湯 磊 周恩泉

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096)

0 引 言

裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)是我國裝配式建筑采用的重要結(jié)構(gòu)形式，預(yù)制剪力墻的連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能決定了結(jié)構(gòu)抗側(cè)力性能，是結(jié)構(gòu)抗震關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。大量學(xué)者針對綜合無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力連接和普通鋼筋連接的混合連接剪力墻的抗震性能及耗能能力進(jìn)行了研究[1-6]；Li等提出了鋼筋骨架支撐剪力墻，并取消了分布區(qū)鋼筋的連接[7]；Chu等提出了預(yù)制模殼剪力墻，鋼筋在模殼空腔內(nèi)搭接連續(xù)[8]；Menegon等研究了采用角部鋼板焊接連接的電梯井筒結(jié)構(gòu)的抗震性能[9]；Zhou等提出了內(nèi)埋雙層鋼管混凝土連接技術(shù)[10]；Shen等將后焊鋼板剪切連接鍵用于預(yù)制剪力墻豎向拼縫以減小拼縫兩側(cè)墻體相對變形[11-12]；文獻(xiàn)[13]將組合結(jié)構(gòu)概念引入剪力墻配筋方案中[13]。

我國當(dāng)前推行“等同現(xiàn)澆”理念，鋼筋套筒灌漿連接[14]、鋼筋漿錨搭接連接[15]及后澆混凝土連接[16]受到普遍關(guān)注。其中，對于鋼筋漿錨搭接連接技術(shù)，鋼筋搭接傳力可靠性長期受到質(zhì)疑，因此，在剪力墻邊緣構(gòu)件引入課題組前期提出的扣接封閉箍筋技術(shù)，以增強(qiáng)對波紋管漿錨搭接接頭及混凝土的約束性能，形成扣接封閉箍筋約束波紋管漿錨連接技術(shù)，構(gòu)造示意見圖1。

圖1 扣接封閉箍筋約束波紋管漿錨示意Fig.1 The schematic diagram of grouted bellows constrained by overlapped closed stirrups

為探討扣接封閉箍筋約束波紋管漿錨連接剪力墻抗震性能，對1個(gè)裝配式剪力墻試件和1個(gè)對比用現(xiàn)澆剪力墻試件進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)。基于試驗(yàn)結(jié)果，采用MATLAB軟件對約束波紋管漿錨連接剪力墻試件開展參數(shù)分析，以掌握各關(guān)鍵參數(shù)對其力學(xué)性能的影響規(guī)律，為設(shè)計(jì)提供建議。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試件設(shè)計(jì)與加工

共制作2個(gè)同尺寸試件：1個(gè)為裝配式試件，采用扣接封閉箍筋約束波紋管漿錨連接技術(shù)；1個(gè)為現(xiàn)澆對比試件，編號(hào)分別為PW、MW。試件由底座、剪力墻和加載梁三部分組成，剪力墻截面尺寸見圖2a，試件MW、PW截面配筋分別見圖2b、圖2c。

a—試件尺寸；b—MW截面詳圖；c—PW截面詳圖。1—8φ16縱筋；2—φ40金屬波紋管；3—φ10@200水平鋼筋；4—φ5@600拉筋，交錯(cuò)布置；5—φ8@600拉筋，交錯(cuò)布置；6—φ8@100箍筋；7—6φ10縱筋。圖2 試件設(shè)計(jì) mmFig.2 Design drawings of specimens

試件采用C35混凝土制作，所有鋼筋強(qiáng)度等級(jí)均為HRB400，采用φ40金屬波紋管，灌漿料型號(hào)為BY(S)-40。豎向鋼筋漿錨長度均設(shè)置為600 mm，并采用閃光對焊形成焊接封閉箍筋。

1.2 材料性能

試件制作用混凝土實(shí)測立方體抗壓強(qiáng)度為35.4 MPa，換算得混凝土軸心抗壓強(qiáng)度為23.7 MPa，灌漿料實(shí)測抗壓強(qiáng)度為74.8 MPa，所用鋼筋材料性能見表1。

表1 鋼筋材性數(shù)據(jù)Table 1 Material properties of rebars

1.3 試件加載與測試

試件加載裝置示意見圖3。試件通過8根地腳螺桿固定在實(shí)驗(yàn)室地面上；試件豎向荷載通過2束、8根體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線施加；試件水平荷載通過1 000 kN電液伺服作動(dòng)器(MTS)施加。

