補國斌, 齊超文, 周 靖, 文 俊, 王 穎, 汪 恒

(1. 湖南工業(yè)大學(xué), 湖南 株洲 412007; 2. 華南理工大學(xué), 廣東 廣州 510640)

0 引言

傳統(tǒng)裝配式混凝土(Precast Concrete,PC)剪力墻的受力和抗震性能取決于其豎向鋼筋的連接形式、構(gòu)造以及具體的施工方法與質(zhì)量,因其施工難度高、形式復(fù)雜、施工質(zhì)量控制不易、建造的高度受到限制,已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)代大中型城市快速發(fā)展的要求。在城市建設(shè)進程中,高層建筑結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展是社會進步和經(jīng)濟飛速發(fā)展的趨勢,解決建筑的預(yù)制裝配化已經(jīng)成為目前高層建筑發(fā)展的必然要求。據(jù)統(tǒng)計,新加坡、日本等發(fā)達國家裝配式結(jié)構(gòu)的發(fā)展無論是在建造水平還是建造規(guī)模上已經(jīng)達到了很高的水平,其中日本混凝土建筑的裝配式層高已達58層,美國、德國等國家有接近三成的高層建筑是裝配式。鋼管混凝土組合剪力墻在不斷創(chuàng)新中發(fā)展進步,逐漸成為一種新型剪力墻形式,因其具有較高承載力和抗震性能受到眾多學(xué)者的關(guān)注,但目前主要是以現(xiàn)場澆注的方式出現(xiàn)在高層建筑結(jié)構(gòu)中,尚未被完全裝配化和大規(guī)模應(yīng)用。世界各地的學(xué)者雖然對各種傳統(tǒng)形式的混凝土剪力墻的力學(xué)和變形特性及其抗震性能做了大量研究工作[1-4],但針對鋼管混凝土組合形成的剪力墻的抗震響應(yīng)和設(shè)計方法研究工作相對較少[5]。Dan等[6]、錢稼茹等[7]、紀(jì)曉東等[8]通過試驗研究了約束邊緣構(gòu)件和墻肢內(nèi)置高強混凝土芯組合而成的剪力墻的抗震能力。方小丹等[9]研究了鋼管內(nèi)置高強混凝土剪力墻試件的推覆試驗,發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土剪力墻的強度和延性對于高軸拉力工況的反應(yīng)并不敏感。任重翠等[10]針對剪力墻的拉-彎-剪滯回性能進行試驗,發(fā)現(xiàn)試件的破壞模式對于軸拉力的改變比較敏感。

綜上所述,研發(fā)能有效提升PC結(jié)構(gòu)抗震性能、具有施工便捷性和良好經(jīng)濟性的新型裝配式組合剪力墻是當(dāng)前PC結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的前沿問題之一。本研究在傳統(tǒng)現(xiàn)澆鋼管混凝土組合剪力墻的基礎(chǔ)上,提出一種新型的裝配式雙鋼套管內(nèi)置高強混凝土(Fabricated Double Steel Tube-encased and High Strength Concrete-filled,FDSHC)組合剪力墻構(gòu)件,并通過壓-彎-剪和拉-彎-剪滯回性能試驗系統(tǒng)地驗證其抗震性能,發(fā)現(xiàn)其與傳統(tǒng)的PC剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件相比,具有“易裝配、高承載、低成本”的優(yōu)勢,有望為建筑工業(yè)化和裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展進步提供新技術(shù)。

