低周反复荷载下预制混凝土夹心保温剪力墙的试验研究

薛伟辰 杨佳林 董年才 李 康

(1同济大学建筑工程系,上海200092)(2南通建筑工程总承包有限公司,海门226124)

按照墙体构造的不同,预制混凝土剪力墙主要分为装配式混凝土剪力墙、叠合式混凝土剪力墙以及预制混凝土夹心保温剪力墙3种[1].预制混凝土夹心保温剪力墙是一种集承重与节能一体化的新型预制剪力墙,该墙体由内、外叶混凝土墙板、保温材料以及连接件(多采用FRP连接件)组成,具有施工速度快、保温效果好等特点,可实现结构与保温同寿命,是今后预制混凝土剪力墙发展的重要方向之一.目前,该剪力墙已成功应用于北京、上海等地区的一批住宅工程中.

国外已开展了大量装配式混凝土剪力墙试验研究.Khaled等[2-4]针对采用预应力钢筋竖向连接的装配式混凝土剪力墙,进行了低周反复荷载试验研究,结果表明,采用预应力钢筋竖向连接的装配式混凝土剪力墙具有良好的抗震性能.国内主要针对装配式混凝土剪力墙和叠合式混凝土剪力墙进行了试验研究,重点研究了不同纵向钢筋连接方案(包括钢套筒连接、预留孔道灌浆连接)对剪力墙抗震性能的影响.文献[5-7]针对叠合式混凝土剪力墙进行了抗震性能研究,得出了叠合式混凝土剪力墙与现浇剪力墙具有相近承载力与耗能能力的结论.文献[8-9]对采用预留孔道浆锚和钢套筒连接方案的装配式混凝土剪力墙进行了抗震试验研究,认为预留孔道灌浆连接比钢套筒连接方案的剪力墙耗能稍差.自2007年起,同济大学在国内率先开发了具有自主知识产权、预制混凝土夹心保温墙体FRP连接件,并开展了墙体与FRP连接件的静力性能、设计方法和工程应用等一系列研究工作.已完成的FRP连接件拔出、抗剪试验及预制混凝土夹心保温墙体平面外静力试验结果表明,该墙体和连接件均具有良好的力学性能,且具有较大的安全储备,有关研究成果已列入上海市标准《装配整体式混凝土住宅体系设计规程》(DG/TJ 08-2071—2010)[10]中.

由此可知,在当前采用的预制剪力墙竖向钢筋连接方式中,钢套筒连接效果最好,但成本较高.国内外已有的试验研究主要针对预制装配式混凝土剪力墙和叠合式混凝土剪力墙,而对于预制混凝土夹心保温剪力墙抗震性能的研究尚属空白.在预制剪力墙的竖向钢筋连接方案中,墙体竖向采用全部钢筋连接的方式,其接头数量多,施工复杂,成本高.欧美规范[11-12]针对预制混凝土剪力墙结构给出了总体规定,但未对预制混凝土夹心保温剪力墙的设计、施工等给出明确的要求,我国《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)[13]和《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)[14]中有关预制混凝土剪力墙的设计规定仍为空白.

鉴于此,本文开展了预制混凝土夹心保温剪力墙抗震性能的试验研究,对墙体的滞回曲线、位移延性、刚度退化、耗能能力等进行了较系统的研究.

1 试验

1.1 试件设计

以南通建筑工程总承包有限公司的一幢7度抗震设防18层剪力墙方案为背景,按照《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)[13]和《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)[14]的要求进行设计.

表1 试件参数

表1中,双排全部钢筋连接是指预制墙体内双排竖向钢筋与地梁双排钢筋一一对应连接;单排全部钢筋连接是指墙体内单排竖向钢筋与地梁单排钢筋一一对应连接,其钢筋总面积与前者基本相同;单排部分钢筋连接方案中的连接钢筋数量相对单排全部钢筋连接方案有所减少,并较为集中地布置于预制墙体两端暗柱区域.现浇剪力墙与预制剪力墙TW1～TW3两端均设置暗柱,预制剪力墙TW4,TW5无暗柱,但在墙肢暗柱区域FRP连接件水平加密布置.

