螺旋箍筋約束波紋管漿錨裝配式剪力墻的抗震性能*

劉家彬 陳云鋼，2 郭正興 袁富

(1.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096;2.安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

“十二五“期間，我國建筑產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及技術(shù)轉(zhuǎn)型加快，適合我國小高層、高層住宅建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)體系與預(yù)制裝配式混凝土技術(shù)的有機(jī)結(jié)合成為建筑技術(shù)的發(fā)展方向之一.預(yù)制裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)因其具有現(xiàn)場濕作業(yè)少、勞動力用量小、施工簡便等特點(diǎn)，在工程實(shí)踐中被廣泛采用，具有廣闊的應(yīng)用前景［1-3］.

國內(nèi)外對預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的研究主要集中于預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)，剪力墻方面的研究則主要集中于型鋼混凝土框支剪力墻結(jié)構(gòu)等［4］，有關(guān)預(yù)制混凝土剪力墻的研究相對較少.文獻(xiàn)［5-8］中對5 種鋼筋連接方式的預(yù)制混凝土墻體進(jìn)行了壓彎擬靜力實(shí)驗(yàn)研究，提出了5 種水平連接構(gòu)造形式，并通過反復(fù)荷載試驗(yàn)研究了水平接縫的抗剪機(jī)理，給出了相關(guān)的設(shè)計建議.

近年來，國內(nèi)對預(yù)制裝配式混凝土剪力墻的研究方興未艾.郭正興等［9-10］對新型裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)(NPC)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)裝配式節(jié)點(diǎn)連接鋼筋的良好塑性使其位移延性性能較現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)有所提高，而剛度和耗能能力則與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)相近.錢稼茹等［11-13］對豎向鋼筋采用不同連接方法的、含多種構(gòu)造連接的預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)套筒漿錨連接和套筒漿錨間接搭接能有效傳遞豎向鋼筋應(yīng)力，其預(yù)制墻體與現(xiàn)澆混凝土之間的交界面難以澆注密實(shí)，形成水平通縫.姜洪斌等［14］提出了“插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接連接”，該連接采用抽芯成孔方式，在鋼筋搭接范圍內(nèi)采用螺旋筋進(jìn)行了加強(qiáng)，又稱“約束漿錨鋼筋搭接連接”.文獻(xiàn)［14］中以螺旋箍筋體積配箍率和搭接長度為主要參數(shù)，進(jìn)行了單向和雙向鋼筋搭接性能試驗(yàn)，并建立了螺旋筋設(shè)計的理論公式.

為繼續(xù)探索預(yù)制裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)水平連接的合理形式，增強(qiáng)預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性和抗震性能，文中在前期對波紋管漿錨連接抗震性能試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上［15］，提出一種新型的水平連接方式——矩形螺旋箍筋約束波紋管漿錨連接，并制作了相應(yīng)的試件進(jìn)行低周反復(fù)試驗(yàn)，以綜合評價其抗震性能.

1 構(gòu)造設(shè)計

采用矩形螺旋箍筋約束波紋管漿錨連接方式的剪力墻，其豎向連接方式是對前期研究的漿錨連接(見圖1)的一種改進(jìn).由于剪力墻墻肢兩端的邊緣構(gòu)件是重要的受力和變形部位，邊緣構(gòu)件提供剪力墻主要的承載力和延性，因此，考慮在剪力墻的暗柱區(qū)加設(shè)一道螺旋箍筋，在邊緣區(qū)域使用矩形螺旋箍筋對金屬波紋管進(jìn)行約束，以增強(qiáng)暗柱的約束作用.

圖1 未經(jīng)約束的波紋管漿錨連接示意圖(單位:mm)Fig.1 Schematic diagram of grouted corrugated pipe connection without restraint (Unit:mm)

在剪力墻端柱區(qū)，設(shè)置長600 mm、間距50 mm的螺旋箍筋，并用其約束預(yù)留孔道的金屬波紋管，如圖2 所示.

圖2 矩形螺旋箍筋約束的金屬波紋管示意圖Fig.2 Schematic diagram of grouted corrugated metal pipe constrained by rectangular spiral stirrups

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)采用3 個1∶1 足尺試件，其中，1 個編號為SW1 的現(xiàn)澆剪力墻試件(見圖3)的墻體、加載梁和地梁澆筑成整體，全部豎向鋼筋錨固在地梁中.另外設(shè)計兩個矩形螺旋箍筋約束波紋管漿錨連接預(yù)制剪力墻試件(配筋相同)，編號分別為SW2、SW3，即在剪力墻的暗柱區(qū)域設(shè)置矩形螺旋箍筋，通過在上下墻體預(yù)留孔內(nèi)插筋并灌漿成整體，如圖4 所示.

