预制预装修模块化箱体连接节点力学性能试验研究

2022-11-15段良杰郁有升付长春

青岛理工大学学报 2022年5期

段良杰，郁有升,*，王涛，付长春

(1.青岛理工大学土木工程学院，青岛 266525；2.青岛青建理工建筑工业化研究院有限公司，青岛 266033)

装配式建筑具有现场施工人数少以及施工速度快等优点，在我国得到大力发展。PPVC(Prefabricated Prefinished Volumetric Construction)指预制预装修模块化箱体，是将一个可运输尺度内的完整房间在预制工厂进行组装加工、装修、安装固定设备，达到模块内精装修入住前的程度后再运到工地进行现场吊装[1]，类似于搭积木。箱式模块大部分在工厂预制，装配率高，能大大减少现场施工作业，有利于环境保护。

箱式模块之间的连接主要靠预埋件以及连接件把来自相邻的两个模块的混凝土墙连成一体来承受楼板传递来的荷载[2]，如图1所示。 PPVC的连接主要分为上下模块之间的连接，如模块2与模块3；水平模块之间的连接，如模块1与模块2。墙1与墙2之间的连接方式为波纹管内插入钢筋并在波纹管内灌浆，如图2所示，此种墙体厚度往往在20 cm左右；墙5与墙6之间的连接方式为软索拉环内插入钢筋并进行灌浆，此种墙体厚度较为单薄，单片墙体厚度在9 cm左右，墙体的结合面位置处采用花纹钢板做底模，对其作刻印花纹处理，以增加结合面的粗糙程度，如图3所示。目前国内针对预制装配式墙体的连接形式及结合面处的抗剪性能进行了大量的试验探究，淡浩等[3]设计制作了3个整浇对比试件以及48个采用不同粗糙度处理的试件对其进行直剪试验，研究表明采用冲射露骨料的方法其结合面的抗剪性能最优，结合面处的空隙表面积越大，其抗剪能力越好；陈峰等[4]设计制作了以自密实混凝土(SCC)进行新老混凝土连接的试件，对其进行直剪试验研究，试验结果表明，自密实混凝土与老混凝土的黏结性能优于普通混凝土，提出了自密实混凝土与老混凝土黏结抗剪强度的计算式；黄远等[5]对采用3个墙与墙软索连接以及三个楼板与楼板软索连接的试件进行了静力加载试验，试验结果表明，拼缝抗剪承载力主要由软索受拉产生的界面抗剪摩擦力和软索自身的销栓力组成；曹春利等[6]对双面叠合剪力墙水平连接节点和现浇连接节点进行竖向荷载及循环剪切荷载的试验，表明灌浆层和上下墙体的交界面出现水平裂缝，水平连接节点与现浇节点抗剪承载力一致。

图1 模块拼装

图2 墙体上下连接

图3 墙体水平连接

目前PPVC建筑已在新加坡得到广泛应用，但还未在我国得到大力发展，其不同模块墙体的连接性能是否符合我国规范还有待于进一步的验征。国内针对墙体的连接已经做了大量的研究[7]，但是对于墙体水平连接靠软索拉环内插入钢筋并进行灌浆的方式，国内的研究还较少。因此本文设计制作了2个直剪试验试件、2个轴压试验试件、1个压剪试验试件进行试验研究，分析其在不同加载方式下连接节点的力学性能。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

直剪试验试件由400 mm×400 mm×400 mm方形试块组成，在其结合面位置处采用花纹钢板对其表面做粗糙处理，如图4所示。轴压与压剪试验试件均采用花纹钢板对结合面做粗糙处理。轴压试验试件的长、宽、高分别为200，500，2000 mm，拉环沿墙体高度每隔500 cm布置，配筋及其尺寸如图5所示。压剪试验试件由加载梁、双皮墙体以及地梁组成，配筋及其尺寸如图6所示。

图4 直剪试验试件(单位：mm)

图5 轴压试验试件(单位：mm)

图6 压剪试验试件(单位：mm)

压剪试验试件由于制作过程较为复杂，故对压剪试验试件制作过程作一定说明。首先对墙体下半部分进行拼装，将墙体下半部分软索拉环扣出，如图7(a)所示；其次在对接位置处插入插筋，控制墙体间隙为20 mm，如图7(b)所示，利用密封胶将墙体底部四周拼接缝位置处密封，对下半部分墙体进行灌浆；最后将插筋插入上半部分墙体拉环对接处，并采用槽钢将其与下半部分墙体暂时固定，墙体上下拼缝之间预留20 mm空隙，在拼缝位置处进行密封处理并进行灌浆，如图7(c)所示。

