墙身竖向混合布筋的灌芯装配式混凝土剪力墙抗震性能研究*

2022-02-03孟凡林殷承诺李兆杰

工业建筑 2022年9期

孟凡林殷承诺徐帅李兆杰

(吉林建筑大学土木工程学院，长春 130118)

我国装配式建筑市场发展潜力巨大，装配式混凝土剪力墙结构具有抗侧刚度大、承载能力强、室内空间规整的优势，成为我国预制混凝土结构民用住宅中应用最为广泛的结构形式之一[1]。国内外学者对预制剪力墙相关的研究和工程实践应用表明，装配式空心剪力墙结构施工连接方便可靠，结构整体性好，符合国家住宅产业化发展方向。张微敬等[2]通过对4片单片无竖缝试件和4片双片含竖缝拼装试件的拟静力试验，验证出设置现浇暗柱的圆孔板剪力墙位移延性系数达到5，极限位移角大于1/100，抗震性能良好，可在抗震设防地区用于房屋建筑。初明进等[3]对装配式混凝土空心模剪力墙进行了抗震性能和抗弯性能试验研究，试验结果表明，预制墙和现浇墙的破坏过程和破坏形态相似，预制墙体底部水平接缝构造合理，能够应用于实际工程。黄灿灿等[4]对4片墙身竖向连接钢筋采用部分连接的预制剪力墙进行抗震性能研究，研究发现混合连接方式的钢筋连接数量对预制试件抗震性能的影响很小，抗震性能较好。孟凡林等[5-7]对灌芯装配式混凝土剪力墙进行试验研究，结果表明：灌芯装配式混凝土剪力墙的构造方法和穿孔插筋的连接方式均能满足抗震规范设防要求。

目前，灌芯装配式混凝土剪力墙已应用到吉林、北京、天津、海南等多个地区的实际工程中。为使生产构件更高效，施工更方便，试验设计制作了1片现浇剪力墙试件和2片灌芯装配式混凝土剪力墙试件，研究其抗震性能。其中一片灌芯剪力墙改进竖向连接构造，将墙身一侧减少孔洞和连接，同时增大另一侧孔洞的连接钢筋直径以保证竖向受力可靠，通过采用墙身竖向混合布筋的方式减少连接。本文试验研究为灌芯装配式混凝土剪力墙规模化应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试件的设计与制作

为了研究竖向混合布筋的灌芯装配式混凝土剪力墙的抗震性能，设计并足尺制作了1个现浇整体混凝土对比试件SW1，2个布筋方式不同的装配式剪力墙试件SW2和SW3。其中SW2为对称布筋的灌芯装配式混凝土剪力墙，墙身孔洞间距布置一致，作为对比试件；SW3为墙板中间设置灌芯孔与不设孔洞的混合布筋方式的灌芯装配式混凝土剪力墙，底座外甩的竖向连接钢筋插入灌芯孔中，无孔洞的墙体部分不设置受力钢筋。3个足尺的剪力墙尺寸完全一致，均由地梁、墙身和顶梁组成，其中加载梁横截面尺寸为250 mm×300 mm；中间墙板厚度为200 mm，高度为2 600 mm，长度为1 100 mm，与顶梁的长度保持一致；地梁尺寸为 800 mm×500 mm，且每侧延伸出墙板外侧500 mm。装配式剪力墙的墙身竖向孔洞直径为89 mm，孔洞间距设为300 mm。试件平面如图1、立面及剖面如图2所示。3块试验墙体钢筋均为HRB400级钢，水平分布钢筋为10@300。SW1的边缘暗柱的配筋为416，竖向分布钢筋为8@200，SW2和SW3试件边缘构件穿孔插筋为每孔222，竖向分布钢筋为8@300。根据16G101-1《混凝土结构施工图》[8]，三级抗震的剪力墙钢筋连接的搭接长度不小于44.4倍直径，SW2和SW3的竖向连接插筋为10和14，搭接长度分别为445 mm、622 mm。两预制试件的竖向连接插筋埋入顶梁或地梁的一端均设置90°弯钩，弯钩长度分别为120 mm、168 mm。

a—试件SW1； b—试件SW2； c—试件SW3。图1 试件平面 mmFig.1 Plan of specimens

a—试件SW1； b—试件SW2； c—试件SW3。图2 试件立面及剖面 mmFig.2 The elevation and profile of specimens