图1 试件几何尺寸及配筋图(单位:mm)

现浇混凝土及预制混凝土强度等级均为C35,竖向、水平分布钢筋及箍筋均为HRB400.钢筋实测力学性能见表2.FRP连接件在墙体中部区域竖向和水平间距均为500 mm;在暗柱区域竖向间距不变,水平间距为300 mm,用以加强预制剪力墙中内、外叶混凝土墙板的连接.

表2 钢筋实测力学性能

1.2 加载装置

试验在同济大学建筑结构试验室1×104kN多功能试验机上进行,该多功能试验机可实现竖向荷载对墙顶侧移的全自动跟踪,以考虑P-Δ效应的影响.剪力墙顶部采用1×104kN的液压千斤顶施加竖向荷载,加至预定试验轴压力后,再在墙顶施加水平低周反复荷载.为使竖向荷载均匀分布于墙体截面,在墙顶放置了一根刚度很大的钢梁.

1.3 加载制度

试验按照《建筑抗震试验方法规程》(JGJ 101—1996)[15]中规定的标准加载方法进行加载.以墙顶侧移NH/400(剪力墙高H=2 900 mm,N=1,2,3,…)进行位移控制加载,每级位移往复循环3次.当加载至试件自身破坏或试件加载值下降到最大荷载值的85%时,试验结束.

1.4 主要量测内容

主要测量内容包括:① 竖向及水平荷载值;② 墙顶水平位移;③ 预制墙体竖向钢筋、地梁竖向钢筋及FRP连接件的应变等.采用英国Solartron (SI35951BIMP) Instrument数据采集系统进行数据采集,以1 s间隔连续采集数据并存储在计算机中.

2 试验结果与分析

2.1 破坏形态

试件最终破坏形态如图2所示.现浇混凝土剪力墙SW1的最终破坏形态为,墙体两侧底部混凝土压碎剥落,竖向钢筋受压弯曲(见图3(a)).预制混凝土夹心保温剪力墙试件的最终破坏形态均为,墙体两侧底部混凝土压碎剥落,竖向钢筋受压弯曲,未出现竖向钢筋从钢套筒拔出或断裂现象,FRP连接件无可见损伤(见图3(b)和(c)).剪力墙TW1～TW3发生破坏时,内叶200 mm厚混凝土墙板内竖向钢筋压曲,混凝土压碎,外叶60 mm厚混凝土墙板基本完好,这表明外叶混凝土墙板参与结构受力的程度较低.剪力墙TW4和TW5发生破坏时,内、外叶100 mm厚混凝土墙板钢筋受压完全,混凝土压碎剥落(见图3(d)),说明内、外叶混凝土墙板共同参与结构受力.

图2 试件破坏形态

2.2 荷载-墙顶位移滞回曲线

6片剪力墙试件的荷载-墙顶位移滞回曲线如图4所示.由图可知,试件在开裂之前,滞回曲线包围的面积很小,试件基本处于弹性工作状态.随着墙顶侧移的增大,试件滞回环所包围的面积也逐渐增大,加载后期滞回环逐渐转变为反S型,滞回曲线呈现出一定的捏拢现象.

200 mm+50 mm+60 mm预制混凝土夹心保温剪力墙TW1～TW3与现浇剪力墙SW1的滞回曲线相似,滞回环均较丰满.相比而言,采用单排部分钢筋连接方案的剪力墙TW3的滞回环数量较多且更为丰满,耗能能力优于采用双排全部钢筋方案和采用单排全部钢筋连接方案的剪力墙.这是因为钢套筒较为集中地布置于墙肢暗柱区域,从而增加了墙体两侧混凝土的约束作用,延缓了墙肢两端混凝土压碎崩溃,提高了墙体的耗能能力.

