预制装配式剪力墙结构连接构造优化及抗震性能研究

赵承玉（山西宏厦建筑工程第三有限公司，山西 阳泉 045000）

传统的现浇混凝土建筑以严重消耗自然资源为代价，造成了大量的环境污染和能源浪费，传统建筑业的转型升级势在必行。预制装配式建筑的发展为能源高效利用、建筑结构产品的工厂化制造和施工现场的绿色化安装提供新的解决方案，成为目前土木工程领域研究的热点[1]。

预制装配式建筑作为建筑工业化的主流趋势，通过现场的装配拼接形成整体，因此，结构完整性和抗震性能受到连接节点分割的影响，特别是具有剪力墙结构的建筑，剪力墙的承载能力与连接构造的形式、构件的组合极大相关。因此，研究预制装配式剪力墙结构连接构造的抗震性能具有十分重要的现实意义[2-3]。

王倩倩等人[4]运用ABAQUS有限元模拟软件，对螺旋箍筋约束套筒浆锚搭接的装配式剪力墙抗震性能展开了研究，获得了模型的正向骨架曲线，指出螺旋箍筋约束可在一定程度上提高预制装配式剪力墙结构的抗震承载力；洪学娣等人[5]应用OpenSEES 有限元分析软件对装配式钢-混凝土组合剪力墙结构的抗震性能进行研究，模拟计算时考虑的施工裂缝、钢筋黏结滑移、剪切效应等因素的影响，研究指出这些因素对结构抗震性能影响可以忽略不计；陈云钢等人[6]运用室内试验的方法，建立了水平拼缝的竖向钢筋浆锚搭接足尺比例模型，对试件的滞回曲线、延性系数、初始刚度进行研究，指出装配式混凝土剪力墙试件的初始刚度和延性系数均比现浇试件有所降低。

本文以山西省某市装配式高层建筑为研究对象，运用室内物理模拟的方法，建立了2种不同的预制剪力墙结构连接构造方案，研究预制装配式剪力墙结构的骨架曲线、承载能力、耗能能力等。研究成果可为剪力墙结构、框架剪力墙结构的预制装配式建筑的抗震设计提供参考。

1 预制装配式剪力墙结构连接构造方案

剪力墙结构是承受地震荷载和风荷载引起水平荷载的承重构件。由于墙体的抗侧移刚度较大，建筑物大部分的水平作用被分配至剪力墙中，因此，预制装配式剪力墙水平向和竖向的可靠连接是确保建筑结构体系受力和抗震性能的关键环节，应充分发挥剪力墙体约束箍筋的强度，避免混凝土变形破坏，改善剪力墙的延性和抗震能力[7-8]。为了保证预制装配式建筑上下两块剪力墙结构受力的连续性，目前有关预制装配式建筑剪力墙结构的连接方式主要有灌浆套筒连接、现浇带连接、金属波纹管浆锚连接以及螺栓连接等。综合比较现有的各种连接方式可知，金属波纹管浆锚连接具有接头性能可靠、受力安全、配筋率较低、可增强剪力墙边缘构件区域混凝土的围箍约束力等优点，并且该连接方式具有成熟的工艺和设备，在现场施工时可以有效降低钢筋绑扎工作量，提高施工质量和施工效率[9]。因此，本研究的预制装配式剪力墙结构连接构造方案基于金属波纹管浆锚连接方式展开，在室内试验中建立物理模型，比较预制装配式剪力墙金属波纹管浆锚 “一” 字形连接构造（工况A）和 “工” 字形连接构造（工况B）的抗震性能，如图1所示。

图1 2种不同预制装配式剪力墙连接构造/mm

2 预制装配式剪力墙结构抗震物理模型实验

2.1 连接构造物理模型的制作

为了研究2 种不同预制装配式剪力墙结构连接构造的抗震性能，在室内试验中按照图1和图2中的尺寸和配筋要求分别制作 “一” 字形连接构造、 “工” 字形连接构造实体试验模型。 “一” 字形连接构造的平面呈 “一” 字形，长度为1700mm，剪力墙高3420mm，墙体厚度为240mm，预制底梁的长度为2300mm，高度650mm，底梁厚度700mm； “工” 字形连接构造的平面呈 “工” 字形，在剪力墙腹板两侧还配置了厚度为200mm的翼墙，其余尺寸与 “一” 字形连接构造一致。所有模型的钢筋均采用HRB400钢筋。试验前，对所有钢筋的力学强度进行了测试，得到8mm 直径HPR400 钢筋的屈服强度为520MPa，极限强度为620×105MPa，延伸率为22%，同样10mm、12mm、16mm 钢筋的屈服强度分别为430MPa、450MPa、452MPa，极 限 强 度 分 别 为580×105MPa、590×105MPa 和620×105MPa，延伸率分别为24%、25%和26%。剪力墙混凝土采用C35 混凝土，混凝土养护28d 龄期150mm 立方体抗压强度平均值为34.8MPa，灌浆料的混凝土采用高强度低收缩BYS-40型灌浆料，灌浆料养护28d 龄期150mm 立方体抗压强度平均值为75.3MPa。

