不同轴压比下榫卯接缝装配整体式剪力墙受弯性能试验研究

2021-11-17刘继良王宝民初明进张鹏飞李祥宾

工程力学 2021年11期

刘继良，王宝民，初明进，王博,4，张鹏飞，安宁，李祥宾

(1. 大连理工大学土木工程学院，大连 116024；2. 北京建筑大学未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044；3. 烟台大学土木工程学院，烟台 264005；4. 山东艾科福建筑科技有限公司，烟台 264005)

剪力墙结构的主要破坏形态有弯曲破坏、弯剪破坏、剪切破坏、剪切滑移破坏、平面外失稳破坏等[1]，其中弯曲破坏是延性破坏，为抗震设计的目标破坏形态。章红梅等[2]研究结果表明，随着轴压比的提高，墙体受弯承载力提高，但根部混凝土压溃区域增加，变形能力减弱。张云峰、李宏男等[3-4]研究结果表明，剪力墙发生弯曲破坏时具有较好的延性，但峰值荷载后根部混凝土压溃区域突然增加，墙体丧失承载力。

装配式剪力墙结构作为建筑工业化的重要结构形式，得到广泛应用[5-8]。刘继良等[9]对空心模剪力墙受力性能的研究表明，提高轴压比墙体的受弯承载力提高，根部混凝土压溃区域有所增加，耗能能力减弱；朱张峰等[10]对混合装配式剪力墙进行了试验研究，结果表明，随着轴压比的提高，墙体裂缝分布更加密集，峰值荷载时承载力突然丧失，滞回曲线无下降段；张锡治等[11]研究了复合齿槽U 型钢筋搭接连接装配式剪力墙的抗震性能，表明随着轴压比的提高，墙体斜裂缝数量增多，根部混凝土剥落面积增大。综上，轴压比对墙体受力性能影响显著，轴压比较大时，易于造成墙体在峰值荷载时根部混凝土压溃区域突然增大，承载力丧失。

榫卯接缝装配整体式剪力墙结构(以下简称榫卯剪力墙)是一种新型装配整体式剪力墙[12]，其以榫卯板为基本装配单元，榫卯板侧边设置榫卯构造，通过在榫卯构造的横向凹槽内设置连接钢筋，然后沿纵向孔洞穿插纵向钢筋，后浇筑混凝土实现不同装配单元的连接。轴压比对榫卯剪力墙受力性能的影响尚未开展研究。为明晰轴压比对榫卯剪力墙受力性能的影响，设计了4 个不同轴压比的榫卯剪力墙试件，进行恒定轴力作用下的拟静力试验，得到不同轴向荷载下墙体的破坏形态；研究轴压比对滞回性能、承载力、变形能力以及连接接缝受力性能的影响，以期为后期工程应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

设计了4 个现浇边缘构件的榫卯剪力墙试件，分别为试件PSW2、PSW3、PSW4 和PSW5；截面尺寸及配筋状况如图1 所示。试件由上部加载梁、中部墙体和下部地梁3 部分组成，其中上部加载梁截面尺寸为290 mm×300 mm；下部地梁截面尺寸为550 mm×600 mm。中部墙体截面为矩形，尺寸为200 mm×1400 mm，包括中间榫卯板和两侧现浇边缘构件，其中现浇边缘构件长度为400 mm。墙体高度为2800 mm，剪跨比为2.0。

图1 试件几何尺寸及配筋图Fig. 1 Dimension and reinforcement layout of specimens

榫卯板尺寸及配筋状况如图2 所示。墙板外缘截面尺寸为840 mm×2630 mm，纵向侧边为榫卯构造，由间隔设置的横向凹槽及靠近墙板侧边的纵向孔洞组成。根据接缝钢筋构造要求，方便预制构件制作和安装，横向凹槽间距为400 mm，从板面方向看为直角梯形，凹槽深度120 mm，外侧边长200 mm，内侧边长168 mm；墙板靠近纵向侧边设置100 mm×120 mm 矩形纵向孔洞，孔洞内侧边与横向凹槽底面在同一竖向截面内。墙板中线设置直径100 mm 纵向圆形孔洞，用于布置竖向插筋。墙板下部设置70 mm×120 mm通长水平凹槽。

图2 预制墙板截面尺寸及配筋图Fig. 2 Dimension and reinforcement layout of precast concrete slabs

