双皮拼装剪力墙抗震性能试验研究*

2023-06-13郁有升段良杰张纪刚付长春陈德刚

工业建筑 2023年3期

郁有升段良杰张纪刚王涛付长春陈德刚

(1.青岛理工大学土木工程学院,山东青岛 266033;2.腾远设计事务所,山东青岛 266033;3.青建理工建筑工业化研究院有限公司,山东青岛 266033)

对于PPVC体系而言,构件之间的连接非常重要,连接可靠与否,直接影响到结构安全。箱式模块之间主要靠预埋件及连接件,它们把相邻两个箱式模块的预制墙连成一个整体,[2]双皮拼装剪力墙是不同预装修箱式模块之间水平连接的构件,该构件由预制混凝土墙、软索拉环、插筋以及墙体间的灌浆料组成,该墙体连接形式在现场装配施工过程中极为方便。目前,国内外研究人员已开展了对装配式剪力墙连接的研究,并提出多种连接形式。黄远等研究了软索锚环-后浇砂浆的全装配构件连接形式,结果表明：预制构件采用较高强度等级的混凝土、减小软索锚环的间距、增大软索锚环配筋率可提高界面抗剪承载能力。[3]王滋军等对1个现浇剪力墙和4个双面叠合剪力墙在轴压比为0.2的条件下进行低周往复加载试验,结果表明：叠合剪力墙与现浇剪力墙相比,其破坏特征基本相同,各抗震性能指标均相近,达到了等同现浇的目的,在承载力方面,竖缝拼接叠合剪力墙优于整体叠合剪力墙。[4]薛伟辰等对双面叠合混凝土剪力墙平面内和平面外进行低周往复加载试验,结果表明：双面叠合混凝土剪力墙试件与现浇混凝土剪力墙试件破坏模式基本相同,均发生弯曲破坏,双面叠合混凝土剪力墙试件各抗震性能指标均好于现浇剪力墙。[5]王平山等对16个双面叠合剪力墙进行低周往复加载试验,结果表明：合理设计下的双面叠合剪力墙结构抗震性能优异,其整体性能好,搭接钢筋能满足受力要求,较小的轴压比对结构抗震不利。[6]Vaghei等使用有限元软件对预制混凝土墙体箍筋插销和预埋型钢构件螺栓竖向连接形式进行分析,并在型钢接触部分增加了橡胶垫,通过模拟发现预埋钢板螺栓连接试件同箍筋插销连接形式相比,墙体耗能能力提高127%。[7]Harrild等研究了通过箍筋插销和抗剪键槽的剪力墙竖向连接形式,对剪力墙结合面进行抗剪试验,发现钢筋能承担较大的剪切应力,同时抗剪键槽的深度不同结合面的破坏形式也不同。[8]

目前,PPVC体系在新加坡得到了广泛的应用,但该国家未考虑抗震,对于该结构体系是否符合我国的相关抗震设计标准还须进一步的验证。基于此,设计制作了4个双皮拼装剪力墙和1个现浇剪力墙,并进行低周往复加载对比试验,分析灌浆料等级、轴压比以及插筋直径对其承载力、延性、刚度、耗能能力以及破坏特征的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

在4个双皮拼装剪力墙试件和1个现浇墙中：SW-1为普通现浇混凝土墙;SQ-1～4为双皮拼装剪力墙,试件的插筋直径、灌浆料强度等级、轴压比基本参数见表1。单片墙体厚为80 mm,双皮拼装剪力墙体间灌浆料厚为20 mm,试件墙体的混凝土强度等级为C30,钢筋为HRB400,试件的高宽比为1.6。在试件浇筑混凝土过程中采用花纹钢板作模板对墙体结合面处进行粗糙处理,以增加结合面的黏结能力。双皮拼装剪力墙和现浇墙的尺寸及配筋如图1所示。

a—双皮拼装剪力墙几何尺寸：b—双皮拼装剪力墙体配筋;c—墙体连接示意;d—1—1剖面;e—现浇剪力墙几何尺寸;f—现浇墙体配筋。图1 试件几何尺寸及配筋 mmFig.1 Dimensions of specimens and arrangements of rebars

