效剛度設(shè)置為1/2 050。剛度退化曲線如圖7所示。

從圖7中能夠看出,各試件的水平位移由負(fù)值升高至0 mm時(shí),等效剛度逐漸上升,當(dāng)水平位移繼續(xù)升高時(shí),各個(gè)試件的等效剛度呈現(xiàn)出下降趨勢,試件受到地震荷載影響,試件發(fā)生屈服。不同試件等效剛度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所列。

從表4中能夠看出,各試件的屈曲剛度與原始剛度相比下降幅度較大,屈曲剛度降至原始剛度50%以下,峰值剛度不足原始剛度的20%,由此說明,不同結(jié)構(gòu)試件在地震荷載影響下均發(fā)生不同程度剛度退化,其中,試件C的剛度退化程度最低,也就是說相比之下試件C剛度最好,抗震性能最佳。

圖7 剛度退化曲線Fig.7 Stiffness degradation curve

2.3 試件鋼筋應(yīng)變分布試驗(yàn)結(jié)果

由于試件A未使用鋼筋結(jié)構(gòu)僅使用接縫連接實(shí)現(xiàn)預(yù)制空心板剪力墻試件的構(gòu)建,所以本文節(jié)研究鋼筋應(yīng)力變化情況試驗(yàn)時(shí)不對(duì)試件A加以考慮。受力狀態(tài)差異下試件上端和底部鋼筋應(yīng)變分布如圖8所示。圖8中α和β分別用來表示受拉屈服條件下與空心板和豎向孔相對(duì)應(yīng)的定點(diǎn)水平位移。

從圖8中能夠看出,試件發(fā)生屈服之前,各試件中的鋼筋應(yīng)變分布變化情況與理論屈服保持一致,也就是說各個(gè)試件中的鋼筋應(yīng)變屈服與平截面假定理論相符。試件發(fā)生屈服之后各試件的應(yīng)變分布仍舊與理論屈服保持良好的一致性,也就證明試件中的鋼筋能夠發(fā)揮協(xié)同作用,共同支撐地震荷載下的剪力墻結(jié)構(gòu)。試件C鋼筋本身具備壓拉力傳遞,同時(shí)還是灌孔構(gòu)造邊緣構(gòu)件,能夠充分發(fā)揮支撐作用,所以應(yīng)力分布效果更好。施加地震荷載以后,鋼筋結(jié)構(gòu)受到拉力影響發(fā)生屈服,但是試件C本身存在拉、壓應(yīng)力傳遞,所以殘余變形分布較好。

表4 不同試件等效剛度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖8 鋼筋應(yīng)變分布Fig.8 Strain distribution of reinforcement

3 結(jié)論

研究基于鋼筋拉壓力傳遞的預(yù)制空心板殘余抗震性能,制備不同鋼筋結(jié)構(gòu)的形式的預(yù)制空心板組合試件,加載相同的地震荷載,觀察是否使用鋼筋拉壓力傳遞模式是否影響預(yù)制空心板的抗震性能,試驗(yàn)結(jié)果表明:

(1) 相比于壓剪破壞的預(yù)制空心板,壓彎破壞的預(yù)制空心板的滯回曲線更加飽滿,承載力安全裕度和抗震承載力均較高,名義屈服點(diǎn)之前變化相似。在加載地震荷載后,使用鋼筋拉壓力傳遞灌孔構(gòu)造邊緣構(gòu)建試件具有更加高效的受力性能。

(2) 在循環(huán)往復(fù)荷載作用下,各試件屈曲剛度與峰值剛度分別只有原始剛度的50%和20%,不同結(jié)構(gòu)試件均發(fā)生不同程度剛度退化,但使用鋼筋拉壓力傳遞灌孔構(gòu)造邊緣構(gòu)建試件的剛度退化程度最小。相比之下,使用鋼筋拉壓力傳遞灌孔構(gòu)造邊緣構(gòu)建試件的剛度最好,能夠有效提高預(yù)制空心板殘余抗震性能。

(3) 在試件發(fā)生屈服后,使用鋼筋拉壓力傳遞灌孔構(gòu)造邊緣構(gòu)建試件的應(yīng)力分布效果較好,能夠有效發(fā)揮協(xié)同和支撐作用,共同支撐地震荷載下的剪力墻結(jié)構(gòu)。在施加地震荷載后,鋼筋結(jié)構(gòu)受到拉力影響發(fā)生屈服,但是使用鋼筋拉壓力傳遞灌孔構(gòu)造邊緣構(gòu)建試件本身存在壓拉力傳遞,其殘余變形分布較好。