1 新型裝配式組合剪力墻

1.1 FDSHC組合剪力墻及其裝配方法

FDSHC組合剪力墻包括帶內(nèi)外雙鋼管的預(yù)制混凝土墻體、管內(nèi)高強混凝土、疊合樓板等幾個主要部分(圖1)。其中,預(yù)制混凝土墻體內(nèi)預(yù)設(shè)外鋼管和內(nèi)鋼管,外鋼管部分伸出混凝土墻的底部和頂部,內(nèi)鋼管為多層貫通式。其裝配過程為:(1)將首層預(yù)制混凝土墻下部外鋼管的伸出部分埋入鋼筋混凝土基礎(chǔ)內(nèi),讓混凝土墻體固定于基礎(chǔ);(2)將上層預(yù)制混凝土墻下部伸出的外鋼管套入貫通的內(nèi)鋼管,引導(dǎo)安裝上層墻體,上下層外鋼管接合處可焊接,也可不焊接;(3)將環(huán)向螺栓貫穿于兩層墻體之間的內(nèi)外鋼管,防止鋼管的軸向和環(huán)向相對運動;(4)將預(yù)制樓板與預(yù)制墻體進行連接,在樓板與上層墻體的間隙間澆筑混凝土,完成坐漿層施工;(5)每完成2～3層,向內(nèi)鋼管澆筑高強混凝土;(6)依此進行循環(huán),完成多層預(yù)制混凝土墻體的安裝。

圖1 FDSHC組合剪力墻的構(gòu)造Fig.1 Structure of FDSHC composite shear wall

1.2 FDSHC組合剪力墻的特點與優(yōu)勢

易裝配:“部分現(xiàn)澆”內(nèi)嵌的鋼管及其內(nèi)置的高強混凝土(砼)芯連接上下兩層預(yù)制普通混凝土墻體,是連續(xù)無削弱的主體,也可以作為預(yù)制普通混凝土墻體的定位和安裝引導(dǎo);鋼管可以代替部分豎向連接鋼筋,極大地簡化施工建造流程,并且可以保障預(yù)制混凝土剪力墻的施工質(zhì)量。

高承載:內(nèi)嵌鋼管混凝土(砼)芯不僅能夠極大地增強剪力墻水平接縫連接的抗剪和抗拉能力,還能夠有效提升混凝土墻體的整體裝配性能和面外的抗壓穩(wěn)定性,確保裝配式混凝土剪力墻具有良好的延性和變形能力。這使得混凝土預(yù)制墻體的強度和剛度不出現(xiàn)突變,同時能夠有效利用內(nèi)置鋼管高強混凝土芯柱剪力墻強度大的優(yōu)點,提高裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的建造高度。

低成本:易裝配的特性與連接方式使得該新型組合剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的施工效率得到極大提高,施工和建造成本得到快速降低;高承載則意味著建造過程可以不拘泥于現(xiàn)在使用的砼剪力墻設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程,即實現(xiàn)了對高厚比、軸壓比等抗震性能指標(biāo)的適當(dāng)放松,并且可以有效減輕自身重力,降低構(gòu)件在地震作用下的抗震需求。同時,一定程度上還可以減小房屋內(nèi)墻體的面積占用比例,有效提高實際得房率。

2 壓-彎-剪試驗驗證

按試驗標(biāo)準(zhǔn)[11]設(shè)計6個兩層FDSHC組合剪力墻試件,編號依次為CW1～CW6。各試件的構(gòu)造、尺寸、施工方法均相同,墻體為矩形截面,截面寬度720 mm,厚度120 mm,層高1 000 mm。一、二層墻體的廣義剪跨比分別為2.86和1.65,配筋和構(gòu)造的基本情況如圖2所示。試件CW1～CW6考慮5個參數(shù)的變化:軸壓比nc、鋼管混凝土截面含量比ξ、截面含鋼率ρs(%)、平面外偏心距e、外鋼管是否焊接。試驗加載制度如圖3所示。測試軸壓比保持不變,一、二層加載點按1∶2的比例施加水平荷載,當(dāng)試件達到屈服后(以首層墻體底部外側(cè)受拉鋼筋或鋼管屈服為判據(jù)),位移加載則以屈服位移的倍數(shù)按逐級遞增的方式進行,每個位移循環(huán)3次,直到雙層鋼管剪力墻遭到破壞。