1.2 材料性能

根据相关标准[9-10]对材料的力学性能进行了测试,测得钢筋力学性能参数见表2;C30混凝土、C40、C60灌浆料的立方体抗压强度见表3;软索拉环钢丝绳的抗拉强度见表4。

表2 钢筋力学性能指标Table 2 Mechanical property indexes of rebars

表3 混凝土立方体抗压强度Table 3 Compressive strength of standard cube blocks of concrete MPa

表4 钢丝绳抗拉强度Table 4 Tensile strength of wire ropes

1.3 试件制作

首先在钢模具下方铺垫花纹钢板并绑扎钢筋(包括加载梁、地梁、墙体),然后浇筑混凝土,当混凝土强度达到预期强度之后,将单片预制墙体放置指定拼装位置,将软索拉环拉出,并将两片预制墙体对接,预留2 cm空隙,在软索拉环对接处插入插筋,然后在加载梁顶部灌浆。

1.4 试件的安装和加载方案

试件的加载装置如图1所示,竖向荷载由竖向千斤顶作用在分配梁上,再由分配梁分配到试件上,千斤顶上、下两端采用滑动导轨,保证不会因千斤顶的作用而对其水平位移产生约束。水平荷载通过水平作动器施加,水平作动器一端与反力墙相连,另一端作用在分配钢梁上,再通过分配梁传递给试件。为了保证试件在试验过程中不发生位移,在地梁的两侧设置千斤顶,地梁的上部设置压梁,以增加与地面的摩擦阻力,减少地梁的滑移。试件现场安装见图2。

图2 试验装置Fig.2 Test devices

根据JGJ/T 101—2015《建筑抗震试验规程》[11]规定：先对试件进行预加载,再进行正式加载。正式加载过程中,竖向荷载保持不变,水平荷载采用位移控制,每一级的位移为2 mm,每级位移循环两次,作动器所受反力下降到极限荷载的85%时,认为试件破坏,加载终止,以作动器推为正,拉为负,加载制度见图3。

首先，城乡二元经济结构造成城市和乡村发展水平不平衡。一直以来，国家重视城市发展，政策向城市倾斜，经济投入多，造成城市、县城、农村经济发展水平不平衡，城市最高，县城次之，农村最低。出于自身利益的考虑，学前教师倾向于选择城市幼儿园，从而使城市幼儿园拥有比县城幼儿园和农村幼儿园数量多、质量好的教师资源。

图3 试件的加载制度Fig.3 Loading procedures of specimens

1.5 量测内容

试验变形量测如图4所示,在加载梁作动器端的中部布置两个位移计D1、D2,测量其顶部位移;在墙体距地梁顶部0.8 m位置处分别布置两个位移计D3、D4,测量两侧墙体位置处的位移,两片预制墙体之间的相对滑移;在地梁中间处布置两个位移计D5、D6,测量地梁是否会发生滑移。

图4 位移计布置 mmFig.4 Arrangements of displacement gauges

为更加充分了解墙体内部受力变化情况,距地梁底部100,300,800,1 500 mm位置处,对纵筋以及插筋布置应变片,对距离地梁顶部200 mm处的拉环布置应变片,应变以受拉为正,如图5所示。