试件按照强剪弱弯的原则设计，边缘构件纵向钢筋为6 14，其中2 根设置于预制墙板纵向孔洞内；横向凹槽内设置2 8 箍筋与纵向钢筋绑扎在一起。墙体水平分布钢筋和竖向分布钢筋配置于预制墙板内，分别为 8@170/230 和 8@200，竖向分布钢筋在墙板上端伸出长度280 mm，伸入加载梁内。

试件的变化参数为轴压比，试件PSW2、PSW3、PSW4、PSW5 的试验轴压比分别为0.10、0.15、0.25、0.30，对应的设计轴压比分别为0.18、0.27、0.45、0.54[13]，相应的轴向荷载分别为701 kN、1057 kN、1692 kN 和1814 kN。

1.2 材料强度

1.2.1 钢筋

钢筋实测屈服强度平均值fy、抗拉强度平均值fu及断后伸长率δ，如表1 所示。

表1 钢筋基本力学性能Table 1 Tested strength of reinforcements

1.2.2 混凝土

榫卯板和后浇混凝土的强度设计等级均为C30。制作试件时预留150 mm×150 mm×150 mm 的标准立方体试块，试验当天测得其抗压强度，如表2所示。

表2 混凝土基本力学性能Table 2 Test compressive strength of concrete

1.3 加载和测量方案

1.3.1 加载装置和加载制度

试验为恒定轴力作用下的拟静力试验，轴向荷载和水平荷载分别通过3000 kN 和1500 kN 千斤顶施加。试验时，首先施加50%的轴向荷载进行预压，5 min 后卸载至0，然后施加100%的轴向荷载，在试验中保持稳定。

水平荷载采用荷载-位移混合控制，初始阶段采用荷载控制，加载级差为150 kN，每一控制荷载循环1 次；待最外侧边缘构件纵向钢筋达到受拉屈服应变后，采用该级荷载对应的位移为屈服位移，进行位移控制加载，以屈服位移的整数倍为控制位移，每一控制位移循环2 次，直至加载结束。

1.3.2 测量方案

试件的位移和应变测点布置如图3 所示。位移计测点MD1 设置于加载梁高度中间位置，用于测量墙体加载点水平位移；测点HD3～HD6 处布置水平张开相对变形测量装置，其中测点HD3、HD4 分别设置于墙体东、西两侧距墙底500 mm高度位置处的横向凹槽底部，用于测量横向凹槽底部新旧混凝土结合面的水平张开相对变形；测点HD5～HD6 分别设置于墙体东、西两侧距墙底300 mm 高度位置处的横向凸起端部，用于测量横向凸起端部新旧混凝土结合面的水平张开相对变形。

图3 位移和应变测点布置图Fig. 3 Layout of measurement points of specimens

布置了11 个电阻应变片用于测量不同位置处钢筋应变，其中测点ES1、ES2 和测点WS1、WS2 分别测量东、西两侧边缘构件纵向钢筋应变；测点EV1、WV1 测量竖向分布钢筋应变；测点MS1 测量竖向插筋应变；测点EH2、WH2 测量水平分布钢筋端部应变；测点EH02、WH02 测量箍筋应变。测点ES1、ES2、EV1、MS1、WV1、WS1、WS1 在同一横截面内，距墙底高度200 mm，用于研究不同状态下，同一截面高度位置处的应变分布情况；测点EH2、EH02 以及WH2、WH02分别在相同竖向平面内，用于研究水平钢筋的应变传递状况。

试验数据采用静态应变采集系统DH3816N 采集，通过计算机实时记录。

2 试件破坏过程和破坏状态

试件发生弯曲破坏，峰值荷载时边缘构件纵向钢筋受拉屈服；破坏时根部混凝土轻微剥落，未出现较大面积的根部混凝土压溃现象。随着轴压比的提高，墙体根部混凝土受压破坏区域没有增加。

2.1 试件PSW3

试件PSW3 的试验轴压比为0.15，轴向荷载为1057 kN。试件破坏过程见图4。

图4 试件PSW3 裂缝开展状况及墙体破坏过程Fig. 4 Crack development and failure process of specimen PSW3