圖3 試驗(yàn)加載裝置Fig.3 Test setup

試驗(yàn)采用恒定軸壓下的低周反復(fù)水平荷載加載方法，先施加軸壓并保持恒定，試驗(yàn)軸壓比為0.10，需施加軸力為805 kN。后施加水平反復(fù)荷載，并采用力和位移雙控制度，即屈服前按力控制加載，每級(jí)循環(huán)1次，屈服后按屈服位移控制加載，每級(jí)循環(huán)3次，直至試件承載力下降到極限承載力的85%以下或不適宜繼續(xù)加載則試驗(yàn)終止。加載過程中，規(guī)定作動(dòng)器外推為正，內(nèi)拉為負(fù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)對比

2個(gè)試件破壞過程相同，最終均由受拉鋼筋拉斷、受壓混凝土壓潰而導(dǎo)致承載力降低而破壞，其破壞形態(tài)見圖4。從圖中可以看出，兩者均呈現(xiàn)彎剪破壞狀態(tài)，裂縫分布形態(tài)基本相似。由于扣接封閉箍筋的有力約束，試件PW角部受壓混凝土壓潰高度明顯小于試件MW。

2.2 滯回曲線與骨架曲線

試件滯回曲線與骨架曲線見圖5。可以看出，兩者滯回曲線形狀均較為飽滿，表現(xiàn)出良好的滯回性能；兩者骨架曲線走勢基本一致，初始彈性階段兩者曲線基本重合，在彈塑性階段具有穩(wěn)定的承載力，且由于試件PW坐漿層灌漿料具有較混凝土更高的強(qiáng)度，彈塑性階段其表現(xiàn)出較試件MW更高的承載力。

a—MW；b—PW。圖4 試件破壞形態(tài)Fig.4 Failure modes of specimens

a—試件MW滯回曲線；b—試件PW滯回曲線；c—骨架曲線。圖5 試件滯回曲線及骨架曲線Fig.5 Hysteretic curves and skeleton curves of specimens

2.3 承載能力與變形能力

各試件在開裂、屈服、峰值和極限階段的承載力及變形數(shù)據(jù)見表2。從數(shù)據(jù)對比可以看出，試件PW具有與試件MW相當(dāng)?shù)某休d力與變形能力，由于灌漿料較混凝土具有更高強(qiáng)度且鋼筋漿錨連接段鋼筋面積較大，使得試件PW峰值荷載更高，而灌漿料的脆性特性造成其極限階段荷載下降較多。

表2 試件承載力與變形數(shù)據(jù)Table 2 Bearing capacity and deformation of specimens

同時(shí)，由表2可以看出，2個(gè)試件承載力試驗(yàn)值均高于設(shè)計(jì)值，而試件PW具有更高的安全儲(chǔ)備。

2.4 剛度退化

采用割線剛度表征試件剛度，其計(jì)算參見文獻(xiàn)[17]，試件在加載過程中的剛度退化情況見圖6?？梢钥闯觯瑑烧邉偠韧嘶l(fā)展規(guī)律基本相同，同時(shí)由于扣接封閉箍筋約束有效延緩了混凝土的失效，試件PW表現(xiàn)出更好的剛度特性。

圖6 剛度退化曲線Fig.6 Stiffness degradation curves

2.5 位移延性性能

基于骨架曲線，采用Park法[18]確定試件屈服位移，再計(jì)算位移延性系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表3。在變形能力相當(dāng)?shù)那疤嵯拢嚰W位移延性系數(shù)較試件MW有一定程度降低，分析認(rèn)為主要是由于水平拼縫引起的變形集中及灌漿料的脆性特性引起。

表3 試件位移延性系數(shù)Table 3 Displacement ductility coefficients of specimens

2.6 耗能能力

采用等效黏滯阻尼比衡量試件耗能能力，其計(jì)算參見文獻(xiàn)[17]，試件在加載過程中的等效黏滯阻尼比變化情況見圖7。可以看出，試件PW表現(xiàn)出與試件MW接近的耗能能力。

