裝配式少筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)可行性分析*

孟凡林 紀金利 楊艷敏

(吉林建筑大學土木工程學院，長春 130118)

0 引言

“少筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)”是指在保證結(jié)構(gòu)可靠度的情況下，滿足抗震要求但又低于現(xiàn)行國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB50010－2010)[1]最小配筋率要求的混凝土剪力墻結(jié)構(gòu).上世紀后期，我國發(fā)展過裝配式少筋大板結(jié)構(gòu)，但因種種原因最終退出建筑市場.盡管如此，其少筋概念的應用對裝配式住宅產(chǎn)業(yè)化仍有啟發(fā).裝配式少筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)以不同于少筋大板的概念與形式，來尋求能夠真正意義上的應用，有效提高多層房屋的建造速度，降低房屋的建造成本，因此能夠更好地適應我國的城鎮(zhèn)化進程及新農(nóng)村建設.此種結(jié)構(gòu)不僅有利于實現(xiàn)建筑工業(yè)化和住宅產(chǎn)業(yè)化要求，同時也符合綠色、低碳理念，具有很大的發(fā)展空間.

1 我國裝配式少筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)發(fā)展概況

新中國成立以來，我國開始了對裝配式建筑的研究探索.最初的裝配式少筋建筑是上世紀70－80年代的裝配式少筋大板混凝土建筑.裝配式少筋混凝土大板建筑在唐山地震中受到考驗，證明其抗震性能良好[2].建筑物抗震性能的好壞從兩個方面來看:一方面要具有較好的抗震強度;另一方面要具有足夠的變形能力.從抗震角度講，裝配式大板建筑具有的有利條件為:自重較輕使之在地震時承受的慣性力較小;墻體本身的強度高因而具有較大的安全貯備;整塊的樓板通過合理接縫組成整體使其空間剛度較好;墻板與基礎之間設置的豎向插筋有利于結(jié)構(gòu)具有較好的整體性和延性[3].資料顯示，北京市預制裝配式大板建筑在適用性能和物理性能方面都能夠滿足基本使用要求，并得到了使用者的認可[4].

1990年，萬墨林教授在《關于＜裝配式大板居住建筑設計施工規(guī)程＞中若干問題的說明》中指出[5]:少筋混凝土抗剪、抗拉及抗壓強度的極限值提高雖然不多，但是其勻質(zhì)性有所改善，而且具有一定剩余強度，延性也較好，尤其是當配筋率≥0.13%后較為明顯.對于配筋率≥0.15%的情況時，它完全具備鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)特征，而當配筋率＜0.1%時，其主要表現(xiàn)為素混凝土的破壞特征.因此，少筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋界限在《裝配式大板居住建筑設計施工規(guī)程》[6]中規(guī)定為0.1%≤ρ≤0.15%.

進入20世紀90年代，由于多種原因使得裝配式少筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展基本進入停滯時期，至此，少筋混凝土結(jié)構(gòu)的探索告一段落.時至今日，經(jīng)歷了二三十年的時間后，裝配式少筋混凝土大板建筑已經(jīng)需要進行加固.據(jù)調(diào)查，大板結(jié)構(gòu)因墻板內(nèi)僅配少量構(gòu)造鋼筋按素混凝土構(gòu)件進行設計，在混凝土收縮、溫差、老化等因素作用下極易開裂，產(chǎn)生通長豎向裂縫，嚴重影響墻板的整體性和承載能力[7].同時，其連接方式為干連接，使得接縫處的耐久性很低，結(jié)構(gòu)整體性嚴重削弱.在日本，裝配式混凝土剪力墻(大板)結(jié)構(gòu)多用于低層、多層和小高層建筑.當用于低層、多層建筑時，墻內(nèi)豎向和水平分布鋼筋在接縫處并不是每根均進行連接，而是僅將少量粗鋼筋進行連接而多數(shù)分布細鋼筋不進行連接，這類似于我國的抗震加固技術中某些新增剪力墻的做法.我國相關規(guī)范中此種形式還沒有具體規(guī)定，在建筑設計中是不允許采用的.有學者認為大間距、少配筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在底層、多層建筑結(jié)構(gòu)中的應用技術值得進一步研究和開發(fā)，這不僅對降低預制裝配混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的連接難度有利，而且對建設節(jié)約型社會也極其有利[8].