1.2 材料性能

表1 混凝土立方体抗压强度Table 1 Compressive strength of concrete cubes

表2 钢筋强度实测值Table 2 Measured values of steel bar strength

1.3 加载制度

试验加载装置示意如图3所示，墙体试件采用200 t千斤顶施加轴压力，50 t液压伺服作动器施加往复水平力。各试件加载时的竖向轴压力根据轴压比、试件的混凝土强度和尺寸确定，其中轴压比为0.3，混凝土强度按规范[10]给出的换算公式由fcu,k确定，得出各试件竖向轴压力分别为735，1 100，850 kN。施加竖向轴压力保持恒定，然后采用位移控制模式施加水平方向低周反复荷载。当墙体位移角小于1/1 000时，加载的位移峰值取3，6，9，13 mm，每级水平力反复1次；当墙体角位移大于1/1 000时，每级加载的位移峰值取26，39，52，65，78，91 mm……，每级水平力反复2次，直至试件发生破坏。

图3 加载装置示意Fig.3 The schematic diagram of loading device

1.4 测点布置及量测内容

在试验中，利用实验仪器对竖向轴压力、水平荷载、钢筋应变、位移等参数进行量测，SW3的位移测点及钢筋应变测点布置见图4。荷载传感器读取施加于试件的荷载。试件的水平和竖向位移采用LVDT进行测量，D1～D5为位移测点，其中D1和D2测点距墙底550 mm，D3～D5为不同高度处的测点，均布置在墙体中心线上。试件底座在荷载作用下的位移以及墙体与底座之间的相对竖向位移用百分表(B1～B5)进行测量，B2、B3布置在墙底后浇缝处。

图4 位移及钢筋应变测点布置Fig.4 Arrangements of measuring points for displacement and strain of rebars

2 试验现象

剪力墙试件SW1～SW3在加载初期时处于线弹性阶段，此时位移计读数很小，墙体表面无变化。在荷载作用下，试件SW1的首条裂缝出现在墙身，试件SW2和SW3混凝土裂缝首先出现在墙体与底座之间的水平后浇缝处。加载至试件破坏之前，SW1墙身出现相对较多的裂缝，分布较密集，试件SW2、SW3墙身陆续出现裂缝。3个试件发生破坏时情况相似，墙底受压区混凝土破碎剥落，竖向钢筋发生弯曲。试件SW2和SW3墙身裂缝数量少于试件SW1。试件SW1～SW3破坏形态及裂缝分布见图5。

a—试件SW1； b—试件SW2； c—试件SW3。图5 试件破坏形态和裂缝分布Fig.5 Failure modes and crack distribution of specimens

2.1 SW1 试验现象

SW1试件的加载位移为正向3.40 mm时，墙体表面出现第一条斜向裂缝，此时开裂荷载为102.77 kN，位移角为1/809。试验位移加载至正向8 mm时，在试件的端部边缘构件和地梁的交界面出现水平裂缝。随着荷载不断增加，剪力墙试件从下至上出现多条水平和斜向裂缝。加载位移为负向12 mm时，出现第一条反向加载方向的水平弯曲裂缝。当位移加载至50 mm时，墙体底部受压区开始出现竖向裂缝，受压区竖向裂缝随着荷载增加，持续伸长变宽。加载位移达到70 mm，墙体底部受压区混凝土出现明显压碎现象，局部混凝土剥落，钢筋露出。当位移加载至80 mm第二次位移循环时，荷载下降至峰值荷载的85%，终止试验。

2.2 SW2 试验现象

SW2墙体底部与地梁的交界面出现第一条水平裂缝时，加载位移为负向1.98 mm，开裂荷载为30.50 kN，位移角为1/1 389。试验位移继续加载至26 mm，墙体与底座交接处的裂缝基本贯通，同时在墙身出现正反方向的水平弯曲裂缝。当试验位移加载至负向52 mm时，墙体两侧的底部受压区分别出现较严重的混凝土压碎现象。随着位移加载的进行，墙体底部受压破坏区域逐渐向上和向内扩展，同时在墙身形成多条交叉斜裂缝，边缘构件水平裂缝向上逐渐增多。当位移加载至78 mm第二次加载循环时，荷载下降至峰值荷载的85%以下，标志构件破坏。

