趙承玉（山西宏廈建筑工程第三有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土建筑以嚴(yán)重消耗自然資源為代價(jià)，造成了大量的環(huán)境污染和能源浪費(fèi)，傳統(tǒng)建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)勢(shì)在必行。預(yù)制裝配式建筑的發(fā)展為能源高效利用、建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的工廠化制造和施工現(xiàn)場(chǎng)的綠色化安裝提供新的解決方案，成為目前土木工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1]。

預(yù)制裝配式建筑作為建筑工業(yè)化的主流趨勢(shì)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的裝配拼接形成整體，因此，結(jié)構(gòu)完整性和抗震性能受到連接節(jié)點(diǎn)分割的影響，特別是具有剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑，剪力墻的承載能力與連接構(gòu)造的形式、構(gòu)件的組合極大相關(guān)。因此，研究預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造的抗震性能具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[2-3]。

王倩倩等人[4]運(yùn)用ABAQUS有限元模擬軟件，對(duì)螺旋箍筋約束套筒漿錨搭接的裝配式剪力墻抗震性能展開了研究，獲得了模型的正向骨架曲線，指出螺旋箍筋約束可在一定程度上提高預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震承載力；洪學(xué)娣等人[5]應(yīng)用OpenSEES 有限元分析軟件對(duì)裝配式鋼-混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究，模擬計(jì)算時(shí)考慮的施工裂縫、鋼筋黏結(jié)滑移、剪切效應(yīng)等因素的影響，研究指出這些因素對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能影響可以忽略不計(jì)；陳云鋼等人[6]運(yùn)用室內(nèi)試驗(yàn)的方法，建立了水平拼縫的豎向鋼筋漿錨搭接足尺比例模型，對(duì)試件的滯回曲線、延性系數(shù)、初始剛度進(jìn)行研究，指出裝配式混凝土剪力墻試件的初始剛度和延性系數(shù)均比現(xiàn)澆試件有所降低。

本文以山西省某市裝配式高層建筑為研究對(duì)象，運(yùn)用室內(nèi)物理模擬的方法，建立了2種不同的預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造方案，研究預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的骨架曲線、承載能力、耗能能力等。研究成果可為剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)的預(yù)制裝配式建筑的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造方案

剪力墻結(jié)構(gòu)是承受地震荷載和風(fēng)荷載引起水平荷載的承重構(gòu)件。由于墻體的抗側(cè)移剛度較大，建筑物大部分的水平作用被分配至剪力墻中，因此，預(yù)制裝配式剪力墻水平向和豎向的可靠連接是確保建筑結(jié)構(gòu)體系受力和抗震性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)充分發(fā)揮剪力墻體約束箍筋的強(qiáng)度，避免混凝土變形破壞，改善剪力墻的延性和抗震能力[7-8]。為了保證預(yù)制裝配式建筑上下兩塊剪力墻結(jié)構(gòu)受力的連續(xù)性，目前有關(guān)預(yù)制裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的連接方式主要有灌漿套筒連接、現(xiàn)澆帶連接、金屬波紋管漿錨連接以及螺栓連接等。綜合比較現(xiàn)有的各種連接方式可知，金屬波紋管漿錨連接具有接頭性能可靠、受力安全、配筋率較低、可增強(qiáng)剪力墻邊緣構(gòu)件區(qū)域混凝土的圍箍約束力等優(yōu)點(diǎn)，并且該連接方式具有成熟的工藝和設(shè)備，在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)可以有效降低鋼筋綁扎工作量，提高施工質(zhì)量和施工效率[9]。因此，本研究的預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造方案基于金屬波紋管漿錨連接方式展開，在室內(nèi)試驗(yàn)中建立物理模型，比較預(yù)制裝配式剪力墻金屬波紋管漿錨 “一” 字形連接構(gòu)造（工況A）和 “工” 字形連接構(gòu)造（工況B）的抗震性能，如圖1所示。

圖1 2種不同預(yù)制裝配式剪力墻連接構(gòu)造/mm

2 預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)抗震物理模型實(shí)驗(yàn)

2.1 連接構(gòu)造物理模型的制作

為了研究2 種不同預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造的抗震性能，在室內(nèi)試驗(yàn)中按照?qǐng)D1和圖2中的尺寸和配筋要求分別制作 “一” 字形連接構(gòu)造、 “工” 字形連接構(gòu)造實(shí)體試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?“一” 字形連接構(gòu)造的平面呈 “一” 字形，長(zhǎng)度為1700mm，剪力墻高3420mm，墻體厚度為240mm，預(yù)制底梁的長(zhǎng)度為2300mm，高度650mm，底梁厚度700mm； “工” 字形連接構(gòu)造的平面呈 “工” 字形，在剪力墻腹板兩側(cè)還配置了厚度為200mm的翼墻，其余尺寸與 “一” 字形連接構(gòu)造一致。所有模型的鋼筋均采用HRB400鋼筋。試驗(yàn)前，對(duì)所有鋼筋的力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，得到8mm 直徑HPR400 鋼筋的屈服強(qiáng)度為520MPa，極限強(qiáng)度為620×105MPa，延伸率為22%，同樣10mm、12mm、16mm 鋼筋的屈服強(qiáng)度分別為430MPa、450MPa、452MPa，極 限 強(qiáng) 度 分 別 為580×105MPa、590×105MPa 和620×105MPa，延伸率分別為24%、25%和26%。剪力墻混凝土采用C35 混凝土，混凝土養(yǎng)護(hù)28d 齡期150mm 立方體抗壓強(qiáng)度平均值為34.8MPa，灌漿料的混凝土采用高強(qiáng)度低收縮BYS-40型灌漿料，灌漿料養(yǎng)護(hù)28d 齡期150mm 立方體抗壓強(qiáng)度平均值為75.3MPa。

