装配式混凝土剪力墙水平拼缝U型闭合筋连接抗震性能试验研究

刘家彬 陈云钢,2 郭正兴 张建玺

(1东南大学土木工程学院,南京 210096)

(2安徽工业大学建筑工程学院,马鞍山243002)

随着我国“建筑工业化、住宅产业化”进程的加快,装配式混凝土剪力墙结构应用越来越广泛.近年来,国内已逐渐形成了多种装配式剪力墙结构技术[1-5].

剪力墙构件是高层房屋剪力墙结构的主要受力构件,也是其首要抗震耗能构件.因为装配式剪力墙墙体构件分层预制,故位于水平拼缝处的水平连接构造和性能直接决定了剪力墙结构的整体性、承载能力及变形能力.所以,探索水平拼缝处合理的竖向钢筋连接方式及局部现浇混凝土的拼缝处理方法,对装配式剪力墙抗震性能影响的研究就显得尤为必要.国外学者也曾做过类似研究[6-9].本文将介绍一种作者设计的U型闭合筋连接装配式剪力墙结构内墙水平连接的新形式,并对U型闭合筋连接形式进行抗震性能试验,综合评价其抗震性能.

1 U型闭合筋内墙水平连接

剪力墙上层预制内墙板两下角的左、右边缘部分是没有混凝土的竖向U型闭合钢筋,水平分布钢筋的两端与竖向U型闭合钢筋连接,箍筋分别将竖向U型闭合钢筋连接成一个整体;剪力墙上层预制内墙板中部设有金属波纹浆锚管,波纹浆锚管的下部位于剪力墙上层预制内墙板的下部并与外部连通,波纹浆锚管的上部与浇筑口连通,在剪力墙上层预制内墙板侧面的竖向U型闭合钢筋上方设有预留浇筑孔.

剪力墙下层预制内墙板上部的中间部分设有竖向浆锚钢筋,对应于上层预制内墙板的波纹管;剪力墙下层预制内墙板两边部分对应于剪力墙上层预制内墙板的左、右两下角设有竖向U型闭合钢筋的部分,见图1(a).

剪力墙上层预制内墙板与剪力墙下层预制内墙板连接时,墙板中部竖向分布钢筋浆锚间接搭接连接区域混凝土接触面四周铺有坐浆层,竖向浆锚钢筋插入金属波纹浆锚管,灌浆料灌入金属波纹浆锚管;剪力墙上下层预制内墙板边缘部位的竖向U型闭合筋对插、搭接,水平加强钢筋插入竖向U型闭合钢筋,见图1(b).

U型闭合筋内墙的优点如下:

1) 上、下层剪力墙板边缘部分的连接通过U型闭合筋错位对扣、绑扎水平加强钢筋及连接区局部现浇混凝土实现,保证连接的抗剪、抗弯承载力及刚度,U型闭合筋及箍筋对局部现浇混凝土提供了多向约束作用,提高了边缘构件的延性.

2) 剪力墙板中部竖向分布钢筋通过浆锚间接搭接连接方式,既方便了上层剪力墙板在浇筑楼板后的安装就位及临时锚固,又可减少现场的灌浆工作量.

3) U型闭合钢筋混合连接边缘构件的水平连接采用等同于现浇剪力墙的湿连接,中部竖向分布钢筋处的水平缝采用干连接,兼顾了不同部位水平拼缝连接的整体性和施工便利性.

1—剪力墙上层预制内墙板；2—预留浇筑孔；3—金属波纹浆锚管；4—竖向U型闭合钢筋；5—灌浆料；6—水平加强钢筋；7—剪力墙下层预制内墙板；8—竖向浆锚钢筋；9—水平分布钢筋；10—箍筋；11—灌浆口；12—拼缝处坐浆层；13—现浇混凝土

2 试验方案

2.1 试验设计

U型闭合筋内墙及现浇剪力墙混凝土强度均为C30,混凝土保护层厚度为25 mm.边缘构件部位使用直径为14 mm的HRB400级热轧钢筋,其他竖向分布钢筋采用直径12 mm的HRB400级热轧钢筋,水平分布钢筋采用直径10 mm的HRB400级热轧钢筋,箍筋为直径8 mm的HPB235级热轧钢筋.剪力墙试件顶部设置加载梁,下端设置锚固底座.试件采用1∶1足尺比例模型.现浇试件为对比试件,记为XJ,现浇试件设计图见图2,U型闭合筋内墙试件记为UN1(见图3).图3中,1-1剖面自左向右分别表示剪力墙两端U型筋的底座区域、带U型筋未安装的上片剪力墙区域、上下U型筋对插安装后的整片墙,2-2剖面自左向右分别表示剪力墙中间带浆锚插筋的底座区域、带浆锚管的未安装的上片剪力墙区域、浆锚安装后的整片墙.

图2 现浇试件设计图(单位：mm)

图3 U型闭合筋内墙混合连接试件设计图(单位：mm)

2.2 试验加载制度和加载装置

水平荷载加载设备为1 000 kN作动器.试验时,通过地脚螺杆穿过预留锚固孔将试件锚固于地面上,在水平方向设置钢梁夹紧试件底座,以防止实验试件出现水平滑移.轴压比控制为0.10,轴压采用张拉预应力钢绞线方式施加,轴压钢梁两端的钢绞线的锚固分别采用碗状墩头锚具和四孔夹片锚具.为使水平加载位移较大时轴压相对恒定,在钢绞线张拉横梁与试件顶部纵向分配梁之间设置一个万向铰,保证结构侧移时钢绞线不产生折角.

