預(yù)制混凝土雙板剪力墻的耗能能力

肖全東　郭正興

摘要：為系統(tǒng)研究預(yù)制混凝土雙板（DWPC）剪力墻的耗能能力，并為制定地方技術(shù)規(guī)程和試點(diǎn)工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，對3類不同邊緣構(gòu)造、不同剪跨比的6個(gè)預(yù)制裝配式DWPC剪力墻和3個(gè)現(xiàn)澆剪力墻的足尺比例試件在低周反復(fù)荷載下進(jìn)行了對比試驗(yàn)研究，對比分析了3類試件的滯回特性和耗能能力，并比較了各試件的等效粘滯阻尼系數(shù).結(jié)果表明，DWPC剪力墻的滯回特性和耗能能力與現(xiàn)澆剪力墻接近，具有較強(qiáng)的耗能能力，抗震性能較好.研究為DWPC剪力墻結(jié)構(gòu)體系的抗震設(shè)計(jì)以及進(jìn)行更深入的研究提供了基礎(chǔ)資料.

關(guān)鍵詞：預(yù)制混凝土雙板剪力墻；滯回特性；耗能能力；等效粘滯阻尼系數(shù)

中圖分類號：TU317.1；TU398.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：To study the energy dissipation capacities of doublewall precast concrete （DWPC） shear wall and to provide reliable scientific basis for the local standards， three kinds of full scale specimens of different boundary element details and shear span ratio were tested and compared under lowcyclic reversed loading， including six DWPC shear walls and three normal castinsitu shear walls. First， hysteretic behaviors and energy dissipation capacity of all specimens were analyzed synthetically. Then， equivalent viscous damping coefficients were calculated and compared. The result shows that the hysteretic behaviors and energy dissipation capacities of DWPC shear walls are close to those of castinsitu shear walls. It also shows that the DWPC shear walls have remarkable energy dissipation capacity as well as high seismic performance. The study contributes to the seismic design and indepth study for DWPC shear wall structure.

Key words：doublewall precast concrete shear wall； hysteretic behavior； energy dissipation capacity； equivalent viscous damping coefficient

我國快速發(fā)展的住宅產(chǎn)業(yè)化使裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在房屋建筑中的應(yīng)用成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)，不斷涌現(xiàn)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的新形式及建造新技術(shù).高層建筑中的各種裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注，如萬科集團(tuán)的PC，PCF技術(shù)、中南集團(tuán)的NPC技術(shù)、黑龍江宇輝集團(tuán)的約束漿錨鋼筋搭接連接技術(shù)，從國外引進(jìn)的全套筒灌漿連接技術(shù)及疊合板式剪力墻技術(shù)等＼[1＼].針對各種體系，國內(nèi)開展了相關(guān)試驗(yàn)研究工作及試點(diǎn)工程應(yīng)用，取得了較為豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn).如清華大學(xué)錢稼茹等對采用多種預(yù)制形式或連接方法的剪力墻進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，重點(diǎn)研究了不同縱向鋼筋連接方案對剪力墻抗震性能的影響＼[2-4＼].哈爾濱工業(yè)大學(xué)姜洪斌等對預(yù)留孔道灌漿預(yù)制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了擬靜力和擬動力試驗(yàn)，認(rèn)為預(yù)留孔道灌漿連接比鋼套筒連接方案的剪力墻耗能稍差＼[5-6＼].東南大學(xué)朱張峰等開展了系列的試驗(yàn)對全預(yù)制裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)（NPC）進(jìn)行了深入的研究＼[7-11＼]，對NPC體系進(jìn)行了系列改進(jìn)后的裝配式剪力墻抗震性能與現(xiàn)澆剪力墻基本相近或相同.合肥工業(yè)大學(xué)連星等對疊合式混凝土剪力墻（也即本文的DWPC剪力墻）進(jìn)行了抗震性能研究＼[12-13＼]，得出疊合式剪力墻與現(xiàn)澆剪力墻具有相近承載力與耗能能力的結(jié)論.但由于我國正處于新型建筑工業(yè)化的轉(zhuǎn)型期，對預(yù)制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用尚處于探索階段，遠(yuǎn)未形成適用的、相對成熟的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)的建造技術(shù).

預(yù)制混凝土雙板結(jié)構(gòu)體系（DoubleWall Precast Concrete Building System，簡稱DWPC體系）技術(shù)，是引進(jìn)歐洲具有代表性的成熟技術(shù).DWPC體系的墻體由兩片鋼筋混凝土預(yù)制板組成，兩片預(yù)制板通過格構(gòu)式鋼筋桁架連接，并在預(yù)制板間澆筑現(xiàn)澆混凝土.鋼筋混凝土預(yù)制板既作為中間現(xiàn)澆混凝土的側(cè)模，也用于承載參與結(jié)構(gòu)工作.通過在DWPC墻體現(xiàn)澆層設(shè)置連接鋼筋，將DWPC墻體與基礎(chǔ)、預(yù)制樓板以及各層DWPC墻體連接成整體.