圖3 現(xiàn)澆試件設(shè)計圖(單位:mm)Fig.3 Sketch of cast-in-situ specimen (Unit:mm)

圖4 矩形螺旋箍筋約束波紋管漿錨連接預(yù)制混凝土剪力墻的設(shè)計圖(單位:mm)Fig.4 Sketch of precast concrete shear wall with grouted corrugated pipe constrained by rectangular spiral stirrups (Unit:mm)

本試驗(yàn)試件尺寸設(shè)計、鋼筋配置基本與文獻(xiàn)［16］一致，簡述如下:3 個試件墻板高3 200 mm，截面尺寸為1600 mm×200 mm;底座長2200 mm，截面尺寸為640 mm×700 mm;加載梁的截面尺寸為240 mm×250 mm;試件的總高度為4090 mm.現(xiàn)澆及預(yù)制剪力墻混凝土強(qiáng)度均為C35，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 級熱軋鋼筋，其他豎向分布鋼筋采用直徑為12 mm 的HRB400 級熱軋鋼筋，水平分布鋼筋采用直徑為10 mm 的HRB400 級熱軋鋼筋，箍筋采用直徑為8 mm 的HRB335 級熱軋鋼筋.為增強(qiáng)邊緣構(gòu)件的約束能力，箍筋采用搭接焊箍筋，僅在兩邊配置螺旋箍筋，螺旋箍筋采用直徑為6 mm 的HPB235級熱軋鋼筋.鍍鋅波紋管直徑為70 mm.漿錨注漿料為高強(qiáng)無收縮灌漿料.

表1、2 分別列出了鋼筋的力學(xué)參數(shù)實(shí)測值、混凝土和灌漿料試件的立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測值.

表1 鋼筋的力學(xué)參數(shù)實(shí)測值1)Table 1 Measured values of mechanical parameters of steel

表2 混凝土和灌漿料試件的立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測值1)Table 2 Measured cube compressive strength of concrete and grout

2.2 加載制度及加載裝置

試驗(yàn)加載制度及裝置與文獻(xiàn)［15］所述相同，水平荷載加載設(shè)備采用1 500 kN 作動器.在水平方向設(shè)置了千斤頂夾緊試件底座，以防止試件出現(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，鋼絞線錨固端采用一種可微轉(zhuǎn)動的錨具，保證了結(jié)構(gòu)側(cè)移時鋼絞線不發(fā)生折角，從而維持軸壓恒定.與文獻(xiàn)［15］不同的是，為防止剪力墻發(fā)生平面外的位移，設(shè)計、加工了三腳架，通過地腳螺桿將三腳架錨固在實(shí)驗(yàn)室的地面上，并安裝滾動滑輪將剪力墻抵住.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，每級循環(huán)1 次，分級加載程序如下:從0 kN 開始，每50 kN一級;加載到100 kN 后，每20 kN 一級;以試驗(yàn)中試件出現(xiàn)第一條水平裂縫或斜裂縫時的荷載值來確定開裂荷載，開裂后改為每50 kN 一級;加載到300 kN左右后，改為每20 kN 一級;最終判定屈服點(diǎn)及其對應(yīng)的屈服位移.進(jìn)入位移控制加載階段后，每級循環(huán)3 次［17］，加載裝置如圖5 所示.規(guī)定液壓伺服控制系統(tǒng)外推為正，內(nèi)拉為負(fù).

圖5 加載裝置圖(單位:mm)Fig.5 Loading device (Unit:mm)

3 試驗(yàn)現(xiàn)象

(1)SW1

在SW1 的加載初期，試件基本上處于彈性狀態(tài)，作動器水平拉力為150 kN 左右時，拉區(qū)墻板和底座的交界面出現(xiàn)200mm 長的水平裂縫，進(jìn)入開裂階段;水平推力為250 kN 左右時，裂縫開始向墻體上部擴(kuò)展;隨著荷載等級的提高，水平彎曲裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)閺澕粜绷芽p，并且向?qū)茄由?加載370 kN 時，荷載位移曲線與直線明顯偏離，鋼筋屈服，進(jìn)入屈服階段.

屈服位移的判定以試件的荷載－變形(P-Δ)曲線上出現(xiàn)明顯的拐彎點(diǎn)為標(biāo)志，當(dāng)屈服位移Δy=18.5 mm時，進(jìn)入位移控制加載階段;位移達(dá)3Δy后，幾乎不出現(xiàn)新裂縫，此時剪力墻底部塑性鉸完全形成;位移達(dá)74 mm 時，墻體根部鋼筋裸露，縱筋屈服，箍筋未屈服，混凝土嚴(yán)重脫落，試件破壞，破壞形態(tài)表現(xiàn)為彎剪破壞，如圖6(a)所示.

(2)SW2 和SW3

在SW2 和SW3 的加載初期，試件處于未開裂彈性階段，加、卸載位移曲線基本重合;加載至120 kN左右時，預(yù)制墻板與后澆結(jié)合面處出現(xiàn)首條水平裂縫，試件進(jìn)入開裂階段;隨著荷載增加，試件從下到上出現(xiàn)多條水平裂縫，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)化為彎剪斜裂縫，并向?qū)茄由欤笾鲁?5°;試驗(yàn)現(xiàn)象與文獻(xiàn)［16］類似.隨著荷載的增加，水平裂縫貫通，墻體側(cè)立面底部出現(xiàn)豎向裂縫，縱筋屈服，試件進(jìn)入屈服階段;構(gòu)件破壞時混凝土壓碎，鋼筋裸露，側(cè)立面箍筋鼓脹，承載力下降至極限承載力的85%以下，試件破壞，破壞形態(tài)表現(xiàn)為彎剪破壞，如圖6(b)所示.圖6(c)為SW2 的整體破壞圖.