图2 2种不同预制装配式剪力墙连接构造模型及配筋/mm

2.2 剪力墙连接构造物理模型的试验方法

制作完成的预制装配式剪力墙结构连接构造在水平低周往复试验装置中进行，设计的加载试验装置为MAST大型地震荷载三维模拟加载系统，系统由MTS作动器、反力墙体、试件、地面螺栓、测试系统组成。MTS作动器为美国生产的MTS电液伺服程控结构试验机系统，由MTS作动器提供水平低周期反复荷载，MTS作动器最大推力为1460kN，最大拉力为960kN，行程范围为-250mm～250mm，试验时加载速率控制为0.5mm/s。

预制装配式剪力墙位移采用位移计测量，内力均由应变片测量，钢柱的内力由应变花测量。所有监测点数据均由TDS-602 数据采集设备采集，所有试件加载方式均为位移控制加载，目标位移为60mm，共12 个加载步，每个循环位移极值为前一个循环位移极值的1.2倍，加载制度如图3所示。

图3 水平低周期反复荷载加载时程曲线

3 预制装配式剪力墙结构抗震试验结果分析

图4为2 种不同的预制装配式剪力墙结构连接构造的骨架曲线试验结果。从图4中可以看出， “一” 字形连接构造（工况A）和 “工” 字形连接构造（工况B）的骨架曲线均呈饱满的 “S” 形，表明2 种预应力装配式剪力墙连接构造均具有良好的耗能能力。 “一” 字形连接构造骨架曲线在±10mm 位移内，荷载位移关系呈现线性关系，此时，预制剪力墙连接构件处于弹性工作阶段；在位移±10mm～±50mm时，荷载位移曲线呈现明显的非线性变化，此阶段的试件在低周期往复水平荷载作用下出现屈服、裂缝、塑性变形，而在位移为50mm 时，其承载力达到峰值，为778kN；位移为±50mm～±60mm时，荷载位移曲线出现下降的趋势，此时构件出现破坏现象，位移直至达到动作器的极限60mm。类似地， “工” 字形连接构造骨架曲线在-20mm～-7mm 位移内，其荷载位移关系呈线性关系，斜率与 “一” 字形连接构造弹性工作阶段的骨架曲线斜率大致相同，表明2种连接构件的初始刚度基本一致；位移在-40mm～-20mm、-7mm～40mm时， “工” 字形连接构造的荷载位移曲线呈现明显的非线性变化，其承载力峰值在为44.33mm 处达到1356kN，远大于 “一” 字形连接构造，约为后者的1.75倍；位移为±40mm～±60mm 时，荷载位移曲线出现下降的趋势。

图4 不同的预制装配式剪力墙结构连接构造的骨架曲线试验结果

图5为两种不同的预制装配式剪力墙结构连接构造的耗能曲线试验结果对比。从图5中可以看出， “一” 字形连接构造（工况A）和 “工” 字形连接构造（工况B）的耗能曲线呈现显著差异， “一” 字形连接构造的耗能曲线呈现先增加后趋于收敛的变化趋势，而 “工” 字形连接构造的耗能曲线呈现单调非线性增加，无明显的收敛趋势。两者的耗能在位移小于20mm时接近，这是因为2 种装配式剪力墙结构的初始刚度接近，在位移20mm范围内，能量的消耗主要克服剪力墙结构的弹性应变能；而在位移超过20mm 后， “工” 字形连接构造耗能相比 “一” 字形连接构造耗能的差值越来越大，由此表明， “工” 字形连接构造具有更为良好的抗震性能，在预制装配式剪力墙结构连接时可以优先选取 “工” 字形连接方案。

图5 不同的预制装配式剪力墙结构连接构造的耗能曲线试验结果

4 结语

以山西省某市装配式高层建筑为研究对象，运用室内物理模拟的方法，建立了2种不同的预制剪力墙结构连接构造方案，研究预制装配式剪力墙结构的骨架曲线、承载能力、耗能能力等，得到以下结论：

（1） “一” 字形连接构造和 “工” 字形连接构造的骨架曲线均呈饱满的 “S” 形，表明2 种预应力装配式剪力墙连接构造均具有良好的耗能能力。

（2） “一” 字形连接构造和 “工” 字形连接构造的初始刚度基本相同，但后者的极限承载力约为前者的1.75倍。

（3） “一” 字形连接构造和 “工” 字形连接构造的耗能曲线呈现显著差异，两者的耗能在位移小于20mm时接近，而在位移大于等于20mm 后， “工” 字形连接构造耗能比 “一” 字形连接构造耗能的差值越来越大。