歐洲大部分地區(qū)的住宅為低層住宅，且抗震要求不高，其連接構(gòu)造相對簡單.我國是一個(gè)多地震的國家，在我國應(yīng)用DWPC體系必須考慮其抗震性能.結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段以后，構(gòu)件的耗能能力對結(jié)構(gòu)抗震性能具有非常重要的意義.在地震中，預(yù)制混凝土雙板剪力墻（簡稱DWPC剪力墻）在軸力、彎矩和剪力的復(fù)合狀態(tài)下工作，如果帶有兩個(gè)疊合面的DWPC剪力墻本身沒有足夠的整體工作性能和耗能能力，就有可能在地震中破壞引發(fā)整個(gè)建筑物的倒塌.因此，在我國推廣應(yīng)用DWPC體系，掌握DWPC剪力墻的耗能能力凸顯其必要性.

本文擬通過對采用不同邊緣構(gòu)造、不同剪跨比的單片DWPC剪力墻在軸壓比為0.1的條件下進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，對DWPC剪力墻的滯回特性和耗能能力進(jìn)行系統(tǒng)的分析，以期為編制地方技術(shù)規(guī)程和試點(diǎn)工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，并為對該結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行動力性能分析提供參考.

1試驗(yàn)概況

1.1試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)按不同邊緣構(gòu)造、不同剪跨比制作了3類共9個(gè)剪力墻足尺比例試件進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)：第1類試件（SW1～SW3）墻體尺寸為3 200 mm×1 000 mm ×200 mm，剪跨比為3.325，邊緣配筋414；第2類（SW4～SW6）、第3類（SW7～SW9）試件墻體尺寸為3 200 mm×1 600 mm×200 mm，剪跨比為2.078，其中第2類試件邊緣配筋614，第3類試件邊緣配筋814.其中SW1，SW4，SW7為一般現(xiàn)澆剪力墻試件，其余為DWPC剪力墻裝配試件.試件由底座、墻體和加載梁組成.所有底座預(yù)制，截面尺寸700 mm×640 mm；與剪力墻現(xiàn)澆部分整澆的加載梁截面尺寸240 mm×250 mm.試件混凝土強(qiáng)度等級為C35，鋼筋采用HRB400級鋼筋，同類試件分布鋼筋配筋率基本相同.

為提高DWPC剪力墻的整體性能，對DWPC試件進(jìn)行構(gòu)造改進(jìn)：剪力墻最外邊緣的兩根豎向鋼筋使用平面桁架形式；豎向受力鋼筋采用在剪力墻兩側(cè)預(yù)制板之間的現(xiàn)澆混凝土布置U形筋搭接連接；邊緣構(gòu)件箍筋選用焊接封閉箍筋（見圖1（a））；在邊緣構(gòu)件豎向鋼筋搭接連接高度范圍加設(shè)一連續(xù)（復(fù)合）螺旋箍筋.其中SW2～SW3選用6@50連續(xù)矩形螺旋箍，SW5～SW6選用6@50雙重連續(xù)矩形復(fù)合螺旋箍，SW8～SW9選用6@50三重連續(xù)圓形復(fù)合螺旋箍（見圖1（b））.各試件的配筋如圖2所示.

1.2試驗(yàn)加載方案

剪力墻試件在恒定軸向荷載作用下，施加水平低周反復(fù)荷載，進(jìn)行擬靜力試驗(yàn).試件軸壓比控制為0.10，施加總軸力SW1～SW3（第1類）為470 kN，SW4～SW9（第2，3類）為750 kN.試驗(yàn)過程中安排專人調(diào)節(jié)軸力，使之基本保持穩(wěn)定.

待軸壓穩(wěn)定后，開始施加水平反復(fù)荷載，加載分兩個(gè)階段：試件屈服前采用力控制加載，每級循環(huán)1次；屈服后采用位移控制加載，每級循環(huán)3次[14]，直至試件承載力下降到最大承載力的85%或試件發(fā)生其他破壞為止.本文約定作動器外推時(shí)為正，內(nèi)拉時(shí)為負(fù).

2試驗(yàn)結(jié)果

與現(xiàn)澆剪力墻類似，DWPC剪力墻從開始加載到破壞的全過程分為3個(gè)階段：彈性階段、帶裂縫工作階段和破壞階段.各試件裂縫開展都先后經(jīng)歷了水平裂縫、斜向發(fā)展及雙向裂縫交匯等過程.雙向裂縫交匯后，剪力墻兩側(cè)底部混凝土豎向裂縫逐漸出現(xiàn)并發(fā)展至混凝土壓碎剝落.試件破壞時(shí)的裂縫開展情況如圖3所示.