图5 应变片布置Fig.5 Arrangements of strain gauges

2 试验现象及破坏模式

2.1 双皮拼装剪力墙SQ-1

试件顶部施加水平位移到4.0 mm时,试件表面无裂缝产生;当水平位移加载到5.0 mm时,在试件底部首先产生一些微小水平、斜向短裂缝,此时试件所受荷载为277.9 kN;随着水平位移的增加,陆续产生一些新的裂缝,已有的裂缝不断延伸、开展;当位移加载到14.0 mm时,沿着墙体对角线方向产生较长的斜向裂缝,此时在双皮拼装剪力墙体接缝处产生多道竖向裂缝;当水平位移加载到19.0 mm时,沿着墙体另一对角线方向产生了一条斜向裂缝,与原有对角线裂缝形成了X形交叉主裂缝,拼缝位置处的裂缝继续延伸;随着水平位移的增加,墙体底部两端开始出现混凝土脱落现象;当水平位移加载至18.9 mm时,达到峰值荷载,为765.4 kN;当水平位移加载至23.8 mm时,墙体整体出现下沉现象,底部混凝土被压碎,钢筋受压屈服,如图6a所示,此时水平荷载降至峰值荷载的85%以下,试验结束,最终裂缝分布如图7a所示。

a—试件SQ-1;b—试件SQ-2;c—试件SQ-3;d—试件SQ-4;e—试件SW-1。图6 破坏形态Fig.6 Failure patterns

a—试件SQ-1;b—试件SQ-2;c—试件SQ-3;d—试件SQ-4;e—试件SW-1。数值为加载位移。图7 试件裂缝发展分布Fig.7 Crack development in specimens

2.2 双皮拼装剪力墙SQ-2

当试件顶部水平位移加载至6.0 mm时,试件表面无裂缝产生,试件此时处于弹性阶段;当水平位移加载至8.0 mm时,墙体底部与地梁交接处出现水平裂缝,沿着墙体对角线位置出现一条较长的斜向裂缝;当水平位移加载至12 mm时,在墙体底部产生一条延伸至墙体中部的斜向裂缝与原有对角线裂缝交会形成X形交叉裂缝,墙体侧面产生了多道短小的斜向裂缝且穿过竖向拼缝;随着水平位移的继续增大,不断有新的裂缝产生,同时原有的裂缝不断延伸、开展;当荷载达到24.0 mm时,墙体底部两端开始出现混凝土脱落,压碎现象,如图6b所示;当位移加载至32.0 mm时,水平荷载降至峰值荷载的85%以下,试验结束,最终裂缝分布如图7b所示。

2.3 双皮拼装剪力墙SQ-3

当试件顶部水平位移加载至6 mm时,试件表面无裂缝产生,试件此时处于弹性阶段;当试件顶部施加水平位移到8 mm时,在距离墙体底部12 cm处产生了一条水平贯通裂缝并且在地梁与墙体交接处产生了水平裂缝;当水平位移加载至12 mm时,距离墙体中下部分出现较多的与地梁纵轴呈30°方向的微小斜裂缝;随着水平位移的加载,已有的裂缝不断延伸扩展,裂缝整体呈对角线分布;当水平位移加载至24 mm时,已有裂缝继续扩展,墙体底部有混凝土压碎脱落现象,如图6c所示;当水平位移加载至34 mm时,试件的混凝土已严重压碎,不宜继续加载,最终裂缝分布如图7c所示。

2.4 双皮拼装剪力墙SQ-4

当试件顶部水平位移施加至6 mm时,施加表面无裂缝产生;当水平位移加载至8 mm时,距离墙体底部40 cm处产生了一条斜裂缝且沿着墙体贯通至墙体另一面,在墙体底部与地梁交接处产生了一条水平裂缝;当施加水平位移至12 mm时,产生了大量的微小斜裂缝,基本上与地梁纵轴呈30°左右;同时原有裂缝也继续延伸、开展,形成了大量交叉X形裂缝;当水平位移加载至16 mm时,墙体底部两端混凝土出现脱落现象;当水平位移加载至22 mm时,达到极限荷载,为650.29 kN,墙体底部两端混凝土被压碎,软索拉环露出,如图6d所示;当水平位移加载至30 mm时,水平荷载降至峰值荷载的85%以下,试验结束,最终裂缝分布如图7d所示。

