IPSW结构竖向缝连接抗剪承载力试验及理论研究

孙 建 邱洪兴 许家鹏

(东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京 210096)

IPSW结构竖向缝连接抗剪承载力试验及理论研究

孙 建 邱洪兴 许家鹏

(东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京 210096)

摘 要:为了验证新型全装配式钢筋混凝土剪力墙(IPSW)结构中竖向缝连接的可行性并研究其抗震性能，制作了2个竖向缝连接试件，并对其进行低周反复荷载试验.试验结果表明，翼缘墙板与腹板墙板之间的连接件(内嵌边框、高强螺栓和连接钢框)能够有效地传递二者之间的相互作用力，保证二者协同工作.然后，分别基于最大拉应力理论、平截面假定和力的平衡条件、抗剪抵抗机构和力的平衡条件，建立了开裂荷载、屈服荷载、极限抗剪承载力的计算模型，并推导了理论公式.结果表明，开裂荷载、屈服荷载以及极限抗剪承载力的试验值与理论值吻合较好.由此可见，IPSW结构的竖向缝连接方案可行，特征荷载的计算模型及计算公式合理.

关键词:预制剪力墙;竖向缝连接;内嵌边框;高强螺栓;连接钢框;抗剪承载力

预制装配式混凝土结构具有能源消耗少、质量易控制、施工速度快、施工现场环境好以及混凝土收缩裂缝少等优点.长期以来，国内外学者［1-5］对各种预制装配式剪力墙结构进行了深入而广泛的研究，但大多数仍属于装配整体式结构，需部分湿作业.本文借鉴钢结构的连接方式，提出了一种新型全装配式钢筋混凝土剪力墙 (innovative precast shear wall，IPSW)结构，即采用内嵌边框、高强螺栓以及连接钢框等作为连接件，将预制墙板、楼板连接起来.并对该新型结构竖向缝连接的低周反复荷载试验及其抗剪承载力进行了介绍.

1 试验

1.1 试验内容

基于文献［6］中现浇带翼缘剪力墙试件的基本尺寸及配筋强度，采用本文提出的连接件，将腹板与翼缘连接起来，形成竖向缝连接试件.制作2个试件，编号为WV-1和WV-2，进行低周反复荷载试验.2个试件的尺寸、墙板混凝土设计强度、配筋、连接件及螺栓孔等参数均相同，但试件WV-2中高强螺栓的数量为试件WV-1的1/2.试件混凝土设计强度等级均为C35，水平分布筋、竖向分布筋、约束箍筋等均采用HPB235级钢筋，连接钢框与内嵌边框采用 Q345钢，连接钢框钢板厚12 mm，内嵌边框钢板厚10 mm，高强螺栓采用10.9级M16，螺栓孔直径为18 mm.试件及连接钢框制作详图分别见图1和图2.

图1 试件制作详图(单位:mm)

图2 连接钢框详图(单位:mm)

混凝土实测立方体抗压强度为34.2 MPa.HPB235级钢筋实测屈服强度为325 MPa，抗拉强度为463 MPa，弹性模量为210 GPa.Q345级钢板实测屈服强度为456 MPa，抗拉强度为652 MPa，弹性模量为206 GPa.

在试件WV-1和WV-2的顶部施加600 kN的竖向轴压力并保持恒定;在加载梁端施加水平往复荷载(以推向为正，拉向为负).试件屈服前，水平荷载以20 kN为一级，每级荷载重复1次;试件屈服后，进入弹塑性阶段，采用位移控制加载，以屈服位移的整数倍为控制位移，每级位移重复3次［7］，直至试件承载力下降到峰值荷载的85%以下或试件因变形过大不适于继续加载为止.加载装置见图3.