图3 荷载-墙顶位移滞回曲线

图4 刚度退化曲线

相比现浇剪力墙SW1和预制剪力墙TW1～TW3,剪力墙TW4和TW5未设置暗柱,其滞回环数量较少且滞回曲线较为捏拢.采用双排部分钢筋连接方案的剪力墙TW5的滞回曲线丰满程度略好于采用双排全部钢筋连接方案的剪力墙TW4.这也是由于钢套筒较为集中地布置于墙肢暗柱区域所致.

2.3 位移延性

延性是反映结构或构件变形能力的一个度量指标.常用位移延性系数的大小来表示构件或结构延性的优劣.位移延性系数μ是极限位移Δu和屈服位移Δy的比值,即μ=Δu/Δy.其中,Δu为试件达到极限荷载Pu(即试件的破坏荷载或峰值荷载Pmax下降到85%的荷载)对应的位移,屈服位移Δy采用等能量法确定.剪力墙试件的延性系数见表3.

由表3可见,现浇剪力墙SW1的位移延性为2.35,与此相比,预制混凝土夹心保温剪力墙TW1～TW3的位移延性较大,介于2.45～2.80之间.这表明钢套筒加强了墙体底部混凝土的约束作用,延缓了墙肢两端混凝土压碎崩溃,提高了剪力墙的位移延性.

表3 试件的位移延性和变形能力

在剪力墙TW1～TW3中,采用单排部分钢筋连接方案的剪力墙TW3的位移延性最大.这是因为钢套筒较为集中地布置于墙肢暗柱区域,加强了墙肢端部混凝土的约束作用,增加了墙体的后期变形能力,从而提高了墙体的位移延性.采用单排全部钢筋连接方案的剪力墙TW2的位移延性为2.65,大于采用双排全部钢筋连接方案的剪力墙TW1的位移延性(2.40).这表明采用单排全部钢筋连接代替双排全部钢筋连接方案后,墙肢截面中部增加了1排附加连接钢筋(实际变为3排竖向钢筋),增强了墙体底部混凝土的约束作用,从而提高了墙体的位移延性.

预制剪力墙TW4和TW5的位移延性均小于剪力墙TW1～TW3.这表明设置暗柱可有效约束核心区混凝土,提高剪力墙的位移延性.而在未设置暗柱的情况下,采用双排部分钢筋连接方案的剪力墙TW5的位移延性(1.85)略大于采用双排全部钢筋连接方案的剪力墙TW4(1.75),这也是由于钢套筒较为集中地布置于墙肢暗柱区域所致.

2.4 刚度退化

刚度退化是指在位移幅值不同的条件下,结构或构件的刚度随着反复荷载次数的增加而逐渐降低.常用环线刚度Kj的降低量来表示刚度退化.

环线刚度定义为

剪力墙试件的环线刚度退化情况见图4.由图可知,6片剪力墙在整个试验过程中刚度退化明显,试件屈服时的刚度为其开裂刚度的60%左右,峰值点对应的刚度仅为其开裂刚度的25%左右.剪力墙的刚度退化主要集中在加载早期,从开裂到屈服时的刚度退化尤为明显.

试件正向开裂时的刚度稍大于对应的反向开裂时刚度.由此可见,试件首先进行正向加载,对试件造成了一定的损伤,从而导致其反向刚度有所降低.

以墙顶相对侧移达到3/400时为例,现浇剪力墙SW1的环线刚度下降到其开裂刚度的44.1%～50.0%,剪力墙TW1～TW3的环线刚度下降到其开裂刚度的44.8%～50.4%,两者的刚度退化基本相同.这说明60 mm厚外叶混凝土墙板参与结构受力的程度较低.

预制剪力墙TW1～TW3的刚度退化基本相同,相似地,预制剪力墙TW4和TW5的刚度退化也基本相同.这表明采用双排全部钢筋连接、单排全部钢筋连接和单排部分钢筋连接方案对预制剪力墙的刚度退化无显著影响.

