裝配式混凝土剪力墻水平拼縫U型閉合筋連接抗震性能試驗(yàn)研究

劉家彬 陳云鋼,2 郭正興 張建璽

(1東南大學(xué)土木工程學(xué)院,南京 210096)

(2安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,馬鞍山243002)

隨著我國“建筑工業(yè)化、住宅產(chǎn)業(yè)化”進(jìn)程的加快,裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越廣泛.近年來,國內(nèi)已逐漸形成了多種裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)[1-5].

剪力墻構(gòu)件是高層房屋剪力墻結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件,也是其首要抗震耗能構(gòu)件.因?yàn)檠b配式剪力墻墻體構(gòu)件分層預(yù)制,故位于水平拼縫處的水平連接構(gòu)造和性能直接決定了剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性、承載能力及變形能力.所以,探索水平拼縫處合理的豎向鋼筋連接方式及局部現(xiàn)澆混凝土的拼縫處理方法,對(duì)裝配式剪力墻抗震性能影響的研究就顯得尤為必要.國外學(xué)者也曾做過類似研究[6-9].本文將介紹一種作者設(shè)計(jì)的U型閉合筋連接裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)墻水平連接的新形式,并對(duì)U型閉合筋連接形式進(jìn)行抗震性能試驗(yàn),綜合評(píng)價(jià)其抗震性能.

1 U型閉合筋內(nèi)墻水平連接

剪力墻上層預(yù)制內(nèi)墻板兩下角的左、右邊緣部分是沒有混凝土的豎向U型閉合鋼筋,水平分布鋼筋的兩端與豎向U型閉合鋼筋連接,箍筋分別將豎向U型閉合鋼筋連接成一個(gè)整體;剪力墻上層預(yù)制內(nèi)墻板中部設(shè)有金屬波紋漿錨管,波紋漿錨管的下部位于剪力墻上層預(yù)制內(nèi)墻板的下部并與外部連通,波紋漿錨管的上部與澆筑口連通,在剪力墻上層預(yù)制內(nèi)墻板側(cè)面的豎向U型閉合鋼筋上方設(shè)有預(yù)留澆筑孔.

剪力墻下層預(yù)制內(nèi)墻板上部的中間部分設(shè)有豎向漿錨鋼筋,對(duì)應(yīng)于上層預(yù)制內(nèi)墻板的波紋管;剪力墻下層預(yù)制內(nèi)墻板兩邊部分對(duì)應(yīng)于剪力墻上層預(yù)制內(nèi)墻板的左、右兩下角設(shè)有豎向U型閉合鋼筋的部分,見圖1(a).

剪力墻上層預(yù)制內(nèi)墻板與剪力墻下層預(yù)制內(nèi)墻板連接時(shí),墻板中部豎向分布鋼筋漿錨間接搭接連接區(qū)域混凝土接觸面四周鋪有坐漿層,豎向漿錨鋼筋插入金屬波紋漿錨管,灌漿料灌入金屬波紋漿錨管;剪力墻上下層預(yù)制內(nèi)墻板邊緣部位的豎向U型閉合筋對(duì)插、搭接,水平加強(qiáng)鋼筋插入豎向U型閉合鋼筋,見圖1(b).

U型閉合筋內(nèi)墻的優(yōu)點(diǎn)如下:

1) 上、下層剪力墻板邊緣部分的連接通過U型閉合筋錯(cuò)位對(duì)扣、綁扎水平加強(qiáng)鋼筋及連接區(qū)局部現(xiàn)澆混凝土實(shí)現(xiàn),保證連接的抗剪、抗彎承載力及剛度,U型閉合筋及箍筋對(duì)局部現(xiàn)澆混凝土提供了多向約束作用,提高了邊緣構(gòu)件的延性.

2) 剪力墻板中部豎向分布鋼筋通過漿錨間接搭接連接方式,既方便了上層剪力墻板在澆筑樓板后的安裝就位及臨時(shí)錨固,又可減少現(xiàn)場(chǎng)的灌漿工作量.

3) U型閉合鋼筋混合連接邊緣構(gòu)件的水平連接采用等同于現(xiàn)澆剪力墻的濕連接,中部豎向分布鋼筋處的水平縫采用干連接,兼顧了不同部位水平拼縫連接的整體性和施工便利性.