图3 加载装置

1.2 试验结果

试件WV-1正向加载到100 kN时，受拉翼缘根部出现第1条水平裂缝;正向加载到120 kN时，受拉翼缘根部出现第2条水平裂缝，同时腹板受拉侧内嵌边框底角处混凝土墙板出现若干条斜裂缝;反向加载与正向加载现象类似.试件WV-2正向加载到80 kN时，腹板受拉侧内嵌边框边缘处出现若干条近似平行的斜裂缝;反向加载到100 kN时，受拉翼缘根部出现2条水平裂缝;正向加载到120 kN时受拉翼缘根部出现2条水平裂缝.随着荷载的增加，试件不断出现新裂缝，同时原有裂缝继续扩展、延伸.进入位移控制加载阶段后，试件腹板斜裂缝进一步发展，形成明显交叉状，翼缘裂缝集中于根部，且以2条宽度较大的水平裂缝为主，在轴压力与水平剪力复合作用下，受压翼缘根部受剪错动并随之被压溃;最终试件沿腹板底部发生剪切破坏，混凝土剥落，翼缘水平筋露出，竖向筋压屈.试件的破坏形态见图4，滞回曲线与骨架曲线见图5.此外，在整个加载过程中，试件的连接件未发生破坏，内嵌边框与连接钢框之间也未发生相对滑移.可见，连接件有效保证了翼墙和腹板的协同工作.

图4 试件破坏形态

由图4可见，两试件破坏模式类似，临近破坏时，翼缘根部在轴压力和水平剪力复合作用下形成了剪切斜裂缝，从而导致破坏失效，腹板最终沿底部发生剪切破坏，形成1条水平通缝.

2 开裂荷载

2.1 基本假定

在试验研究的基础上，进行如下假定:

图5 荷载-位移曲线

1)连接件处于弹性状态，能够保证翼缘、腹板共同工作;连接钢框与内嵌边框间均无相对滑移，高强螺栓摩擦承载力未被克服.

2)适用最大拉应力理论，即认为受拉翼缘根部水平裂缝产生的原因是最大主拉应力超过了混凝土的抗拉强度.

3)受弯开裂时，混凝土材料的强度会有所折减，同时，试件制作过程中难免会出现混凝土浇筑质量不理想、保护层厚度离散、材料强度降低等情况，使得试件的实际开裂荷载较理论开裂荷载低，故采用文献［8］建议的折减系数0.40.

2.2 计算公式

当试件开裂时，受顶部竖向荷载N和水平荷载Vcr0(理论开裂荷载)的作用，受拉翼缘根部外侧混凝土的拉应力σt=Vcr0H/W0－N/A0，其中A0为换算截面的面积，W0为弯曲截面系数，H为试件高度.根据2.1节中的假定2)，令σt=ft，可得理论开裂荷载为

式中，ft为混凝土轴心抗拉强度.

根据2.1节中的假定3)，可得开裂荷载实用计算公式为

由式(2)可求得，Vcr=95 kN.

3 屈服荷载

3.1 基本假定

在试验研究的基础上，进行如下假定:

1)同2.1节中假定1).

2)截面应变保持平面.

3)不考虑混凝土的抗拉强度，混凝土受压的应力-应变关系采用规范［9］中的公式.

3.2 计算模型

受拉翼缘外侧竖向钢筋屈服时，试件底部截面的应变、受力分布分别见图6(a)和(b).图中，hw为截面高度;xc为受压区高度;c为受拉翼缘外侧竖向钢筋至外边缘的距离;εy为受拉翼缘外侧竖向钢筋屈服应变;φy为截面屈服曲率;x为受压区混凝土纵向纤维至中和轴的距离;εx为受压区距中和轴x处混凝土压应变;xi为第i排竖向钢筋至外侧竖向钢筋的距离;Asi，σsi分别为第i排竖向钢筋的面积和应力;C为受压区混凝土压应力的合力;M为水平作用力在底部截面产生的弯矩.

图6 屈服时底部截面应变和受力分布

由图6(a)可知，底部截面屈服曲率φy=εy/(hw－xc－c);第i排竖向钢筋应力 σsi=Esφy(hw－xc－c－xi)，其中Es为钢筋的弹性模量;距中和轴x处混凝土压应变εx=φyx，该处混凝土压应力［9］为

式中，fc，ε0分别为混凝土轴心抗压强度及其对应的混凝土压应变.