当墙顶相对侧移达到3/400时,预剪力墙TW4和TW5的环线刚度下降到其开裂刚度的40.1%～52.7%,刚度退化程度比预制剪力墙TW1～TW3略大.由此可见,剪力墙设置暗柱可有效约束核心区混凝土,从而减缓了剪力墙的刚度退化.

2.5 耗能能力

试件耗能能力是反映其抗震性能优劣的一个重要指标.6片剪力墙试件在各级位移下的累积耗能如图5所示.需要说明的是,累积耗能为正反向各级荷载下阶段耗能均值的累加值.

图5 累计耗能曲线

由图5可知,墙顶侧移较小(墙顶相对侧移小于1/400)时,各试件基本处于弹性工作阶段,累计耗能较小.随着墙顶侧移的增大和循环次数的增加,剪力墙逐渐进入弹塑性阶段,试件的承载能力缓慢增长甚至出现下降,但累计耗能仍不断增加.

3片200 mm+50 mm+60 mm预制混凝土夹心保温剪力墙的最终累计耗能平均值为58.7 kN·m,现浇剪力墙SW1的最终累计耗能平均值为61.2 kN·m,两者相近.采用单排部分钢筋连接方案的剪力墙TW3的耗能能力(最终累计耗能平均值为62.4 kN·m)与采用单排全部钢筋连接方案的剪力墙TW2(最终累计耗能平均值为70.2 kN·m)较为接近,均大于采用双排全部钢筋连接方案的剪力墙TW1(最终累计耗能平均值为44.7 kN·m).这是由于钢套筒较为集中地布置于墙肢暗柱区域,增加了墙体两侧混凝土的约束作用,从而提高了墙体的耗能能力.

剪力墙TW4和TW5的最终累计耗能平均值分别约为现浇剪力墙SW1的41%～43%,约为预制剪力墙TW1～TW3最终累计耗能平均值的46.9%.可以看出,设置暗柱可使预制剪力墙的耗能能力大幅提高.

采用双排部分钢筋连接方案的剪力墙TW5的最终累计耗能平均值(24.5 kN·m)略大于采用双排全部钢筋连接方案的剪力墙TW4(21.6 kN·m),这也是由于钢套筒较为集中地布置于墙肢暗柱区域所致.

3 结论

1) 开展了5片预制混凝土夹心保温剪力墙试件和1片现浇对比剪力墙试件的低周反复荷载试验研究.6片剪力墙均发生弯曲破坏,钢套筒与竖向钢筋连接良好,未产生钢筋拔出或断裂现象,FRP连接件未有可见损伤.

2) 200 mm+50 mm+60 mm预制混凝土夹心保温剪力墙TW1～TW3与现浇剪力墙SW1的滞回环均较丰满,两者具有相近的承载能力与耗能能力.相比而言,100 mm+50 mm+100 mm剪力墙TW4和TW5的滞回环数量较少且滞回曲线相对捏拢,承载能力较低,耗能能力较差.这是由于设置暗柱加强了对核心区混凝土的约束作用,增大了墙体的承载力与耗能能力.

3) 预制剪力墙TW1～TW3与现浇剪力墙SW1具有相近的位移延性.相比而言,预制剪力墙TW4和TW5的位移延性较差,采用单排部分钢筋连接方案的剪力墙TW3的位移延性稍大.这表明钢套筒较为集中地布置于墙肢暗柱区域,加强了墙肢端部混凝土的约束作用,增加了墙体的后期变形能力.

4) 预制混凝土夹心保温剪力墙与现浇混凝土剪力墙具有相似或相近的抗震性能,在预制混凝土夹心保温剪力墙钢筋连接方案中,采用单排钢筋连接替代双排全部连接的钢筋连接方案是可行的.此外,当采用单排钢筋连接方案时,为进一步减少连接钢筋的数量,单排连接钢筋可适当往暗柱区域集中布置.本文的研究成果可为预制混凝土夹心保温剪力墙的推广应用提供技术依据.

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