圖2 2種不同預(yù)制裝配式剪力墻連接構(gòu)造模型及配筋/mm

2.2 剪力墻連接構(gòu)造物理模型的試驗(yàn)方法

制作完成的預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造在水平低周往復(fù)試驗(yàn)裝置中進(jìn)行，設(shè)計(jì)的加載試驗(yàn)裝置為MAST大型地震荷載三維模擬加載系統(tǒng)，系統(tǒng)由MTS作動(dòng)器、反力墻體、試件、地面螺栓、測(cè)試系統(tǒng)組成。MTS作動(dòng)器為美國(guó)生產(chǎn)的MTS電液伺服程控結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)，由MTS作動(dòng)器提供水平低周期反復(fù)荷載，MTS作動(dòng)器最大推力為1460kN，最大拉力為960kN，行程范圍為-250mm～250mm，試驗(yàn)時(shí)加載速率控制為0.5mm/s。

預(yù)制裝配式剪力墻位移采用位移計(jì)測(cè)量，內(nèi)力均由應(yīng)變片測(cè)量，鋼柱的內(nèi)力由應(yīng)變花測(cè)量。所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)均由TDS-602 數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集，所有試件加載方式均為位移控制加載，目標(biāo)位移為60mm，共12 個(gè)加載步，每個(gè)循環(huán)位移極值為前一個(gè)循環(huán)位移極值的1.2倍，加載制度如圖3所示。

圖3 水平低周期反復(fù)荷載加載時(shí)程曲線

3 預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為2 種不同的預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造的骨架曲線試驗(yàn)結(jié)果。從圖4中可以看出， “一” 字形連接構(gòu)造（工況A）和 “工” 字形連接構(gòu)造（工況B）的骨架曲線均呈飽滿的 “S” 形，表明2 種預(yù)應(yīng)力裝配式剪力墻連接構(gòu)造均具有良好的耗能能力。 “一” 字形連接構(gòu)造骨架曲線在±10mm 位移內(nèi)，荷載位移關(guān)系呈現(xiàn)線性關(guān)系，此時(shí)，預(yù)制剪力墻連接構(gòu)件處于彈性工作階段；在位移±10mm～±50mm時(shí)，荷載位移曲線呈現(xiàn)明顯的非線性變化，此階段的試件在低周期往復(fù)水平荷載作用下出現(xiàn)屈服、裂縫、塑性變形，而在位移為50mm 時(shí)，其承載力達(dá)到峰值，為778kN；位移為±50mm～±60mm時(shí)，荷載位移曲線出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，此時(shí)構(gòu)件出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，位移直至達(dá)到動(dòng)作器的極限60mm。類似地， “工” 字形連接構(gòu)造骨架曲線在-20mm～-7mm 位移內(nèi)，其荷載位移關(guān)系呈線性關(guān)系，斜率與 “一” 字形連接構(gòu)造彈性工作階段的骨架曲線斜率大致相同，表明2種連接構(gòu)件的初始剛度基本一致；位移在-40mm～-20mm、-7mm～40mm時(shí)， “工” 字形連接構(gòu)造的荷載位移曲線呈現(xiàn)明顯的非線性變化，其承載力峰值在為44.33mm 處達(dá)到1356kN，遠(yuǎn)大于 “一” 字形連接構(gòu)造，約為后者的1.75倍；位移為±40mm～±60mm 時(shí)，荷載位移曲線出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

圖4 不同的預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造的骨架曲線試驗(yàn)結(jié)果

圖5為兩種不同的預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造的耗能曲線試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。從圖5中可以看出， “一” 字形連接構(gòu)造（工況A）和 “工” 字形連接構(gòu)造（工況B）的耗能曲線呈現(xiàn)顯著差異， “一” 字形連接構(gòu)造的耗能曲線呈現(xiàn)先增加后趨于收斂的變化趨勢(shì)，而 “工” 字形連接構(gòu)造的耗能曲線呈現(xiàn)單調(diào)非線性增加，無(wú)明顯的收斂趨勢(shì)。兩者的耗能在位移小于20mm時(shí)接近，這是因?yàn)? 種裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的初始剛度接近，在位移20mm范圍內(nèi)，能量的消耗主要克服剪力墻結(jié)構(gòu)的彈性應(yīng)變能；而在位移超過(guò)20mm 后， “工” 字形連接構(gòu)造耗能相比 “一” 字形連接構(gòu)造耗能的差值越來(lái)越大，由此表明， “工” 字形連接構(gòu)造具有更為良好的抗震性能，在預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)連接時(shí)可以優(yōu)先選取 “工” 字形連接方案。

圖5 不同的預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造的耗能曲線試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

以山西省某市裝配式高層建筑為研究對(duì)象，運(yùn)用室內(nèi)物理模擬的方法，建立了2種不同的預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造方案，研究預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的骨架曲線、承載能力、耗能能力等，得到以下結(jié)論：

（1） “一” 字形連接構(gòu)造和 “工” 字形連接構(gòu)造的骨架曲線均呈飽滿的 “S” 形，表明2 種預(yù)應(yīng)力裝配式剪力墻連接構(gòu)造均具有良好的耗能能力。

（2） “一” 字形連接構(gòu)造和 “工” 字形連接構(gòu)造的初始剛度基本相同，但后者的極限承載力約為前者的1.75倍。

（3） “一” 字形連接構(gòu)造和 “工” 字形連接構(gòu)造的耗能曲線呈現(xiàn)顯著差異，兩者的耗能在位移小于20mm時(shí)接近，而在位移大于等于20mm 后， “工” 字形連接構(gòu)造耗能比 “一” 字形連接構(gòu)造耗能的差值越來(lái)越大。