3.3 计算公式

根据3.2节中的计算模型，可得试件屈服时底部截面各部分的受力情况.受压区混凝土压应力合力为

式中，bw为腹板截面的宽度;b'f，h'f分别为受压翼缘截面的宽度和高度;t为连接钢框钢板的厚度.

截面所有竖向钢筋合力为

受压区混凝土压应力对屈服钢筋弯矩为

截面所有竖向钢筋对屈服钢筋弯矩为

根据力的平衡条件可得

式中，Vy为屈服荷载.

由式(4)～(8)可得，Vy=321 kN.

4 极限抗剪承载力

4.1 基本假定

在试验研究的基础上，进行如下假定:

1)同2.1节中假定1).

2)抗剪抵抗机构由混凝土斜压杆、分布筋拉杆以及拉、压翼缘组成.腹板由斜压杆Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ组成，根据受力特性和局部平衡条件，忽略斜压杆Ⅱ，Ⅲ的作用，斜压杆具有相同的倾角θ，根据文献［10］，θ=tan－1(0.72H/hweb+0.4)，其中hweb为腹板截面高度.斜压杆的有效抗压强度σ=αfc，其中α为混凝土压杆有效强度系数，根据文献［11］，取α =0.62.

3)受压翼缘根部在上端(翼缘内嵌边框)与下端(地梁)的强约束下，发生类似短柱的剪切破坏.受拉翼缘下端的竖向钢筋受拉屈服，不考虑其抗剪作用.

4)腹板底部受拉区竖向分布钢筋均受拉屈服，受压区竖向分布钢筋均受压屈服.

4.2 计算模型

定义斜压杆Ⅰ底部水平长度与hweb的比值为腹板水平受压区长度系数，记为ξ;斜压杆Ⅰ受压翼缘侧的竖向高度与H的比值为翼缘竖向名义受压区高度系数，记为β.试件达到极限抗剪承载能力时的计算模型如图7所示.图中，hf为受拉翼缘截面高度;fsv，f'sv分别为腹板底部受拉、受压区竖向分布筋的拉、压力集度;τbh，σbv分别为斜压杆Ⅰ底部的水平剪力和垂直压力集度;σrh，τrv分别为斜压杆Ⅰ右侧对受压翼缘根部的水平侧压力和竖向剪力集度;为受拉翼缘根部轴拉力;为受压翼缘下端的抗剪承载力;为受压翼缘根部轴压力;为受压翼缘下端短柱高度.在水平剪力V和竖向轴压力N的作用下，试件的受力部分主要由受拉翼缘、受压翼缘、混凝土斜压杆Ⅰ、腹板双向钢筋、连接件等组成.

图7 计算模型

4.3 计算公式

4.3.1 各抗剪要素的受力

根据4.2节中的计算模型，各抗剪要素受力为

式中，ρsv为腹板竖向分布筋配筋率;fyv，f'yv分别为腹板竖向分布筋抗拉、抗压屈服强度;tw为腹板厚度;As为受拉翼缘竖向钢筋面积;fy为受拉翼缘竖向钢筋屈服强度.

4.3.2 翼缘竖向名义受压区高度系数

假定加载梁为刚体，翼缘与腹板顶部轴压力按面积分配，则受压翼缘顶部轴压力为

式中，A'f，Af，Aw分别为受压翼缘、受拉翼缘与腹板的截面积.

取受压翼缘为隔离体(见图8)，由水平力和竖向力平衡条件可得

图8 受压翼缘下端计算简图

根据4.1节中的假定3)，Vrc可按短柱计算.参考规范［9］中计算公式，并忽略箍筋贡献项.根据Ncr的大小，分为低轴压与高轴压2种情况.

1)低轴压(Nrc≤0.3fcA'f)情况下，有

式中，h'f0为受压翼缘截面有效高度;λ=(2h'f0).

由式(11)和(12)，可得

将式(14)代入式(11)，可得

4.3.3 腹板水平受压区长度系数

根据整体试件的竖向力平衡条件，可得到腹板受压区相对高度系数为

4.3.4 极限抗剪承载力

根据4.2节中的计算模型，试件的极限抗剪承载力由混凝土斜压杆Ⅰ下端抗剪承载力ξhweb和受压翼缘根部的抗剪承载力两部分组成，即

式中，根据低轴压与高轴压2种情况分别按式(12)和式(14)取值.