圖7 試件等效黏滯阻尼系數(shù)Fig.7 Equivalent viscous coefficients of specimens

3 MATLAB參數(shù)分析

基于MATLAB平臺(tái)，編制扣接封閉箍筋約束波紋管漿錨連接剪力墻在水平單調(diào)荷載作用下的荷載-位移關(guān)系的計(jì)算程序，在與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展考慮軸壓比、剪跨比、邊緣構(gòu)件長度、豎向鋼筋配筋率、邊緣構(gòu)件配箍特征值及混凝土強(qiáng)度等參數(shù)分析，以進(jìn)一步掌握其力學(xué)性能。

3.1 分析程序概況

3.1.1基本假設(shè)

1)鑒于等同現(xiàn)澆設(shè)計(jì)理念，裝配式剪力墻截面分析時(shí)，仍然遵循平截面假定。

2)在單調(diào)水平荷載作用下，剪力墻僅發(fā)生平面內(nèi)側(cè)向變形，且裝配式剪力墻水平拼縫處不會(huì)發(fā)生剪切滑移。

3)為簡化分析程序，截面上灌漿料部分用混凝土母材代替，認(rèn)為是偏于安全的。

3.1.2材料本構(gòu)模型

1)混凝土。

進(jìn)行截面分析時(shí)，將截面上混凝土按照約束情況為三種：保護(hù)層混凝土、邊緣構(gòu)件約束混凝土、中部分布區(qū)混凝土。

為更好地區(qū)分不同約束條件下混凝土受壓性能的變化，并進(jìn)一步逼近試驗(yàn)效果，經(jīng)過分析及試算，最終采用Hognestad模型[19]模擬保護(hù)層混凝土和中部分布區(qū)混凝土受壓性能，采用Mander模型[20]模擬邊緣構(gòu)件約束構(gòu)件混凝土受壓性能。

同時(shí)，為體現(xiàn)裝配式剪力墻與現(xiàn)澆剪力墻的區(qū)別，對于水平拼縫截面分析時(shí)，裝配式剪力墻中混凝土不考慮其抗拉性能，而現(xiàn)澆剪力墻則考慮其抗拉性能，混凝土受拉性能采用我國GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C建議的本構(gòu)模型。

2)鋼筋。

偏于安全且簡便計(jì)算，采用二折線模型模擬鋼筋本構(gòu)，且不考慮鋼筋材料硬化。

3.1.3分析程序

本次MATLAB分析分為截面彎矩-曲率分析及試件荷載-位移曲線計(jì)算兩個(gè)流程。

1)截面彎矩-曲率分析。

對于截面彎矩-曲率關(guān)系計(jì)算，采用條帶法分析。具體過程見圖8。

圖8 截面彎矩-曲率計(jì)算流程Fig.8 Calculation process for relations between sectional moment and curvature

2)試件荷載-位移曲線計(jì)算。

對于試件荷載-位移曲線計(jì)算，根據(jù)各等級(jí)荷載下試件內(nèi)力分布，基于截面彎矩-曲率關(guān)系，采用逐段積分求和法計(jì)算試件位移。具體計(jì)算過程見圖9。

圖9 試件荷載-位移計(jì)算流程Fig.9 Calculation process for relations between load and displacement

3.2 程序驗(yàn)證

將MATLAB程序計(jì)算單調(diào)荷載-位移曲線與試驗(yàn)實(shí)測正向骨架曲線對比，見圖10。

a—MW；b—PW?！獙?shí)測；——MATLAB。圖10 分析與實(shí)測曲線對比Fig.10 Comparisons of analysis results and test data

從圖中可以看出，MATLAB分析結(jié)果能較好地反映試驗(yàn)曲線，初始彈性階段能很好地吻合；彈塑性階段由于未考慮鋼筋材料硬化特性及鋼筋混凝土界面滑移等因素，試件MW的MATLAB曲線稍高于實(shí)測曲線，而由于未考慮灌漿料高強(qiáng)度、脆性的特性，試件PW的MATLAB曲線則低于實(shí)測曲線。

另外，計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，考慮混凝土受拉性能對試件整體性能曲線影響不大，從側(cè)面說明對于裝配式剪力墻，只要通過合理構(gòu)造保證鋼筋連續(xù)受力、確?；炷潦軌盒阅埽蓪?shí)現(xiàn)等同現(xiàn)澆。