图7 压剪试验试件的制作过程

1.2 试件的加载方案与量测内容

1.2.1 直剪试验

将400 mm×400 mm×400 mm的立方体试件置于直剪试验加载装置上。竖向荷载作用于顶部150 mm×400 mm的钢板上，不断进行加载直至试件破坏。

1.2.2 轴压试验

正式加载试验之前先进行预加载，加载至预估承载力的15%，然后再进行正式加载，当加载至其极限承载力的70%以后，停止加载,观察在竖向荷载作用下的试验破坏现象。

1.2.3 压剪试验

试件的竖向荷载由试件顶部的液压千斤顶施加，水平荷载由液压伺服作动器施加。在加载过程中首先进行预加载，观察各仪器是否正常，然后进行正式加载。先施加竖向荷载，并保持竖向荷载不变，通过分配梁与加载梁将荷载均匀加到墙体顶部，再进行水平荷载的施加，当墙体的承载力降到其极限承载力的85%时停止加载[8]。为了防止地梁产生位移，在地梁两侧各设置千斤顶，地梁上部设置压梁，如图8(a)所示。

在加载梁、墙体以及地梁位置处分别布置位移计；布置竖向钢筋及水平拼缝位置处的混凝土应变片，如图8(b)所示。

图8 压剪试验装置

2 试验现象与破坏模式

2.1 直剪试验

在试件加载过程中，结合面处的剪应力主要靠预制混凝土与灌浆料之间的黏结力，裂缝首先产生在试件顶部，最后新老混凝土结合面处发生突然性的剪切破坏。从图9中可以看出，新老混凝土之间的结合面

图9 直剪试验试件的破坏现象

为该试件的薄弱位置，部分灌浆料被包裹在预制混凝土的凹槽里，试件角部位置发生混凝土压碎现象。

2.2 轴压试验

在试件加载初期，试件表面无明显变化，此时正处于弹性阶段。随着位移荷载的增加，墙体侧表面开始出现裂缝，随着位移荷载不断增加，裂缝也不断延伸与发展，最终延伸至预制墙体与灌浆料结合面位置处，同时墙体加载端的角部混凝土开始出现压碎现象。在轴压荷载的作用下，预制墙体与灌浆料未出现明显的竖向裂缝，如图10所示。

图10 轴压试验试件的破坏现象

2.3 压剪试验

在水平位移加载到6 mm左右时，墙体无裂缝出现。在水平位移加载到7 mm左右时，墙体西侧水平缝位置处出现一条水平裂缝，并随着位移荷载的增加，不断延伸与发展，在延伸至截面2/3位置处时，沿与水平夹角呈60o向墙体下部延伸。当水平位移加载至10 mm左右时，墙体西侧与水平缝交接位置处，墙体上半部分混凝土局部出现竖向裂缝，并伴有混凝土脱落现象，与此同时，墙体东侧下半部分墙体也开始出现混凝土鼓裂脱落现象。当水平位移加载到13 mm左右时，墙体西侧水平缝位置处开始出现一定的滑移，墙体西侧上部分墙体产生一定的翘曲，混凝土也出现大量脱落现象，此时墙体东侧底部混凝土被压碎。当水平位移加载到15 mm左右时，墙体承载力下降到极限承载力的85%，停止加载，此时试验结束，如图11所示。

图11 压剪试验试件的破坏现象

3 试验结果及承载力分析

3.1 直剪试验

由图12可以看出，加载阶段前期，曲线上升较为缓慢，随着荷载的增加，曲线斜率逐渐上升，最终试件在达到其极限抗剪强度时，试件发生突然性的脆性破坏，无延性发展。2个试件的极限抗剪承载力分别为337.1，303.2 kN。结合面所承受的极限剪应力为τ=F/2A，分别为1.05，0.95 N/mm2，其中F为极限抗剪承载力，A为结合面面积。

图12 直剪试验试件的荷载位移曲线

3.2 轴压试验

由图13可以看出，在加载阶段初期曲线斜率较低，随着位移的增加，曲线斜率有所增加；当2个试件的位移达到4～5 mm左右时，曲线存在一定的下降阶段；当达到试件的极限承载力时，试件承载力下降迅速，试件的极限承载力分别为2888,3116 kN，墙体破坏的本质是混凝土两端被压碎。

图13 轴压试验试件的荷载位移曲线

3.3 压剪试验

由图14可以看出，在加载阶段初期曲线斜率基本呈线性分布，表明此阶段墙体还处于弹性阶段；随着位移的增加，曲线斜率有所降低，表明墙体的刚度有所下降，墙体的最大水平抗剪承载力为203 kN，试件的极限位移为15.28 mm。

图14 压剪试验试件的荷载位移曲线

3.4 拼缝连接性能分析

从轴压试验以及压剪试验破坏现象可以看出，墙体的竖向拼缝位置处未出现竖向裂缝，表明采用软索拉环内插入钢筋并进行灌浆的方式能够将墙体连接在一起。在压剪试验中，墙体之间的上下连接部位出现水平裂缝并存在水平滑移，由于水平拼缝处的滑移，使得水平拼缝位置处的插筋承受拉(压)剪复杂内力，造成了此位置处的钢筋过早屈服；墙体右侧水平缝位置处混凝土承受了较大的压剪内力，过早发生了压碎而提前退出工作，墙体的薄弱位置在水平拼缝位置处；拼缝位置处主要靠界面之间的黏结力、钢筋的销栓作用力、混凝土与灌浆料之间的界面摩擦力来抵抗水平剪力；由图15可知，墙体水平缝位置处左侧混凝土承受拉应力，右侧呈受压应力，因此水平裂缝由左侧向右侧延伸且左侧部分墙体向上翘曲。