水平荷载达到2+295 kN、3-308 kN(试验先推后拉，“推”为“+”；“拉”为“-”；“2”表示循环)时，墙体两侧根部出现细微水平裂缝；水平荷载3-298 kN、3+315 kN 时，两侧边缘构件出现水平裂缝；水平荷载4-440 kN、4+486 kN，位移角1/373、1/354 时，横向凹槽底部新旧混凝土结合面开裂；水平荷载4-475 kN、4+433 kN 时，边缘构件水平裂缝延伸形成斜裂缝；水平荷载达到4+496 kN、4-485 kN 时，墙体两侧榫卯接缝多处横向凸起根部位置出现短细斜裂缝；水平荷载4-516 kN、4+486 kN 时，榫卯板中间竖向孔洞位置出现两方向相交的短细斜裂缝；水平荷载达到4-524 kN、4+542 kN 时，位移角1/217、1/262，最外侧边缘构件纵向钢筋受拉屈服。边缘纵筋屈服前，榫卯剪力墙表现出与钢筋混凝土剪力墙相似的裂缝开展特征[11]。

位移角达到1/115 时，榫卯接缝所有横向凸起根部均出现短细斜裂缝，横向凹槽底部新旧混凝土结合面开裂，但裂缝上下并未连通，墙体出现沿横向凹槽底部截面的宏观竖向裂缝，此时墙体根部混凝土出现细微竖向裂缝。位移角达到1/77 时，横向凸起根部和横向凹槽底部裂缝开展位置开始出现起皮、掉渣现象，此时水平荷载达到峰值荷载5-567 kN、5+635 kN，根部水平裂缝宽度约为2.25 mm，墙体两侧根部出现多条竖向裂缝。

峰值荷载后，横向凸起根部和横向凹槽底部混凝土剥落现象逐渐增多，加载点水平位移角达到1/58 时，混凝土剥落区域基本连通，形成沿横向凹槽底部截面的竖向裂缝，墙体两侧混凝土轻微剥落，水平荷载下降至峰值荷载的85%左右；随着墙体变形继续增加，沿宏观竖向裂缝的混凝土剥落区域逐渐增大；位移角达到1/46 时，边缘构件根部纵向钢筋压曲，保护层混凝土剥落，水平荷载下降至峰值荷载的73%，试验结束。

2.2 轴压比变化试件

图5 为各试件在峰值荷载、破坏状态时裂缝开展状况。试件PSW2、PSW4、PSW5 的破坏过程与试件PSW3 基本相似，均出现了根部水平裂缝、边缘构件水平裂缝、斜裂缝、横向凹槽底部竖向裂缝以及横向凸起根部斜裂缝等典型裂缝，但在裂缝出现荷载、裂缝出现顺序、局部破坏特征等方面差异性显著。

图5 各试件不同状态时裂缝开展状况Fig. 5 Crack development of specimens in different states

1)裂缝出现荷载：随着轴压比的提高，边缘构件水平裂缝、斜裂缝、横向凹槽底部竖向裂缝以及横向凸起根部斜裂缝的出现荷载显著提高。

2)裂缝出现顺序：各试件横向凸起根部短细斜裂缝均不早于横向凹槽底部竖向裂缝出现，且随着轴压比的提高，两种裂缝出现间隔逐渐缩短。

3)局部破坏特征：随着轴压比的提高，横向凸起根部短细斜裂缝与水平轴夹角逐渐减小；当位移角为1/100 左右时，横向凸起根部斜裂缝与横向凹槽底部竖向裂缝形成宏观竖向裂缝，且局部混凝土出现起皮、掉渣现象；随后横向凸起根部预制混凝土剥落；提高轴压比使预制混凝土的剥落现象加重，剥落区域加大(如图6 所示)，较早形成竖向裂缝。

图6 榫卯接缝位置混凝土剥落对比(θ=1/100)Fig. 6 Comparison of concrete spalling at mortise-tenon joints (θ=1/100)

4)根部混凝土压溃：竖向裂缝的形成减弱了根部混凝土压溃区域，增强了墙体的变形能力；随着轴压比的提高，根部混凝土压溃区域没有扩大，且没有出现由于混凝土压溃导致墙体承载力丧失的现象，即使试验轴压比达到0.30，墙体依然具有良好的变形能力。轴压力对榫卯剪力墙与钢筋混凝土剪力墙呈现不同的影响规律[2]。

3 试验结果分析

3.1 水平荷载-位移关系曲线

图7、图8 分别为水平荷载-水平位移滞回曲线和骨架曲线。通过曲线对比可以看出：

图7 各试件水平荷载-水平位移滞回曲线Fig. 7 Top lateral force-horizontal displacement hysteretic curves of specimens

图8 各试件水平荷载-水平位移骨架曲线Fig. 8 Skeleton curve of horizontal load-horizontal displacement