水平荷载采用力和位移混合控制加载模式,模型屈服前以力控制加载,每级循环1次,屈服后以屈服位移控制加载,每级循环3次.试验加载装置见图4.试验过程中规定MTS外推时为正,内拉时为负.

图4 试验加载图(单位：mm)

3 试验现象

试件XJ在加载初期基本上处于弹性状态,加、卸载后残余变形很小.力控制的第6级加载过程中,作动器水平推力为210 kN左右时,墙体受拉侧(左侧)距墙250～440 mm位置出现水平裂缝,进入开裂阶段;水平推力为350 kN左右时,墙体右侧出现裂缝,随着荷载等级提高,水平弯曲裂缝转变为弯剪斜裂缝,并向对角延伸,400 kN时出现左右侧裂缝贯通现象,钢筋屈服,试件进入屈服阶段,屈服位移Δ=15 mm;之后进入位移控制加载阶段,至3Δ后几乎不出现新裂缝,表明此时剪力墙底部塑性铰完全形成,水平力达到最大值601 kN;至60 mm位移等级阶段,墙体根部钢筋裸露,混凝土压碎,承载力下降至极限承载力的85%以下,试件破坏,试件破坏形态表现为弯剪破坏(见图5).

图5 XJ试件试验图

试件UN1在加载初期处于未开裂弹性阶段,加、卸载位移曲线基本重合;荷载加至-200 kN时,后浇混凝土与预制墙板结合面处出现首条水平裂缝,试件进入开裂阶段;随着荷载等级的增加,剪力墙从下至上出现多条水平裂缝,且现浇部分混凝土水平裂缝向预制墙板延伸,水平弯曲裂缝转变为弯剪斜裂缝,并向对角延伸,大致呈45°,至350 kN荷载等级时水平裂缝贯通;荷载至400 kN等级时,墙体侧立面底部出现竖向裂缝,钢筋屈服,试件进入屈服阶段,屈服位移为16 mm,现浇与预制结合部位裂缝明显增大;之后进入位移控制阶段,水平位移为53 mm时,水平力达到峰值-611 kN;至64 mm位移等级时,水平力降至300 kN,边缘柱后浇部分混凝土压碎,钢筋裸露,侧立面箍筋鼓胀,试件破坏,破坏形态表现为弯剪破坏(见图6).

图6 UN1试件试验图

4 试验分析

4.1 滞回曲线和骨架曲线

各试件的滞回曲线和骨架曲线见图7.从图中可发现,现浇试件与装配式混凝土剪力墙试件的滞回曲线形状基本一致,各滞回环相对饱满,均呈反S形.

图7 各试件滞回曲线和骨架曲线

滞回曲线具有如下共同特点:在开裂后至屈服前,滞回环处于稳定发展阶段,卸载后残余变形很小,滞回环面积也小,耗能较小;屈服后,滞回环面积明显增大,耗能也增加,在同一位移级别下,后面循环与第1次循环相比,强度和加载刚度均有明显退化,卸载刚度的退化不明显,表现出较好的耗能能力;达到极限承载力后,承载力下降缓慢,滞回曲线平缓下降,表现出良好的延性,整体偏向于位移轴,滞回环有向“Z”形过渡的趋势.

滞回曲线的不同之处在于:XJ试件负向卸载时滞回环出现较明显的捏缩;UN1试件负向卸载时滞回环捏缩不明显,滞回环略显饱满,耗能能力基本接近.

从骨架曲线看,装配式混凝土剪力墙试件与现浇试件曲线走势基本一致,表现出相近的发展规律.

4.2 承载能力

XJ和UN1试件的开裂荷载Fcr、屈服荷载Fy和峰值荷载Fp见表1.通过对比可看出,UN1试件的开裂荷载略小于XJ试件,屈服荷载一致,但峰值荷载承载能力略高于XJ试件.

表1 承载力试验结果对比 kN

4.3 变形能力`

试件的屈服位移Δy、屈服位移角θy、极限位移Δu、极限位移角θu和位移延性系数μ见表2.从表中可看出:2个试件的极限位移角均大于1/120[10],具有较好的变形能力;延性系数均为4,具有较好的延性.

表2 加载特征值、延性对比

4.4 耗能能力

结构耗散能量的能力以一周滞回环所包围的面积来衡量[11].各试件的等效黏滞阻尼系数见表3.从表中可看出,UN1试件的等效黏滞阻尼系数与现浇试件XJ基本接近.

表3 各试件的等效黏滞阻尼系数

5 结论

1) 对于破坏形态,现浇试件、U型闭合筋内墙均为靠近剪力墙根部弯剪破坏.现浇试件的受力全过程大致经历了未裂阶段、开裂阶段、屈服阶段以及破坏阶段;由于水平拼缝的存在,装配式剪力墙试件的受力全过程与现浇试件不相同,主要经历了水平拼缝的张开阶段、连接钢筋屈服以及混凝土压碎的破坏阶段.

2) 试件的滞回曲线均较饱满,呈反S形,耗能能力基本接近;骨架曲线走势基本一致,表现出相近的发展规律.

3) 与现浇试件相比,由于水平拼缝的存在,U型闭合筋内墙试件的开裂较早,初期刚度有所降低,UN1试件的开裂荷载略小于XJ试件,但UN1试件的峰值荷载承载能力高于XJ试件.

4) U型闭合筋内墙试件与现浇试件极限位移角分别为1/46和1/49,满足规范要求的层间位移角要求;位移延性系数为4,满足延性要求.

从试验结果来看,装配式混凝土剪力墙结构水平拼缝采用合理构造可以达到与现浇结构相当的承载能力、延性以及抗震耗能能力,水平拼缝U型闭合筋连接构造值得进一步优化研究.

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