内置螺旋箍筋装配式剪力墙抗震性能试验

2023-10-21朱晗轩廖桢颖

工程建设 2023年8期

陈俊，朱晗轩，廖桢颖

（1.湘潭大学土木工程学院，湖南湘潭 411105；2.筑友智造建设科技集团有限公司，湖南长沙 410153）

十四五时期，大力发展装配式建筑是我国建筑业发展规划中的主要任务之一。而装配式混凝土剪力墙结构作为装配式建筑中重要的承重结构，又具备抗侧刚度大、承载力高及施工方便等优势，在我国工程实践中被广泛应用，成为近年来国内外学者的研究重点。

近年来，国内外对装配式剪力墙研究较多的是竖向连接方式，而对水平向连接构造的研究较少，同时考虑竖向与水平向连接构造的研究则更为缺乏。臧旭磊等［1］调查了螺旋箍筋结构对浆锚搭接节点抗震特性的影响，并探讨了相应装配式节点节点剪力墙的受力特点。而刘家彬［2］则提出了一种矩形螺旋箍筋约束波纹管浆锚连接方法，并进行了相关试验，对该连接构造进行了综合评价。WEST等［3］采用螺旋钢筋约束核心混凝土，并表示螺旋箍筋间距的变化对混凝土耗能的影响较为明显。钱稼茹等［4-6］通过试验研究了不同竖向钢筋连接方式在预制钢筋混凝土剪力墙中的应用。研究结果显示，竖向套筒浆锚连接方式是可靠的，同时水平连接面采用键槽或人工粗糙面均能确保现浇区域与预制墙体的整体性。另一方面，朱张峰等［7］在研究中综合考虑了竖向和水平接缝对工字形装配式混凝土剪力墙的影响，进行了低周往复荷载试验。结果表明，竖向连接方式对装配式剪力墙的承载力影响较大，因此在设计中应予以充分考虑，同时建议将水平向现浇区域尽量设置于边缘构件处。孙建等［8］采用高强螺栓作为竖向缝的连接件进行抗震性能试验，结果验证了这种结构的竖向缝连接方案的可行性。杨勇［9］研究了在装配式剪力墙中增设竖向结合面，研究表明带竖向结合面的装配式剪力墙具有良好的抗震性能。初明进等［10］的研究主要关注水平向采用榫卯式连接方式的预制混凝土剪力墙的受力性能。研究发现这种连接方式可靠，可提高边缘构件纵筋配筋率并延缓根部混凝土的压溃。李斌等［11］提出在水平向边缘构造处增设现浇区域的同时，中间预制墙底部两侧采用预埋焊板焊接的连接方式，试验和有限元分析结果表明，在水平向采用榫卯式连接方式的预制混凝土剪力墙中，现浇区域的配筋率、高宽比、轴压比对墙体的承载力有较大的影响。此外，合理布置预埋件在预制墙底部两侧能够有效地提升墙体的承载力和延性。这些发现为设计和优化预制混凝土剪力墙的结构性能提供了重要的参考依据。谷倩等［12］、骆玉琦等［13］研究了带边缘构件的T形和L形截面装配整体式叠合剪力墙的受力性能，结果显示其现浇区域与预制叠合墙的协同工作性能良好。

本文将采用螺旋箍筋强化搭接区域，进行4组试验：两个装配式剪力墙试件，在不同现浇区域内置螺旋箍筋；1个全预制装配式剪力墙试件，其内置螺旋箍筋；1个对比试件，使用现浇方式建造的剪力墙。本文通过对这些试件施加低周往复荷载进行抗震性能试验，研究螺旋箍筋的竖向连接方式和水平向不同现浇区域对装配式剪力墙抗震性能的影响，以期可为类似工程设计和施工提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验设计4块剪力墙试件，其均由试验墙体、墙顶的加载梁以及墙底的地梁组成。这4个试件分别被编号为XJ，DW1、DW2和DW3。试件XJ的墙体是采用现浇方式施工，而DW1的墙体则是全预制的。另外，DW2的墙体两边采用预制构建、而中间区域则采用现浇方式施工。最后一个试件DW3的墙体则是中间区域预制、而两边边缘构造区域则采用现浇工艺。图1为剪力墙试件尺寸图，4块剪力墙试件几何尺寸一致：高度为1 600 mm，厚度为200 mm，长度为1 600 mm，加载梁与地梁的截面尺寸均为400 mm×550 mm。