3.3 參數(shù)分析

參數(shù)分析中的基準(zhǔn)試件參數(shù)直接采用本次試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)，僅其軸壓比由0.10變?yōu)?.20。

3.3.1軸壓比參數(shù)分析

在其他條件保持不變的條件下，計(jì)算軸壓比參數(shù)取值為0、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40及0.50情況下試件的力學(xué)性能參數(shù)，見圖11?？梢钥闯?，當(dāng)軸壓比不大于0.40時(shí)，試件承載力隨軸壓比增大而提高，但提高幅度逐漸降低；當(dāng)軸壓比大于0.40時(shí)，試件承載力反而降低；隨軸壓比增大，試件變形能力逐漸降低。分析認(rèn)為，在軸壓比較低的情況下，軸壓比增大、豎向壓力增大，進(jìn)一步抵消由水平荷載產(chǎn)生的傾覆彎矩，但軸壓比過大，使得受壓混凝土初始?jí)簯?yīng)變過高，隨著水平荷載逐漸增大，受壓混凝土?xí)崆暗竭_(dá)極限狀態(tài)，從而影響試件整體承載力及變形能力的發(fā)揮。綜合承載力與變形能力要求，建議設(shè)計(jì)軸壓比不超過0.4。

a—荷載-位移曲線；b—軸壓比-峰值荷載曲線；c—軸壓比-極限位移曲線。圖11 軸壓比參數(shù)分析結(jié)果Fig.11 Results of parameter analysis of axial compression ratios

3.3.2剪跨比參數(shù)分析

在其他條件保持不變的條件下，通過改變剪力墻高度來模擬剪跨比的變化。

剪跨比為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0及3.5情況下的試件計(jì)算結(jié)果見圖12?？梢钥闯觯S著剪跨比增大，試件承載力降低、變形能力提高，且其對試件變形能力影響更為顯著，剪跨比從1.0增大至3.5，試件承載力降低約71%、極限變形提高約12倍。同時(shí)，從圖12a、b中可以看出，剪跨比至2.5以后，承載力降速明顯減緩。另外，考慮到剪跨比越大，試件越趨向于彎曲破壞，利于抗震，因此，建議設(shè)計(jì)時(shí)剪跨比不宜低于2.5。

a—荷載-位移曲線；b—剪跨比-峰值荷載曲線；c—剪跨比-極限位移曲線。圖12 剪跨比參數(shù)分析結(jié)果Fig.12 Results of parameter analysis of shear-span ratios

3.3.3邊緣構(gòu)件長度參數(shù)分析

在其他條件保持不變的條件下，改變剪力墻邊緣構(gòu)件長度，同時(shí)通過修改邊緣構(gòu)件豎向鋼筋面積來保證豎向鋼筋配筋率不變。

邊緣構(gòu)件長度為200 mm(≈0.12hw，hw為剪力墻截面高度1 700 mm)、300 mm(≈0.18hw)、400 mm(≈0.24hw)、500 mm(≈0.29hw)、600 mm(≈0.35hw)和700 mm(≈0.41hw)情況試件計(jì)算結(jié)果見圖13?？梢钥闯觯S著邊緣構(gòu)件長度增大，試件承載力逐漸提高，而變形能力先升后降，并在400 mm(≈0.24hw)處達(dá)到峰值。鑒于此處400 mm邊緣構(gòu)件長度為試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)時(shí)參照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016版)確定的數(shù)值，因此，綜合承載力及變形能力要求，建議設(shè)計(jì)中按照GB 50011—2010要求確定合理的邊緣構(gòu)件長度。

a—荷載-位移曲線；b—邊緣構(gòu)件長度-峰值荷載曲線；c—邊緣構(gòu)件長度-極限位移曲線。圖13 邊緣構(gòu)件長度參數(shù)分析結(jié)果Fig.13 Results of parameter analysis of boundary element lengths

3.3.4豎向鋼筋配筋率參數(shù)分析

在其他條件保持不變的條件下，通過改變邊緣構(gòu)件鋼筋直徑、不改變鋼筋位置，來模擬邊緣構(gòu)件豎向鋼筋配筋率變化。

3.3.5邊緣構(gòu)件配箍特征值參數(shù)分析

在其他條件保持不變的條件下，通過改變箍筋間距、保持箍筋直徑及肢數(shù)不變來模擬邊緣構(gòu)件配箍特征值變化。

a—荷載-位移曲線；b—豎向鋼筋配筋率-峰值荷載曲線；c—豎向鋼筋配筋率-極限位移曲線。圖14 豎向鋼筋配筋率參數(shù)分析結(jié)果Fig.14 Results of parameter analysis of vertical reinforcement ratios of boundary elements