現(xiàn)澆剪力墻試件SW1，SW4和SW7最終破壞為彎曲破壞，表現(xiàn)為剪力墻兩側(cè)底部混凝土嚴(yán)重壓碎剝落，箍筋外露，豎向受力鋼筋壓曲或拉斷（見圖4（a））；DWPC剪力墻試件SW2，SW3，SW6及SW8的最終破壞為彎曲破壞，表現(xiàn)為墻體兩側(cè)底部混泥土壓碎，搭接連接U形筋拉斷（見圖4（b））；DWPC剪力墻試件SW5和SW9的最終破壞為扭轉(zhuǎn)破壞，表現(xiàn)為加載過程中剪力墻發(fā)生扭轉(zhuǎn)并進(jìn)一步發(fā)展為平面外傾斜（見圖4（c））；在發(fā)生最終破壞時(shí)，所有DWPC剪力墻試件兩側(cè)預(yù)制壁板與中間現(xiàn)澆混凝土沒有出現(xiàn)分離，表現(xiàn)出良好的整體工作性能（見圖4（d））.

3耗能分析

3.1滯回耗能分析

耗能是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在地震作用下發(fā)生塑性變形，吸收能量的能力.滯回曲線中加載階段曲線下所包圍的面積可以反映結(jié)構(gòu)吸收能量的大小，即結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)變能；卸載時(shí)的曲線和加載曲線所包圍的面積即為構(gòu)件或結(jié)構(gòu)耗散的能量.因此構(gòu)件或結(jié)構(gòu)耗散能量的能力可以一周滯回環(huán)所包圍的面積來衡量.各試件滯回曲線見圖5.

1）對比各試件滯回曲線，無論是現(xiàn)澆試件還是DWPC剪力墻試件，在試件屈服前，滯回環(huán)狹長，耗能較小；試件屈服后，滯回環(huán)逐漸增大并豐滿，耗能能力逐步增大；進(jìn)入位移控制階段后，隨著控制位移的增大，滯回環(huán)都有向反“S”形過度的趨勢，并且都出現(xiàn)一定程度的“捏攏”；3類試件中的現(xiàn)澆試件滯回曲線的豐滿程度差異不大，都較同類試件的DWPC試件滯回曲線稍顯豐滿.

2）相對而言，剪跨比為3.325的SW1～SW3（第1類）試件的滯回曲線更顯豐滿，滯回耗能能力較好；而剪跨比為2.078的SW4～SW9（第2，3類）試件的滯回曲線“捏攏”得略顯狹長，顯示其滯回耗能能力相對較差.

3）對比3類試件滯回曲線可發(fā)現(xiàn)，隨著邊緣配筋的增多，裝配DWPC試件剛度變大，滯回曲線豐滿程度逐漸降低，“捏攏”越來越明顯，滯回耗能能力下降.

4）分別考察3類試件屈服后的單周滯回耗能，如圖6所示，所有試件的單周滯回耗能隨著加載控制位移的增加而變大，現(xiàn)澆試件的單周耗能曲線在同類DWPC剪力墻試件單周耗能曲線的下方.反映出DWPC剪力墻試件剛度更大，在加載同樣位移量的情況下，耗散的能量更多，但其變形能力和延性略有降低.

4結(jié)論

通過3類不同邊緣構(gòu)造、不同剪跨比共9個(gè)剪力墻試件在較小軸壓比（0.1）下的低周反復(fù)試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）在試驗(yàn)中，各試件的裂縫開展過程基本相同；現(xiàn)澆試件破壞形態(tài)為彎曲破壞，DWPC試件中SW2，SW3，SW6和SW8破壞形態(tài)為彎曲破壞，SW5和SW9的破壞形態(tài)為扭轉(zhuǎn)破壞.

2）所有DWPC剪力墻試件在破壞時(shí)兩側(cè)鋼筋混凝土預(yù)制板與中間現(xiàn)澆層混凝土都沒有出現(xiàn)分離，表明格構(gòu)式鋼筋桁架和邊緣鋼筋平面桁架能保證DWPC剪力墻的整體工作性能.

3）剪跨比更大的第1類剪力墻試件的滯回曲線較第2，3類試件的要豐滿，體現(xiàn)更好的耗能能力，其破壞更接近彎曲破壞特征.

4）在邊緣構(gòu)件豎向鋼筋搭接連接高度范圍加設(shè)了連續(xù)（復(fù)合）螺旋箍筋的DWPC剪力墻試件，其剛度較同類現(xiàn)澆試件要高，極限變形能力略差.邊緣構(gòu)件縱向鋼筋配筋率較高的第3類DWPC剪力墻試件也由于剛度的增大導(dǎo)致極限變形能力較第2類DWPC剪力墻試件的低.

5）DWPC剪力墻試件在試驗(yàn)前期的耗能能力與同類現(xiàn)澆試件相近，后期在不同加載特征周期略有降低；在相同控制位移時(shí)DWPC剪力墻試件單周滯回耗能較高，因此仍具備較好的抗震耗能能力.

本文的研究成果可為預(yù)制混凝土雙板剪力墻結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用和地方規(guī)程的編制提供科學(xué)依據(jù)，并為后續(xù)理論分析及動力分析及試驗(yàn)研究提供參考.

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