2.5 普通现浇墙SW-1

当试件顶部水平位移施加至6 mm时,试件表面无裂缝产生;当水平位移施加至8 mm时,在墙体底端脚部位置产生一条斜裂缝;随着水平位移的增大,不断有新的斜裂缝产生,已有裂缝在不断延伸发展;当水平位移增加至22 mm时,沿着墙体对角线方向形成了X形交叉裂缝;墙体底端角部位置混凝土脱落、压碎;当水平位移增加至28 mm时,达到峰值荷载,为530 kN,如图6e所示;当水平位移增加至30 mm时,水平荷载降至峰值荷载的85%以下,试验结束,最终裂缝分布如图7e所示。

2.6 试验现象对比分析

对比以上五个剪力墙的破坏现象可以看出：

1)五个剪力墙中,SQ-1剪力墙表现出以压屈破坏为主的特征,墙体底部混凝土压碎,受压钢筋先于受拉钢筋屈服;其他四组剪力墙表现出以剪切破坏为主的特征,混凝土墙角底部被压碎。

2)在高轴压比的条件下,SQ-1试件拼缝处出现竖直裂缝,分析原因：由于SQ-1为第一个试件,在制作方面经验不足,未严格控制灌浆料的水灰比,施工质量较差;说明良好的施工质量及灌浆料的强度水平对于剪力墙整体性至关重要。

3)通过对五个剪力墙裂缝发展过程的观察,可以发现裂缝的形成和发展可分为三个阶段：第Ⅰ阶段为裂缝开裂阶段。混凝土刚刚开裂,仅有少量细小裂缝产生。第Ⅱ阶段为裂缝大量发展阶段。不断有新的裂缝产生,并且已有裂缝也不断延伸和发展。第Ⅲ阶段为裂缝扩展与墙体破坏阶段。墙体几乎不再产生新裂缝,已有裂缝不断加深和扩展,直至墙体破坏。

3 试验结果数据分析

3.1 各特征点荷载与位移

试件在试验各个阶段的荷载、位移见表5。其中Fc、Δc分别为墙体开裂荷载及开裂位移;Fy、Δy分别为墙体屈服荷载以及屈服位移;Fmax、Δmax分别为极限荷载和对应位移;Δu、Fu为极限位移及相应荷载,其中,屈服位移和屈服荷载采用割线刚度法求得,极限位移Δu为承载力下降至峰值荷载85%时墙顶的位移值,对于承载力未下降到峰值荷载85%即破坏的墙体,Δu为墙体破坏时的墙顶位移值,θ为层间极限位移角,延性系数是极限变形Δu与屈服变形Δy的比值,即μ=Δu/Δy。由表5可以看出：在同一轴压比的条件下,SQ-2试件与SW-1试件在极限承载力方面基本相当,SQ-2的极限位移高于现浇墙体;SQ-2与SQ-3相比,随着插筋直径的增加其极限荷载略有上升;双皮拼装剪力墙的延性均略高于现浇墙体,说明采用软索拉环、插筋的连接形式对于试件的延性性能有所提高;双皮拼装剪力墙的极限位移角在1/67～1/44内,均大于GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[12]中钢筋混凝土抗震墙结构弹塑性层间位移角限制1/120。

表5 各试件特征点的位移和荷载Table 5 Displacement and lateral loads at characteristic points of specimens

3.2 滞回曲线

对于五个试件的滞回曲线(图8),墙体开裂之前,试件滞回曲线狭窄细长,残余变形小,包围面积小,耗能较小,均成反S形,试件受到滑移影响,出现一定的捏拢效应,此时试件处于弹性阶段,斜率基本不变;开裂之后,滞回曲线斜率逐渐降低,说明墙体开始进入弹塑性阶段,试件屈服后,滞回环面积增大,耗能能力增加。对于试件SQ-1,由于其轴压比较高,其前期刚度较大,滞回曲线斜率较高,但其滞回环面积较小;对比相同轴压比试件SQ-2和SQ-3,前期滞回曲线斜率基本一致,由于插筋直径的增加,导致试件SQ-2极限位移高于SQ-3,但其承载力在达到峰值荷载以后,承载力下降更为明显;对于现浇墙体SW-1而言,其滞回曲线出现正、反不对称现象,分析原因可能为试件在制作过程及运输过程中存在初始缺陷,导致加载阶段推拉受力不均匀造成“推弱拉强”。

a—试件SQ-1;b—试件SQ-2;c—试件SQ-3;d—试件SQ-4;e—试件SW-1。图8 荷载-位移滞回曲线Fig.8 Load-displacement hysteretic curves