2.3 SW3 试验现象

当位移加载至负向2.85 mm时，墙体底部与底座交接处首先出现水平裂缝，此时开裂荷载为44.69 kN，位移角是1/965。位移加载至6 mm时，墙体底部与底座交接处的裂缝继续延伸，并在正向加载受拉侧产生墙身的水平弯曲裂缝。当位移加载至26 mm时，墙体左右两侧分别出现多条水平裂缝，并且原有的水平裂缝向内侧下方继续延伸，形成斜裂缝。位移加载达负向26 mm时墙体底部受压区产生竖向裂缝，预制墙体与地梁交界面处水平裂缝贯通。在加载位移第二次达到26 mm加载循环时，墙体底部受压区有混凝土剥落现象，预制墙底部后浇缝处的水平裂缝宽度增大，相应的受压侧裂缝完全闭合。当位移加载达到65 mm，墙体底部的水平贯通裂缝宽度达到4 mm。位移加载到78 mm，受压侧混凝土继续剥落，试件边缘构件1根插筋被拉断，墙体试件破坏，试验停止。

3 试验结果及分析

3.1 滞回曲线和骨架曲线

图6为剪力墙试件荷载与水平位移关系的滞回曲线和骨架曲线。

a—试件SW1滞回曲线； b—试件SW2滞回曲线； c—试件SW3滞回曲线； d—试件SW1～SW3骨架曲线。图6 试件滞回曲线及骨架曲线Fig.6 Hysteresis curves and skeleton curves of specimens

1)试件进入屈服阶段后，滞回曲线的形状开始向“弓形”转化，并出现一定的捏拢现象，反映出墙身混凝土开裂和压碎等现象；3片剪力墙试件的滞回曲线形状相差不大，曲线捏拢现象的差别不明显，说明两片装配式混凝土剪力墙的抗震性能和现浇混凝土剪力墙相当；各试件的滞回曲线均较为饱满，说明有较好的耗能能力。

2)从骨架曲线可以看出，3个试件的初始曲线基本相同，说明装配式剪力墙灌孔插筋的连接方式对墙体的初始刚度基本没有影响。试件SW1和SW3的骨架曲线较接近，峰值荷载均低于试件SW2，主要是因为两试件受到的竖向轴压力小于试件SW2。

3.2 承载能力

表3为各剪力墙试件的开裂荷载、屈服荷载、峰值荷载以及峰值荷载下的剪力墙底截面弯矩试验值Mt和计算值Mc，Mc由受弯构件基本假设和截面平衡条件计算。由计算的结果可知，试件SW1和SW3的承载力相比于试件SW2较低，SW1和SW3的屈服荷载值、峰值荷载值相近，说明墙身混合布筋试件的受力性能比墙身对称布筋的试件稍差，但能够满足承载性能的要求。

表3 剪力墙试件承载力试验值Table 3 Test values of bearing capacity of shear wall specimens

3.3 变形能力

位移角θ=Δ/H，墙体底部到加载点(顶梁截面中心点)的高度H为2 750 mm，Δ为试件顶点水平位移。墙体顶点的开裂位移Δcr(位移角θcr)、屈服位移Δy(位移角θy)、峰值位移Δmax(位移角θmax)、极限位移Δu(位移角θu)和位移延性系数μΔ如表4所示，其中μΔ=Δu/Δy。

表4 试件位移、位移角及延性系数Table 4 Displacement, displacement angles and ductility coefficients of specimens

所有试件的水平位移延性系数满足钢筋混凝土结构的延性比大于3的要求[11]；各试件开裂时的位移角在1/793～1/524之间，大于抗震规范[12]对剪力墙结构弹性位移角限值1/1000；各试件的极限位移角在1/40～1/36之间，大于抗震规范[12]对剪力墙结构弹塑性位移角限值1/120，说明本次试验的试件SW1～SW3能够满足现行结构抗震规范[12]的设防目标要求。

3.4 刚度退化

图7为各试件的刚度退化规律曲线。结果表明：1)3个剪力墙试件的刚度退化规律相差不大，各试件在加载前期刚度退化较快，当位移角达到1/65时，各试件刚度退化速率减小，刚度值趋于一致。2)试件SW2和SW3的初始刚度要大于试件SW1，说明边缘构件穿孔插筋的配筋方式能够有效地减少墙体裂缝，增加墙体的刚度。试件SW2比SW3的刚度大，主要是因为制作SW2的混凝土强度偏高所致。