预埋波纹管纵肋叠合剪力墙抗震性能试验研究*

2023-11-13田春雨杨思忠朱凤起

建筑结构 2023年21期

王俊, 田春雨, 杨思忠, 刘洋, 朱凤起, 李洋

(1 中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2 北京市住宅产业化集团有限公司，北京 100161；3 承德绿建建筑节能科技股份有限公司，承德 067000)

0 引言

近年来,我国装配式建筑发展规模持续扩大[1-2],装配整体式剪力墙结构是适用高度最大、应用最为广泛的一种装配式建筑结构形式。装配整体式剪力墙结构体系中叠合剪力墙吸收了现浇混凝土结构与预制混凝土结构的优点,具有钢筋连接质量可控、工业化程度高、整体性好[3]等特点,已成为国内装配式剪力墙结构体系重要组成部分[4-5],具有广阔的发展前景。

侯和涛等[6]对预制带肋叠合剪力墙受力性能进行研究,张文莹、王平山等[7-8]对双面叠合剪力墙进行试验研究,王滋军、叶燕华等[9-10]对叠合剪力墙抗震性能进行研究,大量学者的研究结果表明叠合剪力墙具有与现浇剪力墙相同的抗震性能。

纵肋叠合剪力墙体系是北京市住宅产业化集团、承德绿建联合开发的一种新型的装配整体式叠合剪力墙,具有结构安全性高、施工便利工期短等优点[11-12],其抗震性能可以等同现浇[13]。图1为纵肋叠合剪力墙体系预制墙板构件,预制墙板底部设有空腔,施工现场下层预制墙体顶部伸出封闭环状钢筋,与上层预制墙体底部钢筋于空腔内搭接,之后通过墙体上部浇筑孔向空腔内浇筑混凝土以实现上下层墙体的钢筋连接。

图1 纵肋叠合剪力墙预制构件

纵肋叠合剪力墙预制构件浇筑孔道采用传统抽芯脱模做法时,由于混凝土与模具黏连,脱模工作较为困难且劳动强度高,在脱模过程中容易损伤构件,同时抽芯脱模后浇筑孔道内壁光滑无粗糙面,不利于新旧浇筑混凝土结合整体受力。采用预埋波纹管做法成型可免去脱模工作[14],减少预制构件加工难度,且波纹管带全长螺纹可与混凝土紧密结合,可有效解决新旧混凝土结合问题。本文针对预埋波纹管的纵肋叠合剪力墙的抗震性能进行试验研究,为技术应用和相关标准编制提供依据。

1 试验研究方案

1.1 试件设计

根据纵肋叠合剪力墙实际结构墙肢形式设计试件,如图2所示,试件墙高2800mm,混凝土强度等级C40,设计轴压比0.3、0.45,试件参数见表1。

表1 试件设计参数

图2 试件尺寸及配筋

1.2 试验方案

试验加载装置如图3所示,试件用地锚固定在试验台座上,试验时在恒定竖向荷载作用下施加水平低周反复荷载。轴压力通过门架、千斤顶及分配梁施加,千斤顶与门架之间设置滑板,保持轴向力可以适应试件变形。侧向力通过1台300t电液伺服作动器及反力墙施加。墙板侧面设置侧向支撑钢梁防止失稳。

轴压力N按式(1)计算:

(1)

式中:α为设计轴压比;ft为C40混凝土轴心抗压强度设计值;A为墙板截面面积。

试验时,按荷载-位移混合控制进行加载。首先,施加轴压力至设计轴压比,并保持恒定;然后对墙体施加低周往复荷载,试件屈服(边缘构件纵筋达到屈服应变)前采用荷载控制加载,每级循环1次;试件屈服后采用位移控制加载,即按屈服位移整数倍控制加载,每级循环2次,直至荷载下降至峰值荷载的85%或试件发生不适宜继续加载的严重破坏。

试验过程中测量水平荷载、试件不同标高处相对位移、关键钢筋应变,并记录试件破坏形态、裂缝走势、裂缝宽度、最终破坏模式等。位移计测点自地梁顶至加载中心4等分,为安装位移计方便,D5测点上移100mm,D4测点随之上移50mm,由于面外约束梁与D2测点冲突,D2测点下移150mm,位移计布置如图4(a)所示。选取墙板非模板面一侧关键位置钢筋测量应变,如图4(b)所示,选取首位、末位、正中位三根钢筋测量应变,正中位无钢筋由左起第一根钢筋代替。