由式(17)可求得，Vm=417 kN.

5 理论值与试验值比较

开裂荷载、屈服荷载以及极限抗剪承载力的计算值与试验值比较结果见表1.开裂荷载试验值取受拉翼缘出现首条水平裂缝时的水平荷载;屈服荷载试验值取受拉翼缘外侧竖向钢筋屈服时或荷载-位移曲线出现明显拐点时的水平荷载，正反向屈服荷载取相同值;峰值荷载试验值取荷载-位移曲线上峰值点对应的水平荷载.

表1 理论值与试验值对比

由表1可见，试件开裂荷载、屈服荷载以及峰值荷载的试验值与理论值误差较小，即使计入反复荷载作用下承载力小幅降低这一因素，误差仍在可接受范围内，故本文提出的计算模型及计算公式是合理的.试件WV-2的正向开裂荷载偏高，可能是由于试验中没有能够及时观察到首条水平裂缝所致.试件WV-2的正反向极限抗剪承载力都明显低于试件WV-1，除随机因素外，可能存在以下2个方面的原因:①在制作试件时，后浇筑试件WV-2，此时混凝土已经稍许干涩，为震捣密实，添加了少量自来水，故其实际强度低于试件WV-1，由此导致试件WV-2的极限抗剪承载力较低;② 试件WV-2高强螺栓的数量为试件WV-1的1/2，高强螺栓的数量影响了试件腹板斜裂缝的发展，进而影响试件的极限抗剪承载力.

6 结论

1)连接钢框与高强螺栓及内嵌边框间均未发生相对滑移，连接件(内嵌边框、高强螺栓以及连接钢框)有效地传递了翼缘与腹板之间的相互作用力，保证了二者的协同工作.这种新型竖向缝连接方案可行.

2)试件破坏模式为受压翼缘根部在轴压力与水平剪力共同作用下的类似短柱剪切破坏，腹板最终发生沿水平缝的剪切破坏.该破坏模式影响了试件的抗震性能，可通过一定的构造措施予以改善.

3)基于最大拉应力理论并作一定折减的开裂荷载计算公式以及基于平截面假定的屈服荷载计算模型能较准确地计算试件的开裂荷载和屈服荷载.基于混凝土斜压杆的计算模型能较好地模拟实际配筋和受力情况下试件的极限抗剪承载力.

4)连接件的局部受力状态还有待进一步探索研究.

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Experimental and theoretical study on shear capacity of vertical joints in IPSW system

Sun Jian Qiu Hongxing Xu Jiapeng
(Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:In order to verify the feasibility of vertical joints in an innovative precast shear wall(IPSW)system and investigate their seismic behaviors，two specimens were manufactured and low-cyclic reversed loading tests were carried out.The test results show that the connectors between the flange wall panel and the web wall panel，including the embedded limbic steel frame，the highstrength bolt and the connecting steel frame，can effectively transfer the interactional forces between the two wall panels and make them work cooperatively.Based on the maximum tensile stress theory，the plane cross-section assumption and the equilibrium condition of forces，and the shear resistant mechanism and the equilibrium condition of forces，the calculation models and theoretical formulas for the cracking load，the yield load，and the ultimate shear capacity were deduced，respectively.The results show that the test values of the cracking load，the yield load，and the ultimate shear capacity agree well with the corresponding theoretical values.Therefore，the novel scheme of vertical joints in IPSW system is feasible，and the calculation models and theoretical formulas for characteristic loads are reasonable.

Key words:precast shear wall;vertical joints;embedded limbic steel frame;high-strength bolt;connecting steel frame;shear capacity

中图分类号:TU398.2

A

1001－0505(2014)03-0631-07

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.03.032

收稿日期:2013-11-19.

孙建 (1984—)，男，博士生;邱洪兴(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，Qiuhx@seu.edu.cn.

孙建，邱洪兴，许家鹏.IPSW结构竖向缝连接抗剪承载力试验及理论研究［J］.东南大学学报:自然科学版，2014，44(3):631-637.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.03.032］