1)滞回曲线较为饱满，墙体表现出良好的耗能能力；与钢筋混凝土剪力墙不同[2]，榫卯剪力墙的水平荷载-水平位移骨架曲线具有明显下降段。

2)轴压比对滞回曲线和骨架曲线影响显著，随着轴压比的提高，受弯承载力逐渐提高，峰值荷载前刚度显著增加，但峰值荷载后承载力下降加快。

3)试件PSW4、PSW5 的滞回曲线和骨架曲线基本重合，表明当轴压比超过0.25 时，其对承载力、刚度和变形能力的影响有减弱迹象。

3.2 承载力及变形能力

各试件主要试验结果详见表3。屈服点采用能量法确定[14]；破坏点为骨架曲线上水平荷载下降至峰值荷载85%时对应的状态点；位移延性系数μ为破坏点位移与屈服位移的比值。通过对比可以看出：

表3 各试件主要试验结果Table 3 Test result of specimens

1)随着轴压比的提高，位移延性系数有所降低，但均大于6.5，延性良好[14]。

2)破坏点位移角为1/47～1/61，显著大于《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2011)[15]规定的罕遇地震下剪力墙的弹塑性层间位移角1/120 的限值，榫卯剪力墙具有良好的变形能力。

3)与试件PSW2 相比，试件PSW3、PSW4、PSW5 的峰值荷载分别提高了19.3%、38.4%、38.9%，表明提高轴压比可提高受弯承载力，但试验轴压比大于0.25 时，增幅减小。

3.3 刚度分析

图9 为各试件刚度退化曲线，通过对比可以看出：

图9 刚度退化曲线Fig. 9 Stiffness degradation curve

1)位移角小于1/85 时，提高轴压比有助于提高墙体刚度，这是由于轴压比的提高限制了裂缝开展，对提高墙体刚度产生有利作用。

2)随着加载点位移增加，试件刚度逐渐降低，但提高轴压比加快了刚度退化速率。

3)试件PSW4、PSW5 刚度退化曲线基本重合，表明当轴压比达到一定限值后，提高轴压比对墙体刚度影响不明显。

3.4 轴压比对榫卯接缝连接性能的影响

榫卯接缝位置处存在新旧混凝土结合面，在横向凹槽底部和横向凸起端部新旧混凝土结合面位置分别设置测点HD4、HD6，用于测量新旧混凝土结合面两侧墙体水平张开相对变形，测点布置详见图3，测量结果如图10 所示。榫卯接缝内还设置钢筋应变测点EH02、EH2、WH02、WH2，用于测量水平钢筋和箍筋应变，测点布置见图3，测量结果如图11 所示。通过对比可以看出：

图10 水平位移角-水平张开相对变形关系曲线Fig. 10 Relation curves of horizontal displacement anglehorizontal relative deformation

图11 水平钢筋应变测量结果Fig. 11 Strain of horizontal reinforcement

1)位移角为1/1000 时，测点HD4、HD6 的水平张开相对变形为0，而测点WH02、WH2 的钢筋应变均小于100 με，在正常使用阶段榫卯接缝保持整体性；位移角为1/780～1/560 时，测点HD4、HD6 处水平张开相对变形为0.10 mm，测点WH02、WH2 的钢筋应变均小于200 με，榫卯接缝仍保持整体性。

2)峰值荷载前，测点EH02 与EH2、测点WH2与WH02 的水平钢筋应变测量结果基本重合，表明榫卯接缝能够有效传递钢筋应力。

3)加载点位移角小于1/100 时，轴压比对测点HD4 处水平张开相对变形无显著影响规律；但对测点WH2 处水平钢筋应变影响规律明显，随着轴压比的提高，钢筋应变有所增加。

4)加载点位移角大于1/100 时，随着轴压比的提高，测点HD4 处水平张开相对变形以及水平钢筋应变逐渐增加，与墙体破坏现象一致。

5)与横向凹槽底部所在竖向界面相比，横向凸起端部新旧混凝土结合面位置处的破坏现象明显减弱，测点HD6 处的水平张开相对变形明显小于测点HD4，而轴压比对这一位置处水平张开相对变形影响规律并不显著。

6)试件PSW4 在测点HD4 处水平张开相对变形和水平钢筋应变的测量结果与试件PSW5 基本相当，表明轴压比达到一定值后，对榫卯接缝受力性能影响较小。