1—剪力墻上層預(yù)制內(nèi)墻板；2—預(yù)留澆筑孔；3—金屬波紋漿錨管；4—豎向U型閉合鋼筋；5—灌漿料；6—水平加強(qiáng)鋼筋；7—剪力墻下層預(yù)制內(nèi)墻板；8—豎向漿錨鋼筋；9—水平分布鋼筋；10—箍筋；11—灌漿口；12—拼縫處坐漿層；13—現(xiàn)澆混凝土

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

U型閉合筋內(nèi)墻及現(xiàn)澆剪力墻混凝土強(qiáng)度均為C30,混凝土保護(hù)層厚度為25 mm.邊緣構(gòu)件部位使用直徑為14 mm的HRB400級(jí)熱軋鋼筋,其他豎向分布鋼筋采用直徑12 mm的HRB400級(jí)熱軋鋼筋,水平分布鋼筋采用直徑10 mm的HRB400級(jí)熱軋鋼筋,箍筋為直徑8 mm的HPB235級(jí)熱軋鋼筋.剪力墻試件頂部設(shè)置加載梁,下端設(shè)置錨固底座.試件采用1∶1足尺比例模型.現(xiàn)澆試件為對(duì)比試件,記為XJ,現(xiàn)澆試件設(shè)計(jì)圖見圖2,U型閉合筋內(nèi)墻試件記為UN1(見圖3).圖3中,1-1剖面自左向右分別表示剪力墻兩端U型筋的底座區(qū)域、帶U型筋未安裝的上片剪力墻區(qū)域、上下U型筋對(duì)插安裝后的整片墻,2-2剖面自左向右分別表示剪力墻中間帶漿錨插筋的底座區(qū)域、帶漿錨管的未安裝的上片剪力墻區(qū)域、漿錨安裝后的整片墻.

圖2 現(xiàn)澆試件設(shè)計(jì)圖(單位：mm)

圖3 U型閉合筋內(nèi)墻混合連接試件設(shè)計(jì)圖(單位：mm)

2.2 試驗(yàn)加載制度和加載裝置

水平荷載加載設(shè)備為1 000 kN作動(dòng)器.試驗(yàn)時(shí),通過地腳螺桿穿過預(yù)留錨固孔將試件錨固于地面上,在水平方向設(shè)置鋼梁夾緊試件底座,以防止實(shí)驗(yàn)試件出現(xiàn)水平滑移.軸壓比控制為0.10,軸壓采用張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線方式施加,軸壓鋼梁兩端的鋼絞線的錨固分別采用碗狀墩頭錨具和四孔夾片錨具.為使水平加載位移較大時(shí)軸壓相對(duì)恒定,在鋼絞線張拉橫梁與試件頂部縱向分配梁之間設(shè)置一個(gè)萬向鉸,保證結(jié)構(gòu)側(cè)移時(shí)鋼絞線不產(chǎn)生折角.

水平荷載采用力和位移混合控制加載模式,模型屈服前以力控制加載,每級(jí)循環(huán)1次,屈服后以屈服位移控制加載,每級(jí)循環(huán)3次.試驗(yàn)加載裝置見圖4.試驗(yàn)過程中規(guī)定MTS外推時(shí)為正,內(nèi)拉時(shí)為負(fù).

圖4 試驗(yàn)加載圖(單位：mm)

3 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件XJ在加載初期基本上處于彈性狀態(tài),加、卸載后殘余變形很小.力控制的第6級(jí)加載過程中,作動(dòng)器水平推力為210 kN左右時(shí),墻體受拉側(cè)(左側(cè))距墻250～440 mm位置出現(xiàn)水平裂縫,進(jìn)入開裂階段;水平推力為350 kN左右時(shí),墻體右側(cè)出現(xiàn)裂縫,隨著荷載等級(jí)提高,水平彎曲裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)閺澕粜绷芽p,并向?qū)茄由?400 kN時(shí)出現(xiàn)左右側(cè)裂縫貫通現(xiàn)象,鋼筋屈服,試件進(jìn)入屈服階段,屈服位移Δ=15 mm;之后進(jìn)入位移控制加載階段,至3Δ后幾乎不出現(xiàn)新裂縫,表明此時(shí)剪力墻底部塑性鉸完全形成,水平力達(dá)到最大值601 kN;至60 mm位移等級(jí)階段,墻體根部鋼筋裸露,混凝土壓碎,承載力下降至極限承載力的85%以下,試件破壞,試件破壞形態(tài)表現(xiàn)為彎剪破壞(見圖5).

圖5 XJ試件試驗(yàn)圖

試件UN1在加載初期處于未開裂彈性階段,加、卸載位移曲線基本重合;荷載加至-200 kN時(shí),后澆混凝土與預(yù)制墻板結(jié)合面處出現(xiàn)首條水平裂縫,試件進(jìn)入開裂階段;隨著荷載等級(jí)的增加,剪力墻從下至上出現(xiàn)多條水平裂縫,且現(xiàn)澆部分混凝土水平裂縫向預(yù)制墻板延伸,水平彎曲裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)閺澕粜绷芽p,并向?qū)茄由?大致呈45°,至350 kN荷載等級(jí)時(shí)水平裂縫貫通;荷載至400 kN等級(jí)時(shí),墻體側(cè)立面底部出現(xiàn)豎向裂縫,鋼筋屈服,試件進(jìn)入屈服階段,屈服位移為16 mm,現(xiàn)澆與預(yù)制結(jié)合部位裂縫明顯增大;之后進(jìn)入位移控制階段,水平位移為53 mm時(shí),水平力達(dá)到峰值-611 kN;至64 mm位移等級(jí)時(shí),水平力降至300 kN,邊緣柱后澆部分混凝土壓碎,鋼筋裸露,側(cè)立面箍筋鼓脹,試件破壞,破壞形態(tài)表現(xiàn)為彎剪破壞(見圖6).