3.3 骨架曲线

试件的骨架曲线如图9所示,从中可以看出：在一定轴压比的范围内,试件的承载能力随着轴压比的提高而提高;对比SQ-2与SQ-3可以看出：试件加载初期,骨架曲线走势基本相同,试件的位移荷载加载到18 mm以后,两者的曲线逐渐分离,表明不同插筋直径对骨架曲线的斜率产生了影响;试件SQ-3较现浇墙的极限承载力降低7%左右,试件SQ-1、SQ-2、SQ-4其极限承载力分别高于现浇墙体的31%、1.2%、18.5%,表明采用不同的连接方式以及轴压比对墙体的承载力会存在一定的影响。

图9 骨架曲线Fig.9 Skeleton curves

3.4 刚度退化

刚度是衡量结构及其构件的抗震性能的重要指标之一,刚度退化可以体现出试件混凝土内部裂缝开裂以及发展情况。[13]在低周往复荷载作用下,试件内部初始缺陷不断积累和扩展,墙体会出现性能退化现象,如刚度退化、承载力退化等。试件的刚度退化曲线如图10所示,从中可以看出：试件加载初期试件的刚度退化较快,后期试件刚度退化较为缓慢,其原因是试件加载初期是试件裂缝形成和发展期,因此刚度退化较为迅速;对比试件SW-1、SQ-2及SQ-3,可以看出：前期三者刚度基本一致,随着位移荷载的增加,试件SW-1刚度退化较快,而双皮拼装剪力墙试件刚度退化较缓慢;轴压比的提高能够提高试件刚度;试件SQ-1在加载到23.8 mm位移时,刚度发生突变,承载力下降迅速,其原因是当该试件加载到其极限位移时,其结合面发生破坏导致在水平方向发生较大的位移,引起整体结构的连锁反应,承载力陡降呈现出脆性破坏的特征。

图10 刚度退化曲线Fig.10 Curves of rigidity degradation

3.5 耗能能力分析

采用能量耗散系数E和累积耗能来判断试件的耗能能力。由图11可见：试件加载初期,试件的累积耗能曲线近乎重合,随着试件侧移增大,试件的累积耗能曲线逐渐分离;试件SQ-2由于其极限位移较大,故其累积耗能能力相应较高;在加载阶段初期,试件的能量耗散系数呈现出一定的下降趋势,随着位移的增加,试件的能量耗散系数开始上升。

a—累积耗能;b—能量耗散系数。图11 耗能能力Fig.11 Energy consumption capacity

3.6 钢筋应变分析

图12为距离地梁顶部100 mm位置处横截面纵向钢筋以及插筋(距墙体最外边缘115 mm处)在不同加载阶段的应变分布情况,图中虚线代表钢筋屈服。在构件未加水平荷载时,构件处于全截面受压,钢筋应变均为负值,试件SQ-1(0.4轴压比)最外侧边缘钢筋受压屈服时,受拉钢筋未屈服;试件SQ-2与SQ-3(0.1轴压比)最外侧边缘钢筋首先达到受拉屈服;构件SQ-4(0.2轴压比)最外侧边缘钢筋达到受拉屈服的同时进入受压屈服状态;对比插筋与最外侧边缘钢筋的应变,两者应变差值较小,表明预制墙体与灌浆料之间具有较好的变形协同能力;在同一位移角下,钢筋应变幅值由墙体外边缘至墙体中部位置逐渐变小。