装配式混凝土双板剪力墙低周反复荷载试验

肖全东 郭正兴

(1东南大学土木工程学院，南京210096)

(2湖南科技大学土木工程学院，湘潭411201)

近年来，装配式混凝土结构的新形式及建造新 技术不断涌现，高层建筑中的装配式混凝土剪力墙结构技术得到了广泛关注［1］.国内学者对装配式混凝土剪力墙中的全套筒灌浆连接技术［2］、约束浆锚钢筋搭接连接技术［3］、金属波纹管浆锚搭接连接技术［4-6］和叠合式混凝土剪力墙技术［7］进行了大量研究，得出预留孔道灌浆连接比钢套筒连接方案的剪力墙耗能稍差，叠合式剪力墙与现浇剪力墙具有相近承载力与耗能能力的结论.国外学者对采用预应力混合装配的剪力墙进行了试验研究和理论分析［8-10］，结果表明预应力混合装配剪力墙具有良好的抗震性能.

国内通过引入欧洲成熟的装配式混凝土双板(DWPC)结构体系技术，对原有DWPC构件进行构造改进，形成适用于国内的预制混凝土双板剪力墙结构体系.DWPC剪力墙是叠合式剪力墙的一种，在布置好焊接钢筋网和格构式钢筋桁架的钢模具上先浇筑单侧混凝土板并养护成型，再浇筑另一侧板的混凝土，利用翻板机将预制混凝土板的钢筋骨架一侧压在新浇混凝土上，在工厂养护成型，施工现场吊装完成后临时固定并浇筑两侧预制板间的后浇层混凝土，形成双板剪力墙.2个叠合面在工厂预制时进行粗糙处理以加强连接性能，两侧预制板通过格构式钢筋桁架进行拉接，并通过叠合面与后浇层混凝土形成整体.DWPC剪力墙的竖向钢筋在现浇的后浇层混凝土中搭接连接.

由于欧洲大部分地区的住宅为低层住宅且抗震要求不高，原DWPC体系连接构造相对简单.我国是一个多地震的国家，必须考虑其抗震性能.为了解DWPC剪力墙结构体系的抗震性能，并为编制相应地方标准和试点工程应用提供参考，本文对不同边缘构造和剪跨比的单片DWPC剪力墙进行了低周反复荷载试验，评价其抗震性能.

1 试验

1.1 试件设计

本试验按不同边缘构造和剪跨比设计制作了3组共9个剪力墙足尺比例试件，其中SW1，SW4和SW7为现浇剪力墙对比试件，其余为DWPC剪力墙试件，试件明细见表1.试件混凝土强度等级为C35，钢筋采用HRB400级钢筋.试件由预制底座、剪力墙和与剪力墙现浇部分整浇的加载梁组成.

对DWPC剪力墙试件的构造改进如下:剪力墙最外边缘的2根竖向钢筋采用平面桁架形式;竖向钢筋在剪力墙水平拼缝处利用U形筋搭接连接;边缘构件箍筋选用焊接封闭箍筋，同时在边缘构件竖向钢筋U形筋搭接连接范围设置连续螺旋箍筋或复合螺旋箍筋，对核芯区混凝土提供约束.各试件的配筋如图1所示.

表1 试件明细

1.2 试验加载装置及加载方案

剪力墙试件在基本恒定竖向荷载作用下进行低周反复荷载试验.水平加载设备为1 500 kN液压伺服控制系统，竖向加载设备为2台600 kN穿心式千斤顶.利用锚固在地板孔的钢绞线施加轴压，钢绞线锚具为带圆弧形可微转动锚具.

利用地脚螺杆穿过底座预留锚固孔，将试件锚固在试验室地面上.利用2台手动千斤顶把试件底座夹紧，防止试件在试验过程中出现水平方向滑移.在剪力墙试件两侧设置防侧移装置，防止试件在加载过程中发生平面外倾斜.试验加载装置图见图2.

竖向荷载利用穿心式千斤顶张拉钢绞线方式施加，张拉分3级进行.轴压比控制为0.10，试件SW1～SW3上施加的总轴力为470 kN，SW4～SW9为750 kN.试验过程中通过调节油压表控制轴压基本保持恒定.

待轴压稳定后，开始施加水平反复荷载，加载分为如下2个阶段:① 试件屈服前采用单次循环力控制加载;②屈服后采用位移控制加载.每级循环3次［11］.试件屈服以纵向受力钢筋达到屈服应变来确定，试件承载力下降到最大承载力的85%即判定为破坏.

图1 试件配筋示意图(单位:mm)

图2 加载装置示意图

2 试件裂缝开展与破坏形态

各试件裂缝开展都先后经历了水平裂缝、斜向发展及双向裂缝交汇等过程.双向裂缝交汇后，剪力墙两侧底部混凝土竖向裂缝出现并发展至混凝土压碎剥落.在试验过程中，加载梁和剪力墙始终共同工作，未发生开裂.各试件裂缝开展见图3.