圖6 試件的破壞形態(tài)Fig.6 Failure patterns of specimens

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 滯回曲線、骨架曲線

圖7 所示為各試件的滯回曲線和骨架曲線.由圖7 可知，試件的滯回曲線呈反“S”型.試件在開裂前基本處于彈性工作階段，其荷載－位移曲線基本重合為一條直線;試件開裂后至屈服前，構(gòu)件總形變不大，加載曲線的斜率變化小，卸載后的殘余變形也小，正、反向加卸載各一次所構(gòu)成的滯回環(huán)不明顯;試件屈服后，混凝土受拉裂縫不斷開展和延伸，鋼筋的拉應(yīng)變和混凝土的壓應(yīng)變逐漸增大，總變形持續(xù)增加，而其承載能力變化不大.試驗(yàn)中3種試件都表現(xiàn)出了相似的抗震性能，屈服后預(yù)制剪力墻的荷載－位移滯回曲線都較為飽滿，表現(xiàn)出了良好的抗震耗能性能.相比于未經(jīng)約束的漿錨連接［15］，預(yù)制剪力墻暗柱區(qū)域矩形螺旋箍筋對剪力墻底部受壓區(qū)混凝土的約束作用改善了預(yù)制剪力墻的滯回性能.

4.2 承載能力

試件的開裂荷載Fcr、屈服荷載Fy和峰值荷載Fp見表3.對比SW1、SW2、SW3 的試驗(yàn)結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)預(yù)制試件的承載力略低于現(xiàn)澆試件.分析認(rèn)為，這可能是因?yàn)樗性嚰掀瑝εc底座的交界面是一個平面，而且試驗(yàn)初期交界面開裂過早，隨著荷載的增加，開裂寬度不斷增大，導(dǎo)致試件剛度退化，承載能力降低.

圖7 各試件的滯回曲線和骨架曲線Fig.7 Hysteretic and skeleton curves of each specimen

表3 試件的承載力試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of bearing capacity of specimens

4.3 延性分析

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 列于表4 中.所有試件的極限位移角均大于1/120［18］，說明試件具有較好的變形能力;位移延性系數(shù)為4.0，說明試件滿足延性要求.

表4 試件延性對比Table 4 Comparison of ductility among specimens

4.4 耗能能力

結(jié)構(gòu)阻尼特性反映了體系在振動過程中能量的耗散性能.結(jié)構(gòu)的耗能是由材料內(nèi)部非彈性變形和結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間摩擦產(chǎn)生的阻尼引起的.表5列出了各試件在加載特征點(diǎn)處的等效粘滯阻尼系數(shù)，可知裝配式構(gòu)件和現(xiàn)澆試件在各加載階段的等效粘滯阻尼系數(shù)均相近，說明與文獻(xiàn)［15］中未經(jīng)約束的鋼筋漿錨搭接試驗(yàn)相比，本試驗(yàn)中矩形螺旋箍筋發(fā)揮了相應(yīng)的約束作用.

表5 各試件的等效粘滯阻尼系數(shù)Table 5 Equivalent viscous damping coeffici ents of specimens

5 結(jié)論

文中通過對矩形螺旋箍筋約束波紋管漿錨連接的裝配式混凝土剪力墻試件的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，研究了其抗震性能，得到以下結(jié)論:

(1)矩形螺旋箍筋約束波紋管漿錨連接試件的破壞形態(tài)與現(xiàn)澆試件基本相同;由于水平拼縫的存在，兩種試件的受力全過程的表現(xiàn)形式并不一致.

(2)由各試件的滯回曲線、骨架曲線和等效粘滯阻尼系數(shù)可知，預(yù)制試件均表現(xiàn)出與現(xiàn)澆試件相似的抗震性能.相比未經(jīng)約束的漿錨連接，預(yù)制剪力墻暗柱區(qū)域矩形螺旋箍筋對剪力墻底部受壓區(qū)混凝土的約束作用改善了預(yù)制剪力墻的滯回性能.

(3)由于水平拼縫的存在，與現(xiàn)澆試件相比，矩形螺旋箍筋約束波紋管漿錨連接試件各階段的承載能力均有所降低.

(4)矩形螺旋箍筋約束波紋管漿錨連接試件與現(xiàn)澆試件的極限位移角分別為1/49 和1/45，滿足規(guī)范要求的層間位移角要求，位移延性系數(shù)均為4.0，滿足延性要求.文中所得預(yù)制試件與現(xiàn)澆試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)接近，說明水平拼縫采用合理構(gòu)造的裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)可以達(dá)到與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)某休d力、延性以及抗震耗能能力，水平拼縫矩形螺旋箍筋約束波紋管漿錨連接構(gòu)造值得進(jìn)一步優(yōu)化研究.

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