图4 测量方案

1.3 材料力学性能

混凝土浇筑时按浇筑批次预留了150×150×150的立方体试块并同条件养护,实测[15]立方体试块抗压强度见表2。

表2 混凝土试块强度

试验所有试件均在同一工厂同时期加工,所用钢筋均为同一批,直径分别为8、10、14,每种钢筋截取标准试样3根,实测钢筋强度见表3。

表3 钢筋力学属性

2 试验现象

本次试验试件主要发生弯曲破坏、弯剪破坏两种破坏模式,试验后破坏照片如图5所示。

剪跨比大的试件主要以混凝土轻微压碎、钢筋拉断的弯曲破坏为主,对应试件分别为:Q1Y1B-04、Q1Y1-04、Q1Y1B-03、Q1Y1-03。典型试验过程:荷载到达300～400kN时试件开裂,墙身底部0～60cm范围内受弯水平开裂;继续加载,荷载到达400～450kN时,Z1、Z3测点应变超过2 300με,且位移增长较快,试件屈服,开裂范围增高,所有裂缝先水平后斜向向墙体中部开展;继续加载,位移到达16～20mm时,试件角部混凝土出现竖向受压裂缝;继续加载直至达到峰值荷载,受压裂缝增多,表皮混凝土逐步脱落纵筋裸露;继续加载荷载进入下降段,混凝土少量局部脱落,最终钢筋拉断试验终止。

剪跨比小的试件主要以钢筋拉断、混凝土压碎,墙身出现斜向剪切裂缝的弯剪破坏为主,对应试件分别为:Q2YB-03、Q2Y-03。典型试验过程:荷载到达800kN时试件开裂,墙身底部0～60cm范围内受弯水平开裂;继续加载,荷载到达900kN时试件屈服,开裂范围增高,所有裂缝先水平后斜向向墙体中部开展;继续加载,位移到达16～20mm时,试件角部受压出现斜向及竖向受压裂缝;继续加载直至达到峰值荷载,斜向受压裂缝继续斜向开裂,压区底部表皮混凝土逐步脱落纵筋裸露;继续加载荷载进入下降段,首先钢筋拉断,随后受压区混凝土压溃墙身形成斜向剪切大裂缝,试验终止。

可以看出:1)相同参数的有波纹管试件与无波纹管试件破坏模式、裂缝形态完全相同,波纹管处未发生竖向开裂;2)剪跨比相同时,轴压比从0.3增大至0.45,墙体裂缝开裂高度略有降低,“X”形裂缝交叉点分布范围从1/2墙高降低至约1/3墙高,有波纹管试件与无波纹管试件变化规律完全相同;3)轴压比相同时,剪跨比从2.33减小至1.4,墙体水平裂缝更少,“X”形裂缝交叉点分布范围从1/2墙高降低至约1/3墙高,有波纹管试件与无波纹管试件变化规律完全相同。

3 试验数据分析

3.1 滞回曲线

各试件滞回曲线如图6所示,其中F为对试件施加的荷载,即试件承载力,Δ为试件加载点与地梁的相对位移。可以看出:1)加载初期滞回曲线呈梭形,滞回环饱满,对应试件无开裂或较少开裂阶段;加载中期变为弓形,滞回环包围面积增大,曲线略有捏缩,对应试件大量开裂;加载后期为轻微反S形,滞回环严重捏缩,对应试件混凝土压碎;2)剪跨比相同时,轴压比变化,试件滞回曲线特征几乎不变,轴压比相同时,剪跨比减小,滞回曲线捏缩更加明显;3)相同参数的有波纹管试件与无波纹管试件滞回曲线特征及变化规律完全相同。