近年來，我國科研工作者又一次開始了對裝配式少筋混凝土結(jié)構(gòu)的探索，諸如:重慶大學的魏巍、陳遠軍的研究表明:《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB50010－2002)，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》(JGJ3－2002)和《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011－2001)所規(guī)定剪力墻設計方法主要針對高層建筑結(jié)構(gòu)，但是低烈度區(qū)采用現(xiàn)行設計規(guī)范對多層住宅結(jié)構(gòu)進行設計可能導致配筋量偏高;低于規(guī)范規(guī)定最低配筋率的混凝土剪力墻仍具有較好的抗震性能，能夠很好地應用于6度區(qū)多層混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)住宅中[9].在高新科技發(fā)展、建筑材料性能顯著提升的時代，為開展對裝配式少筋混凝土結(jié)構(gòu)的相關研究創(chuàng)造了極為有利的條件，裝配式建筑連接方式方法的提升也為其實現(xiàn)提供了可能.

2 少筋混凝土剪力墻的相關試驗研究

萬墨林教授指出“少筋結(jié)構(gòu)”的概念是針對我國上世紀八九十年代的特定條件提出來的.當時既不可能把全部大板、大模及磚石結(jié)構(gòu)提升為配筋結(jié)構(gòu)，而從抵抗地震作用的角度考慮，又不宜采用純無筋結(jié)構(gòu)，因此對裝配式少筋混凝土大板結(jié)構(gòu)的研究相對來說很少[5].裝配式大板建筑結(jié)構(gòu)之所以在唐山地震中具有良好的整體性和抗震性，是由于其有足夠剛度的水平縫和豎直縫將板材組合成整體結(jié)構(gòu)而獲得的，其剛度永遠低于墻體的剛度.在地震作用下，這些接縫首先出現(xiàn)裂紋并逐漸開展，使整個結(jié)構(gòu)具有相當?shù)暮膿p能量的能力，減少了地震作用力對結(jié)構(gòu)的破壞作用，試驗表明，即使是大量使用的低配筋(=0.1～0.15%)墻板，墻體的延性系數(shù)一般亦有 3 ～4[10].

2.1 國內(nèi)少筋混凝土剪力墻的相關試驗研究

1983年，云南省建筑科學研究所主持并完成了一項四層建筑大型破壞性整體試驗，該試驗模型的比例尺為1∶2.該結(jié)構(gòu)的原型為南方少筋混凝土大板住宅，該試驗的目的是觀察與計算墻本身的破壞過程，加強了節(jié)點與接縫從而使得節(jié)點接縫破壞不會早于墻體破壞.根據(jù)試驗結(jié)果，陳芹、李世濤研究了少筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力破損的計算機模擬方法，為日后的研究提供了參考[2].

重慶大學汪亮[11]在其畢業(yè)論文《六度區(qū)低配筋不開洞剪力墻抗震性能試驗與分析》中指出:由試件的破壞特征可以看出，低配筋混凝土剪力墻的開裂層間位移角較低，均在1/1500(1.0mm)左右，低于規(guī)范中對于混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)彈性層間位移角的要求;由試件的剛度退化特征可以看出，對無翼緣暗柱加強，能夠明顯改善試件的剛度退化性能;由試件的承載力退化特征可以看出，低配筋混凝土剪力墻在反復荷載作用下，承載力退化并不明顯，直至試件達到破壞側(cè)移時，承載力才出現(xiàn)明顯的退化;由試件的耗能特征可以看出，低配筋混凝土剪力墻的耗能能力較差;由試件的延性特征可以看出，低配筋混凝土剪力墻都具備了較好的位移延性;由試件鋼筋應變發(fā)展可以看出，邊緣縱筋在底部開裂后迅速屈服，且隨著水平裂縫向另一側(cè)的延伸，豎向分布筋也迅速屈服，而水平分布筋的作用并不明顯;由試件滯回曲線可以看出，低配筋混凝土剪力墻滯回曲線具有明顯的捏縮效應，位移角在1/500(3.0mm)左右就達到荷載峰值，后期承載力保持穩(wěn)定，直至位移角達到1/75(20.0mm)左右才出現(xiàn)降低.由此可見，在開展裝配式少筋混凝土剪力墻研究時，可以優(yōu)化構(gòu)件的設計.