圖6 UN1試件試驗(yàn)圖

4 試驗(yàn)分析

4.1 滯回曲線和骨架曲線

各試件的滯回曲線和骨架曲線見圖7.從圖中可發(fā)現(xiàn),現(xiàn)澆試件與裝配式混凝土剪力墻試件的滯回曲線形狀基本一致,各滯回環(huán)相對(duì)飽滿,均呈反S形.

圖7 各試件滯回曲線和骨架曲線

滯回曲線具有如下共同特點(diǎn):在開裂后至屈服前,滯回環(huán)處于穩(wěn)定發(fā)展階段,卸載后殘余變形很小,滯回環(huán)面積也小,耗能較小;屈服后,滯回環(huán)面積明顯增大,耗能也增加,在同一位移級(jí)別下,后面循環(huán)與第1次循環(huán)相比,強(qiáng)度和加載剛度均有明顯退化,卸載剛度的退化不明顯,表現(xiàn)出較好的耗能能力;達(dá)到極限承載力后,承載力下降緩慢,滯回曲線平緩下降,表現(xiàn)出良好的延性,整體偏向于位移軸,滯回環(huán)有向“Z”形過渡的趨勢(shì).

滯回曲線的不同之處在于:XJ試件負(fù)向卸載時(shí)滯回環(huán)出現(xiàn)較明顯的捏縮;UN1試件負(fù)向卸載時(shí)滯回環(huán)捏縮不明顯,滯回環(huán)略顯飽滿,耗能能力基本接近.

從骨架曲線看,裝配式混凝土剪力墻試件與現(xiàn)澆試件曲線走勢(shì)基本一致,表現(xiàn)出相近的發(fā)展規(guī)律.

4.2 承載能力

XJ和UN1試件的開裂荷載Fcr、屈服荷載Fy和峰值荷載Fp見表1.通過對(duì)比可看出,UN1試件的開裂荷載略小于XJ試件,屈服荷載一致,但峰值荷載承載能力略高于XJ試件.

表1 承載力試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 kN

4.3 變形能力`

試件的屈服位移Δy、屈服位移角θy、極限位移Δu、極限位移角θu和位移延性系數(shù)μ見表2.從表中可看出:2個(gè)試件的極限位移角均大于1/120[10],具有較好的變形能力;延性系數(shù)均為4,具有較好的延性.

表2 加載特征值、延性對(duì)比

4.4 耗能能力

結(jié)構(gòu)耗散能量的能力以一周滯回環(huán)所包圍的面積來衡量[11].各試件的等效黏滯阻尼系數(shù)見表3.從表中可看出,UN1試件的等效黏滯阻尼系數(shù)與現(xiàn)澆試件XJ基本接近.

表3 各試件的等效黏滯阻尼系數(shù)

5 結(jié)論

1) 對(duì)于破壞形態(tài),現(xiàn)澆試件、U型閉合筋內(nèi)墻均為靠近剪力墻根部彎剪破壞.現(xiàn)澆試件的受力全過程大致經(jīng)歷了未裂階段、開裂階段、屈服階段以及破壞階段;由于水平拼縫的存在,裝配式剪力墻試件的受力全過程與現(xiàn)澆試件不相同,主要經(jīng)歷了水平拼縫的張開階段、連接鋼筋屈服以及混凝土壓碎的破壞階段.

2) 試件的滯回曲線均較飽滿,呈反S形,耗能能力基本接近;骨架曲線走勢(shì)基本一致,表現(xiàn)出相近的發(fā)展規(guī)律.

3) 與現(xiàn)澆試件相比,由于水平拼縫的存在,U型閉合筋內(nèi)墻試件的開裂較早,初期剛度有所降低,UN1試件的開裂荷載略小于XJ試件,但UN1試件的峰值荷載承載能力高于XJ試件.

4) U型閉合筋內(nèi)墻試件與現(xiàn)澆試件極限位移角分別為1/46和1/49,滿足規(guī)范要求的層間位移角要求;位移延性系數(shù)為4,滿足延性要求.

從試驗(yàn)結(jié)果來看,裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)水平拼縫采用合理構(gòu)造可以達(dá)到與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)某休d能力、延性以及抗震耗能能力,水平拼縫U型閉合筋連接構(gòu)造值得進(jìn)一步優(yōu)化研究.

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