試驗結(jié)果表明,破壞主要集中在首層,二層墻體無明顯的裂縫和破壞情況,因此僅給出首層墻體的破壞形態(tài)(圖4)。由圖4可知,墻體的失效模式表現(xiàn)為彎剪型復(fù)合破壞形式,當(dāng)水平裂縫充分發(fā)展后墻體出現(xiàn)由于剪切產(chǎn)生的斜裂縫,裂縫發(fā)展充分且分布廣。由于鋼管混凝土芯柱的連接約束作用明顯,且實驗中所有試件均在平面內(nèi)工作,未觀察到預(yù)制混凝土墻體與后澆的坐漿層在平面內(nèi)、外的相對錯動變形。

從側(cè)向力-第一層頂點位移滯回曲線看(圖5),軸壓比相對較大的試件CW2的峰值荷載也相對較大,當(dāng)承載力(強度)達到峰值荷載后以相對較快的速度下降;當(dāng)偏心率逐步增大時,滯回環(huán)的面積隨之不斷減小,滯回環(huán)捏攏效應(yīng)也不斷增強,耗能能力減弱。另外,鋼管混凝土的抗壓彎特性得到了很好的發(fā)揮,裝配墻體面外截面含量比和外鋼管是否焊接的影響不明顯;各試件未出現(xiàn)平面外失穩(wěn),表明鋼管混凝土芯柱在平面穩(wěn)定性和裝配整體性方面表現(xiàn)良好。

圖2 試件尺寸及鋼筋構(gòu)造(單位:mm)Fig.2 Dimensions and reinforcement details of specimens (Unit:mm)

圖3 加載制度Fig.3 Loading scheme

3 拉-彎-剪試驗驗證

由第2節(jié)壓-彎-剪試驗結(jié)果得知,墻體破壞主要集中在首層，因此拉-彎-剪試驗僅設(shè)置單層開展研究,在滿足試驗?zāi)康牡耐瑫r盡可能節(jié)約試驗成本。本次拉-彎-剪試驗一共設(shè)計了6個單層FDSHC組合剪力墻試件,編號為TW1～TW6,截面尺寸和配筋信息同圖2中的一層墻體,僅加載梁不同:預(yù)制混凝土剪力墻下層加載梁的高度為750 mm,寬度為500 mm。試件TW1～TW6考慮了軸拉比nt、鋼管混凝土截面含量比ξ、截面含鋼率ρs、平面外的偏心距e四個不同參數(shù)的變化。加載方式和過程與壓-彎-剪滯回性能試驗類似(圖3),僅將軸向壓力變?yōu)楹愣ǖ妮S向拉力。

圖4 壓-彎-剪試件破壞形態(tài)Fig.4 Failure mode of compression-bending-shear specimens

圖5 側(cè)向力-第一層頂點位移滯回關(guān)系曲線Fig.5 Hysteretic curves of lateral force versus top displacement of the first story

試驗結(jié)果表明,剪力墻試件的破壞形式表現(xiàn)為彎剪復(fù)合破壞(圖6)。試件TW1、TW2、TW5的破壞形態(tài)類似,表現(xiàn)為隨軸拉比增大,水平方向裂縫和斜裂縫出現(xiàn)較快,且混凝土被壓潰的破壞形態(tài)更早地出現(xiàn)在墻趾處。試件TW4的鋼管混凝土截面含量比TW1小,導(dǎo)致其破壞形式相比TW1無論是在水平裂縫和剪切斜裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展,還是在破壞時的混凝土壓潰狀況都相對更早、更嚴(yán)重。由試件TW3的破壞形態(tài)可知,當(dāng)試件存在較大的偏心距時水平裂縫會更早地出現(xiàn)在加載初期。在拉、剪及平面外受彎的復(fù)合作用下,試件TW3未出現(xiàn)平面外失穩(wěn),由此可見墻體內(nèi)置鋼管與高強混凝土組合而成的芯柱抵抗了來自平面外的彎矩,由此可見所提結(jié)構(gòu)施工和構(gòu)造的優(yōu)越性。