图1 剪力墙试件尺寸mm

剪力墙试件配筋图如图2所示。试件XJ的墙体、加载梁、地梁整体现浇，试件DW1～DW3的预制墙体与加载梁整体制作，地梁单独浇筑并预留竖向钢筋。拼装灌浆时，拼缝截面充分凿毛并设置20 mm厚坐浆层。预制墙体与地梁的连接采用波纹管灌浆锚固的形式，即在预制墙体底部预埋波纹管成孔，植入地梁顶面对应位置预留的竖向钢筋进行灌浆锚固。各试件加载梁与地梁的配筋一致，具体见图2（a）。墙体的竖向及水平分布钢筋均为C8mm@200mm，试件DW1的搭接钢筋为5C18钢筋；试件DW2的搭接钢筋为预制墙体布置的6C18钢筋和叠合区域布置的2C8钢筋，试件DW3的搭接钢筋为预制墙体布置的3C18钢筋和边缘构造区域6C10、2C8钢筋，其中试件DW2与DW3还在预制墙体与现浇区域交界面设置有剪力键和通长螺旋箍筋。由于DW2与DW3装配方式不同，这必然会引起配筋形式的改变，经过钢筋配筋率调整，可实现DW2与DW3的配筋率基本一致，对对比结果的影响可以忽略不计。

图2 试件配筋图mm

1.2 材性试验

表1记录了钢筋屈服强度和极限强度的实测值及其相应的用途，这些实测值通过对3根钢筋材性试验的平均值得出。试件墙体和地梁的混凝土设计强度等级为C30，而后浇区域的混凝土设计强度等级也为C30。浇筑混凝土时，试验预留3个边长为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块，并将试块与试件在相同的条件下进行养护。表2列出了混凝土立方体抗压强度的实测值及其相应的用途。

表1 钢筋强度实测值及用途

表2 混凝土立方体抗压强度实测值及用途

1.3 试验方案

加载装置示意和加载装置现场分别如图3、4所示，试验地点在湘潭大学结构实验室。试验采用两个量程为1 000 kN的竖向电液伺服作动器通过L型压梁施加竖向轴压力，作动器可随试件的水平位移而绕球铰转动，且这两个作动器可以采用协同控制模式，此模式可操作两个作动器位移同步作用，且保持加载轴力大小恒定；再采用一个量程为1 000 kN的水平电液伺服作动器通过L型压梁施加水平往复荷载。

图3 加载装置示意

图4 加载装置现场

试验的开始是先对试件施加轴向压力，其轴压比为0.1，并在整个试验过程中保持不变。随后，再施加水平往复荷载，采用水平位移控制。每一级加载都往复进行3次。当试验荷载下降至峰值试验荷载的85%以下或者试件破坏至不适合继续加载时，随即停止加载，加载试验结束。

1.4 测点布置

为测得墙体的整体变形情况，共设置7个位移计，其具体布置情况如图5、6所示。墙体平面从上至下布置，位移计编号分别为顶、上、中、下和底，分别布置在压梁正中、距墙顶150、800、1 450 mm处和基座正中，以测量位移变化量。在墙体东西侧上角部200 mm处各设置了一个垂直于墙面的位移计，为了检验墙体是否发生平面外位移，位移计编号为平外东和平外西。