图3 试件裂缝开展照片

试件最终破坏形态见图4.现浇剪力墙试件SW1，SW4和SW7最终破坏为弯曲破坏，表现为剪力墙两侧底部混凝土严重压碎剥落，箍筋外露，竖向受力钢筋压曲或拉断(见图4(a)).DWPC装配剪力墙试件SW2，SW3，SW6及SW8的最终破坏为弯曲破坏，表现为墙体两侧底部混凝土压碎，连接U形筋拉断(见图4(b)).DWPC装配剪力墙试件SW5和SW9的最终破坏为扭转破坏，表现为加载过程中剪力墙发生扭转并进一步发展为平面外倾斜(见图4(c)).在发生最终破坏时，所有DWPC剪力墙试件两侧预制壁板与中间现浇混凝土没有出现分离，表现出良好的整体工作性能(见图4(d)).

3 试验结果分析

3.1 滞回曲线与骨架曲线

各试件加载点的水平荷载P-位移Δ滞回曲线和骨架曲线分别见图5和图6.

由图5可知，在试件屈服前，滞回环狭长，面积小，试件处于弹性工作阶段;试件屈服后，滞回环面积明显增大，并且在加载后期滞回环有向反S形过渡的趋势，出现一定程度的捏拢现象.在同一位移级别下，与第1次循环相比，第2，3次循环后强度和刚度均有明显退化.

DWPC预制装配剪力墙中，剪跨比为3.325的试件SW2，SW3和剪跨比为2.078的试件 SW5，SW6与同组现浇剪力墙试件SW1，SW4的滞回曲线相似，滞回环数量较多且较为丰满，抗震性能与现浇相近.与同组现浇剪力墙试件SW7相比，剪跨比为2.078的试件SW8，SW9的滞回曲线则略显狭长，捏拢现象较明显.这是因为DWPC预制装配剪力墙试件随着边缘配筋的增多，墙体刚度变大，墙体承载能力提高，滞回曲线丰满程度逐渐降低.

图4 试件破坏形态照片

由图6可知，各试件的骨架曲线走势基本一致，表现出相近的发展规律，在低周反复荷载作用下都经历了弹性、开裂、屈服、极限和破坏几个阶段.各骨架曲线后期都经历了一个较平缓阶段，说明位移延性较好，有利于抗震.

图5 P-Δ滞回曲线

图6 骨架曲线

现浇剪力墙试件的墙体根部混凝土压溃严重，但在试件破坏前钢筋骨架完好，承载力变化不明显，骨架曲线有较长的平缓段.试件SW5，SW6，SW8和SW9相对于同组现浇试件刚度较大，承载力较高，后期骨架曲线基本能保持缓慢上升趋势，承载力达到最大值之后剪力墙即发生破坏，这是因为试件在边缘构件区配置较多受力钢筋和连续复合螺旋箍，对剪力墙的刚度和强度都有显著影响.而试件SW2和SW3的刚度和承载能力与同组现浇试件SW1相近，原因在于试件边缘配筋少，并且剪跨比较大，反映出受弯构件受力特征.

3.2 承载力、变形能力和弹性刚度

各试件在开裂、屈服、极限3个加载周期的荷载、位移值、位移延性系数和弹性刚度见表2.由表可知，第1组DWPC剪力墙试件的开裂荷载和屈服荷载与现浇剪力墙试件相同，极限荷载提高约1% ～6%，刚度提高约26% ～60%，位移延性系数相同.第2组DWPC剪力墙试件的开裂荷载较现浇剪力墙试件提高约43%，屈服荷载提高约17%～34%，极限荷载提高约14% ～29%，刚度提高约63% ～69%，位移延性系数相近.第3组DWPC剪力墙试件的开裂荷载较现浇剪力墙试件提高约43% ～57%，极限荷载提高约22% ～23%，刚度提高约13% ～41%，屈服荷载相同，位移延性系数有所降低.这说明边缘钢筋的增多及连续复合约束箍筋的配置有利于提高构件的刚度和强度;DWPC剪力墙具有良好的弹塑性变形能力.

试件在各级循环荷载下平均刚度K的计算可参见文献［11］.各试件的刚度退化曲线见图7.

表2 不同加载特征点的承载力、变形能力和弹性刚度

图7 刚度退化曲线比较

从图7可以看出，各组试件中现浇试件的刚度退化曲线较DWPC剪力墙试件更平缓.这是因为在加载前期，于边缘构件设置连续复合螺旋箍筋，对核芯区混凝土提供有效约束，使DWPC剪力墙试件的刚度和强度相对较高;在加载后期，试件裂缝不断开展，剪力墙根部混凝土不断压碎，截面刚度由钢筋和混凝土共同提供，各试件刚度接近，刚度退化较稳定.

第1组试件的剪跨比较大，边缘配筋较少，总刚度较小，混凝土提供的刚度所占比例较高，开裂后试件刚度下降快.第2组试件的刚度较高，开裂后刚度下降较快.第3组试件的刚度最高，开裂后刚度下降较缓.