3.2 骨架曲线

各试件骨架曲线如图7所示。可以看出:1)骨架曲线走势基本分为弹性上升段、弹塑性上升段、大变形段和下降段;弹性上升段对应于试件未开裂或较少开裂以前,荷载随位移的增大而线性增加,整体表现为弹性;弹塑性上升段混凝土大量开裂且钢筋受拉屈服,试件刚度逐渐减小,表现出较明显的弹塑性;大变形段混凝土受压损伤逐步退出工作,钢筋受拉进入强化;下降段混凝土受压损伤大量脱落,部分试件钢筋颈缩拉断,骨架曲线进入下降段;2)剪跨比相同时,轴压比增大,骨架曲线弹性上升段变长,大变形段少量变短,轴压比相同时,剪跨比减小,骨架曲线弹性上升段变长,大变形段大量变短,下降段更加迅速;3)相同参数的有波纹管试件与无波纹管试件骨架曲线特征及变化规律完全相同。

图7 各试件骨架曲线

3.3 承载力

本次试验试件屈服点不明显,采用作图法求解试件的屈服承载力和屈服位移。如图8所示,过原点O做骨架曲线的切线,与峰值荷载的水平线相交于A点,自A点做垂线与骨架曲线相交于B点,连接OB并延伸与峰值荷载水平线相交于C点,过C点做垂线与骨架曲线相交于D点,即为屈服点。D点所对应的位移为屈服位移,对应的荷载为屈服荷载即为屈服承载力。

图8 作图法确定屈服点

同时提取各试件峰值承载力及峰值承载力对应的位移见表4。

表4 各试件承载力

根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[16]中正截面偏心受压承载力计算公式(式(6.2.19-1)～(6.2.19-4))计算本次试验试件屈服及峰值承载力。计算时,混凝土强度取实测轴心抗压强度,钢筋强度取实测屈服强度时计算结果为计算屈服承载力、钢筋强度取实测峰值强度时计算结果为计算峰值承载力,并将试验值与计算值对比,相关计算结果见表5。

表5 各试件试验、计算承载力对比

可以看出:1)相同参数的有波纹管与无波纹管试件屈服承载力及峰值承载力几乎相同,且试验与计算的比值极为接近,说明预埋波纹管对试件承载力几乎无影响,按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中正截面偏心受压公式(式(6.2.19-1)～(6.2.19-4))计算预埋波纹管纵肋叠合剪力墙的承载力是可行的;2)剪跨比相同时,轴压比从0.3增大至0.45,试件屈服承载力提高约20%,峰值承载力提高约12%,轴压比相同时,剪跨比从2.33减小至1.4,试件屈服承载力提高约125%,峰值承载力越高约105%,有波纹管试件与无波纹管试件变化规律基本相同。

3.4 刚度退化

根据《建筑抗震试验方法规程》(JGJ 101—2015)[17]规定计算割线刚度K,刚度退化曲线如图9所示。可以看出:1)随着荷载的增加,所有试件均发生了刚度退化,且屈服前刚度退化明显,屈服后刚度退化变缓,相同参数的有波纹管试件与无波纹管试件刚度退化趋势几乎完全相同;2)剪跨比相同时,轴压比越大,试件刚度退化越缓慢;轴压比相同时,剪跨比越小,试件刚度退化越明显,有波纹管试件与无波纹管试件变化规律基本相同。

图9 各试件刚度退化曲线

3.5 侧向变形

图10为各试件在26mm加载级别下墙体不同高度H的侧向变形。可以看出:1)随着加载级别增加及测点高度增大,所有试件侧向变形均逐渐增大,相同参数的有波纹管试件侧向变形与无波纹管试件几乎完全相同;2)剪跨比相同时,轴压比变化,试件侧向变形几乎无差别;轴压比相同时,剪跨比从2.33减小至1.4,试件侧向变形曲线更加接近直线,即变形模式从弯曲变形变为剪切变形。

图10 各试件沿墙高的侧向变形

3.6 延性系数

根据《建筑抗震试验方法规程》(JGJ 101—2015)[17]规定计算延性系数。在本次试验中取峰值后下降段90%的峰值荷载所对应的点的位移为试件的极限位移,各试件极限位移及延性系数见表6。可以看出:1)所有试件均具有较好的变形能力和较大的延性系数,极限位移均大于28mm,满足规范对剪力墙结构大震下层间位移角1/120的变形要求;2)相同参数的有波纹管试件延性系数略低于无波纹管试件,但差别较小,几乎可以忽略;3)剪跨比相同时,随着轴压比降低延性系数增大,轴压比相同时,随着剪跨比增大延性系数提高,有波纹管试件与无波纹管试件变化规律基本相同。