圖6 拉-彎-剪試件破壞形態(tài)Fig.6 Failure mode of tension-bending-shear specimens

從側(cè)向力-頂點位移滯回曲線看(圖7),對于試件TW1、TW2和TW5,峰值荷載隨軸拉比的增大而降低,但承載力在下降段明顯變緩,且試件達到破壞狀態(tài)時所對應(yīng)的位移也明顯增大。由此不難看出,試件的初始軸拉力與抗剪承載力在一定范圍內(nèi)呈負(fù)相關(guān),但給試件適當(dāng)?shù)妮S拉力后其變形能力會有所提升。試件TW4的峰值荷載相對TW1小,當(dāng)其達到破壞狀態(tài)時受拉鋼筋會被拉伸屈服,導(dǎo)致荷載-位移曲線陡降,最終達到破壞時的側(cè)向位移較TW1有所增大。這說明剪力墻構(gòu)件的抗剪承載力大小與鋼管內(nèi)混凝土含量比和截面含鋼率呈正相關(guān),但是構(gòu)件達到破壞時的變形能力卻與之呈負(fù)相關(guān)。試件TW3的峰值荷載相對TW1小,由此可見面外偏心會導(dǎo)致構(gòu)件抗剪承載力降低，達到峰值后承載力下降緩慢,可見內(nèi)置鋼管混凝土芯可以給構(gòu)件帶來很好的抵抗平面外拉彎的能力。以上結(jié)論說明雙套管剪力墻有良好的面外穩(wěn)定性和極佳的整體性,可較好地解釋試驗現(xiàn)象。試件TW6為高軸壓比(0.8)的壓-彎-剪滯回試驗試件,與拉-彎-剪滯回試驗相比,TW6的滯回環(huán)為梭形,更加飽滿。同時，TW6的初始抗側(cè)剛度大,峰值荷載最大,但荷載達到峰值后試件的承載力便開始迅速下降,因此TW6達到破壞狀態(tài)時的變形最小。這證明在軸壓比較大的條件下,FDSHC組合剪力墻在壓-彎-剪復(fù)合作用工況下的抗剪強度大,但峰值點之后強度劣化快,延性能力及變形特性有明顯的降低。

圖7 側(cè)向力-頂點位移滯回關(guān)系曲線Fig.7 Hysteretic curves of lateral force versus top displacement

4 結(jié)論

本文提出和分析了一種新型的裝配式雙鋼套管內(nèi)置高強混凝土(FDSHC)組合剪力墻,并通過壓-彎-剪和拉-彎-剪滯回試驗驗證了其優(yōu)越的抗震性能,得到如下結(jié)論:

(1) 試驗結(jié)果證明,FDSHC組合剪力墻的峰值荷載較大,試件在經(jīng)歷峰值承載力之后,由于有鋼套管和內(nèi)置高強混凝土的作用,下降段較長且走勢平緩,表明構(gòu)件具有較好的塑性變形能力和延性性能,并表現(xiàn)出了良好的裝配整體性和等同現(xiàn)澆的抗震性能。

(2) 與傳統(tǒng)PC剪力墻構(gòu)件相比,FDSHC組合剪力墻施工簡單,豎向連接可靠,施工工期短,大部分構(gòu)件可以在工廠內(nèi)進行標(biāo)準(zhǔn)化大規(guī)模批量生產(chǎn)。且該剪力墻本身力學(xué)性能好,平面外穩(wěn)定性高,抗震性能好,抗剪承載力高,整體性好,有望為裝配式高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展和建筑工業(yè)化進步提供新技術(shù)。

致謝:本文的前期試驗得到廈門合興包裝印刷股份有限公司的經(jīng)費資助,在此表示感謝！