3.3 耗能能力

本文选用等效黏滞阻尼系数作为耗能指标，以比较9个具有不同边缘构造和剪跨比的剪力墙试件在不同加载阶段的耗能能力.该系数越大，则耗能能力越大［12］.各试件在各加载特征周期的等效黏滞阻尼系数见表3.由表可知，各试件的耗能能力在屈服前有所波动，屈服后随着控制荷载(位移)的增大，耗能系数呈明显上升趋势.在试件屈服前，DWPC剪力墙试件的耗能能力与现浇剪力墙试件相近.在试件屈服后，第1组试件的耗能能力基本与现浇相当，第2，3组试件则有所降低，但仍表现出良好的耗能能力.这表明剪跨比越大，DWPC试件的耗能能力越接近同类现浇试件.

表3 不同加载特征周期下试件的等效黏滞阻尼系数

4 结论

1)在轴压比为0.1的条件下，对3组具有不同边缘构造和剪跨比共9个剪力墙试件进行了低周反复试验.试验中各试件裂缝发展趋势基本相同.4个DWPC剪力墙试件和3个现浇剪力墙试件的最终破坏形态相同，为弯曲破坏，表现为混凝土压碎竖向钢筋或U形筋压曲拉断.另外2个DWPC剪力墙试件在破坏时发生扭转.

2)DWPC剪力墙试件两侧预制壁板与中间现浇部分没有出现分离，表明DWPC剪力墙具有良好的整体工作性能.

3)在边缘构件设置连续复合螺旋箍筋，可对核芯区混凝土提供有效约束，避免DWPC剪力墙试件混凝土发生过早压溃问题，对改善其承载力、刚度及耗能能力均有帮助，还可减缓DWPC剪力墙的刚度退化.

4)经过构造改进的DWPC剪力墙具备较好的弹塑性变形能力和耗能能力.

References)

［1］郭正兴，董年才，朱张峰.房屋建筑装配式混凝土结构建造技术新进展［J］.施工技术，2011，40(11):1-2，34.Guo Zhengxing，Dong Niancai，Zhu Zhangfeng.Development of construction technology of precast concrete structure in building［J］.Construction Technology，2011，40(11):1-2，34.(in Chinese)

［2］钱稼茹，彭媛媛，张景明，等.竖向钢筋套筒浆锚连接的预制剪力墙抗震性能试验［J］.建筑结构，2011，41(2):1-6.Qian Jiaru，Peng Yuanyuan，Zhang Jingming，et al.Tests on seismic behavior of pre-cast shear walls with vertical reinforcements spliced by grout sleeves［J］.Building Structure，2011，41(2):1-6.(in Chinese)

［3］姜洪斌，张海顺，刘文清，等.预制混凝土结构插入式预留孔灌浆钢筋锚固性能［J］.哈尔滨工业大学学报，2011，43(4):28-31.Jiang Hongbin，Zhang Haishun，Liu Wenqing，et al.Experimental study on plug-in filling hole for steel bar anchorage of the PC structure［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2011，43(4):28-31.(in Chinese)

［4］朱张峰，郭正兴.预制装配式剪力墙结构节点抗震性能试验研究［J］.土木工程学报，2012，45(1):69-76.Zhu Zhangfeng，Guo Zhengxing.Seismic test and analysis of joints of new precast concrete shear wall structures［J］.China Civil Engineering Journal，2012，45(1):69-76.(in chinese)

［5］朱张峰，郭正兴.装配式短肢剪力墙低周反复荷载试验［J］.工程力学，2013，30(5):125-130.Zhu Zhangfeng，Guo Zhengxing.Low-cyclic reversed load test on new precast concrete short-leg shear wall［J］.Engineering Mechanics，2013，30(5):125-130.(in Chinese)

［6］刘家彬，陈云刚，郭正兴，等.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［J］.东南大学学报:自然科学版，2013，43(3):565-570.Liu Jiabin，Chen Yungang，Guo Zhengxing，et al.Test on seismic performance of precast concrete shear wall with U-shaped closed reinforcements connected in horizontal joints［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2013，43(3):565-570.(in Chinese)

［7］连星，叶献国，王德才，等.叠合板式剪力墙的抗震性能试验分析［J］.合肥工业大学学报:自然科学版，2009，32(8):105-109.Lian Xing，Ye Xianguo，Wang Decai，et al.Experimental analysis of seismic behavior of superimposed slab shear walls［J］.Journal of Hefei University of Technology:Natural Science Edition，2009，32(8):105-109.(in Chinese)

［8］Kurama Y，Sause R，Pessiki S，et al.Seismic response evaluation ofunbonded post-tensioned precast walls［J］.ACI Structural Journal，2002，99(5):641-651.

［9］Kurama Y，Shen Q.Post-tensioned hybrid coupled walls under lateral loads［J］.ASCE Journal of Structural Engineering，2004，130(2):297-309.

［10］Shen Q，Kurama Y，Weldon B.Seismic design and analytical modeling of post-tensioned hybrid coupled wall subassemblages ［J］.Structural Engineering，2006，132(7):1030-1040.

［11］中华人民共和国建设部.JGJ 101—1996建筑抗震试验方法规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，1996.

［12］Jacobsen L S.Steady forced vibrations as influenced by damping［J］.ASME Transactions，1930，52:169-181.