邊緣構(gòu)件配箍特征值為0.14(@250 mm)、0.18(@200 mm)、0.24(@150 mm)、0.36(@100 mm)、0.52(@70 mm)和0.72(@50 mm)情況下的試件計(jì)算結(jié)果見圖15?？梢钥闯觯吘墭?gòu)件配箍特征值對試件彈性階段受力性能基本無影響，而對彈塑性階段受力性能有一定影響，且隨著配箍特征值增大，試件承載力一定程度提高、變形能力則顯著提高，說明邊緣構(gòu)件配箍特征值的增大明顯有利于試件延性及變形能力的提高。

a—荷載-位移曲線；b—邊緣構(gòu)件配箍特征值-峰值荷載曲線；c—邊緣構(gòu)件配箍特征值-極限位移曲線。圖15 邊緣構(gòu)件配箍特征值參數(shù)分析結(jié)果Fig.15 Results of parameter analysis of stirrup characteristic values of boundary elements

3.3.6混凝土強(qiáng)度參數(shù)分析

在其他條件保持不變的條件下，計(jì)算混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30、C35、C40、C50和C60情況下的試件力學(xué)性能參數(shù)，見圖16。可以看出，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，試件承載力及變形能力均得到提高，但提高幅度不大，從C30提高至C60，試件承載力提高約14%、極限位移提高約17%，說明混凝土強(qiáng)度等級(jí)在滿足設(shè)計(jì)最低要求的條件下，對試件力學(xué)性能影響不甚明顯。

a—荷載-位移曲線；b—混凝土強(qiáng)度-峰值荷載曲線；c—混凝土強(qiáng)度-極限位移曲線。圖16 混凝土強(qiáng)度參數(shù)分析結(jié)果Fig.16 Results of parameter analysis of concrete strengths

4 結(jié)束語

為驗(yàn)證采用扣接封閉箍筋代替?zhèn)鹘y(tǒng)箍筋約束波紋管漿錨連接剪力墻的抗震能力，對1個(gè)現(xiàn)澆對比試件(MW)與1個(gè)扣接封閉箍筋約束漿錨連接剪力墻試件(PW)開展了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)。并基于試驗(yàn)結(jié)果，采用MATLAB編制分析程序進(jìn)行了參數(shù)分析。

根據(jù)試驗(yàn)及參數(shù)分析結(jié)果，得出以下主要結(jié)論：

1)通過綜合對比2個(gè)試件的破壞形態(tài)、承載力、變形能力、剛度退化、位移延性及耗能能力等試驗(yàn)關(guān)鍵指標(biāo)，試件PW具有良好的抗震能力，實(shí)現(xiàn)了等同現(xiàn)澆的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2)參數(shù)分析結(jié)果表明：試件承載力隨著軸壓比增大先升后降、隨邊緣構(gòu)件長度增大而提高、隨豎向鋼筋配筋率增大而提高、隨邊緣構(gòu)件配箍特征值增大而無明顯變化、隨混凝土強(qiáng)度提高有一定程度增大；試件變形能力隨著軸壓比增大而降低、隨邊緣構(gòu)件長度增大先升后降、隨豎向鋼筋配筋率增大而無明顯變化、隨邊緣構(gòu)件配箍特征值增大而明顯提高、隨混凝土強(qiáng)度提高有一定程度增大。

3)結(jié)合試驗(yàn)與參數(shù)分析結(jié)果，綜合承載力及變形能力要求，對波紋管漿錨連接剪力墻構(gòu)件的設(shè)計(jì)提出以下建議：軸壓比宜控制在0.4以下；剪跨比不宜小于2.5；邊緣構(gòu)件長度可按照現(xiàn)行現(xiàn)澆混凝土相關(guān)規(guī)范要求設(shè)置；設(shè)計(jì)允許且施工可行時(shí)，宜盡量提高邊緣構(gòu)件配箍特征值；混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求即可。