2.2 國外關于少筋混凝土剪力墻的試驗研究

在歐洲，少筋混凝土剪力墻是指縱向配筋率小于0.2%的墻.Christian Greifenhagen、Pierino Lestuzzi[12]開展過對于少筋混凝土剪力墻靜力往復試驗的研究.研究表明，少筋混凝土剪力墻具有明顯的變形能力，不受水平鋼筋配筋率的影響.作者分別對不同學者的研究結(jié)果進行分析，并做了四塊試件(如圖1所示)進行試驗.試驗結(jié)果和Fouré的試驗結(jié)果相近，水平鋼筋對強度和變形能力影響很小而豎向鋼筋對構(gòu)件彎剪承載力很重要.造成對角斜拉破壞的基底剪力為名義彎曲強度的36% ～73%，混凝土抗壓強度及軸壓比導致了裂縫形式的不同.試驗表明，僅按照重力荷載設計的剪力墻的層間位移能力超過1%，與其他試驗相比，對于低矮剪力墻，層間位移取決于軸壓比、豎向鋼筋布置和墻頂約束的程度.沒有旋轉(zhuǎn)約束的懸臂剪力墻的脆性敏感程度低于頂部固定的剪力墻.

圖1 試件鋼筋布置

3 結(jié)語

裝配式少筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)能夠快速提高多層房屋的建造速度，有效地降低房屋的建造成本，因此能夠更好地適應我國的城鎮(zhèn)化進程及新農(nóng)村建設需要.根據(jù)目前先進的裝配式建筑設計及施工，裝配式少筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在未來的實際應用中具有巨大潛力，既符合當前住宅產(chǎn)業(yè)化的趨勢，又有益于節(jié)能減排和提高經(jīng)濟效益.當然，目前尚存在諸多問題有待解決:

(1)如何解決構(gòu)件的設計計算問題，是重新確立公式計算構(gòu)件還是參照現(xiàn)澆構(gòu)件計算;

(2)如何改進構(gòu)件接縫處和連接件的性能，是現(xiàn)澆連接節(jié)點還是預制連接節(jié)點，采取哪種連接方式.

因此，積極開展對裝配式少筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的研究對住宅產(chǎn)業(yè)化具有深遠的意義.

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(GB50010－2010)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]陳 芹，李世濤.少筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)力破損試驗的計算機模擬方法[J].北方工業(yè)大學學報，1987(2):18－32.

[3]王曉東.裝配式大板結(jié)構(gòu)的抗震性能分析[D].哈爾濱:中國地震局工程力學研究所，2009.

[4]紀穎波.裝配式大板住宅適用性能與物理性能調(diào)查[J].城市問題，2011(6):37－42.

[5]萬墨林.關于《裝配式大板居住建筑設計施工規(guī)程》中若干問題的說明[J].建筑科學，1990(4):57－60.

[6]中華人民共和國建設部.裝配式大板居住建筑設計和施工規(guī)程(JGJ 1－91)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1991.

[7]楊 臻.大板結(jié)構(gòu)住宅現(xiàn)狀及加固處理[J].住宅科技，2011(S1):224－225.

[8]【裝配式住宅】日本裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)考察報告.http://blog.sina.com.cn/s/blog_4ff95bbf0100n0ru.html

[9]陳遠軍.六度區(qū)多層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅中低配筋開洞剪力墻抗震性能研究[D].重慶:重慶大學，2010.

[10]黃際洸.關于我國發(fā)展大板住宅建筑的幾個問題[J].建筑技術，1988(2):46－48.

[11]汪 亮.六度區(qū)低配筋不開洞剪力墻抗震性能試驗與分析[D].重慶:重慶大學，2010.

[12]Christian Greifenhagen，Pierino Lestuzzi.Static cyclic tests on lightly reinforced concrete shear walls[J].Engineering Structures，2005(27):1703－1712.