图5 位移计布置mm

图6 位移计现场布置

2 试验结果及分析

2.1 破坏特征

为方便表述，将靠近反力墙一侧定义为剪力墙的东面，与之对应的另一面为剪力墙的西面。4个试件最终破坏形态如图7所示。

图7 试件最终破坏形态

加载初期，墙体东西两侧与地梁汇合处的坐浆层出现水平裂缝，随着加载等级的提高，原有裂缝继续扩展，墙体东西两侧角部出现斜裂缝并沿墙斜下扩展，同时墙体东西两侧不断产生新的水平裂缝，边缘构件竖向钢筋受拉屈服，DW2和DW3试件的现浇区域与预制墙体结合面出现竖向裂缝。进一步提高加载等级后，斜裂缝向墙体中心部位充分扩展并交叉贯穿，墙体与地梁之间的坐浆层的水平裂缝贯通，混凝土压溃，裂缝周围的混凝土不断剥落，竖向钢筋陆续拉断，DW2和DW3试件的现浇区域与预制墙体结合面的竖向裂缝贯通，荷载不足峰值荷载的85%，试验终止。

对比4个试件的破坏情况可知：

（1）相较于试件DW1～DW3，试件XJ的裂缝发展程度更高，试件DW1～DW3的墙肢根部混凝土的压碎程度明显小于试件XJ，说明内置螺旋箍筋约束波纹管浆锚搭接区域钢筋可有效缓解墙肢根部混凝土的压碎程度。

（2）相较于现浇叠合区域的装配式剪力墙试件DW2，现浇边缘构件的装配式剪力墙试件DW3的整体裂缝发展程度更高，说明试件DW3预制墙体与现浇区域的协同工作性能优于试件DW2。

（3）全预制装配式剪力墙试件DW1由于坐浆层过早的破坏，导致混凝土不再与浆锚钢筋协同工作，从而导致墙体裂缝集中于没有设置螺旋箍筋约束波纹管浆锚钢筋的加载梁与墙体的交界处，而坐浆层处钢筋发生屈曲、断裂，导致试件的剪切破坏，如图7（e）、（f）所示。

2.2 滞回曲线和骨架曲线特性

如图8所示，各试件在加载初期阶段处于弹性状态，荷载和位移大致呈线性关系，加、卸载轨迹重合。随着加载等级的提高，滞回环包络范围有限增长，试件XJ的滞回曲线比较狭窄，捏拢作用明显，变形能力不足。试件DW2和DW3的滞回曲线表现出相似的特征，在进入屈服阶段后，墙体的塑性得到充分的发展。在此阶段DW2和DW3的滞回曲线呈现为反S形，滞回环包络范围明显增长。分析认为，内置螺旋箍筋约束竖向钢筋提高了核心受力区域钢筋与混凝土的协同性，从而改善了DW2和DW3的滞回性能。试件DW1的滞回曲线异常，分析发现，由于坐浆层过早的破坏，导致混凝土不再与竖向钢筋协同受力，被浆锚的竖向钢筋承担大部分剪应力，从而其滞回曲线为被浆锚的竖向钢筋的滞回曲线。

图8 试件的滞回曲线和骨架曲线

2.3 承载力

表3列出了各试件的屈服荷载Py，峰值荷载Pu以及破坏荷载Pd，其中屈服荷载Py采用通用屈服弯矩法计算，破坏荷载Pd=0.85Pu。

表3 试件的屈服荷载、峰值荷载及极限荷载

由表3可知，试件XJ的峰值荷载最大，试件DW2和DW3的峰值荷载略低于现浇式剪力墙，DW1的峰值荷载最小，说明装配式剪力墙的峰值承载力略弱于现浇式剪力墙，现浇区域的存在可以提高装配式剪力墙的承载能力；对比现浇叠合区域的装配式剪力墙，现浇边缘构造区域的装配式剪力墙的承载能力更好。

2.4 试件的延性指标

表4列出了试件的屈服位移Δy，峰值荷载所对应的位移Δu以及极限位移Δd，极限位移角θd。定义试件的延性系数μ=Δd/Δy；将水平力下降至最大水平力的85%定义为极限点，如果水平力未下降至最大水平力的85%，则本文将试验结束时的状态作为极限点。此外，全预制试件DW1试验异常，故不做延性、刚度以及能量耗散能力分析。