不同連接構(gòu)造的裝配式混凝土剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究*

朱張峰，郭正興，朱寅，李亞坤

(1．南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816；2東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

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不同連接構(gòu)造的裝配式混凝土剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究*

朱張峰1?，郭正興2，朱寅2，李亞坤2

(1．南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816；2東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

試驗(yàn)研究了2種不同連接構(gòu)造的裝配式混凝土剪力墻抗震性能，第一種為鋼筋漿錨搭接干式連接節(jié)點(diǎn)，第二種則在第一種基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)造變化，邊緣構(gòu)件局部現(xiàn)澆，墻肢中部仍然采用鋼筋漿錨搭接連接，形成干、濕混合連接節(jié)點(diǎn).分別制作1片干式連接節(jié)點(diǎn)、1片混合連接節(jié)點(diǎn)足尺試件進(jìn)行低周反復(fù)荷載加載試驗(yàn)，并與同條件現(xiàn)澆試件進(jìn)行對(duì)比.試驗(yàn)結(jié)果表明，在承載力、剛度、位移延性及耗能能力等方面，2種裝配式試件均與現(xiàn)澆試件相當(dāng)，其抗震能力可認(rèn)為與現(xiàn)澆等同.同時(shí)，混合連接節(jié)點(diǎn)試件雖在耗能方面稍優(yōu)于干式連接節(jié)點(diǎn)試件，但優(yōu)勢(shì)并不明顯，且考慮到其施工工藝復(fù)雜，現(xiàn)澆混凝土澆筑質(zhì)量較難得到保障，易對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能產(chǎn)生明顯不良影響，故不建議采用.

預(yù)制混凝土；剪力墻；抗震性能；干式連接；混合連接

“等同現(xiàn)澆”是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要理念，其含義即通過(guò)合理的設(shè)計(jì)與構(gòu)造使裝配式混凝土結(jié)構(gòu)性能等同于甚至優(yōu)于傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)[1].

國(guó)外對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的研究起步較早，已基本形成了成熟的“等同現(xiàn)澆”技術(shù)體系，除了文獻(xiàn)[1]外，文獻(xiàn)[2]同樣給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與構(gòu)造措施建議.以Kurama等[3-4]為代表的學(xué)者，對(duì)“等同現(xiàn)澆”裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究.

在我國(guó)政府大力促進(jìn)建筑工業(yè)化轉(zhuǎn)型的政策引領(lǐng)下，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)逐漸成為學(xué)術(shù)界、工程界的研究熱點(diǎn)，尤其在住宅產(chǎn)業(yè)化的促進(jìn)下，裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)得到更多的關(guān)注.“等同現(xiàn)澆”是我國(guó)研發(fā)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的主要方向，并被反映到最新頒布的《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 (JGJ 1—2014)[5]中.以鋼筋套筒灌漿連接、鋼筋漿錨搭接連接等干式連接和疊合板式剪力墻為代表技術(shù)的裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能被大量學(xué)者深入研究[6-13]，取得了大量試驗(yàn)研究成果.

本文基于鋼筋漿錨搭接連接技術(shù)，針對(duì)裝配式剪力墻水平連接節(jié)點(diǎn)，提出一種混合連接技術(shù)(如圖1所示)，其技術(shù)特點(diǎn)包括：1)剪力墻邊緣構(gòu)件部位混凝土局部現(xiàn)澆；2)剪力墻豎向鋼筋在現(xiàn)澆區(qū)內(nèi)搭接連接，并在搭接鋼筋外周設(shè)置螺旋箍筋；3)剪力墻中部分布區(qū)鋼筋仍然采用漿錨搭接連接.

圖1 混合連接技術(shù)簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of hybrid connection

混合連接節(jié)點(diǎn)中，中部分布區(qū)預(yù)制混凝土可作為預(yù)制墻板安裝時(shí)的支腿，邊緣構(gòu)件部位混凝土局部現(xiàn)澆可在一定程度上避免干式連接節(jié)點(diǎn)中普遍存在的混凝土破壞集中于水平拼縫附近的現(xiàn)象.但由于混合節(jié)點(diǎn)涉及到混凝土濕作業(yè)，其施工工藝較干式節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，為保證現(xiàn)澆混凝土的飽滿、密實(shí)，在預(yù)制墻板內(nèi)預(yù)留豎向孔道，作為混凝土高位灌注的澆筑孔.

為驗(yàn)證混合連接節(jié)點(diǎn)的抗震可靠性，并比較其與鋼筋漿錨搭接連接的干式連接節(jié)點(diǎn)的優(yōu)劣，開展相關(guān)模型抗震性能試驗(yàn)，并與對(duì)比現(xiàn)澆模型比較，從破壞形態(tài)、承載力、剛度、位移延性及耗能等方面評(píng)價(jià)2種節(jié)點(diǎn)的抗震能力.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中共制作3個(gè)足尺試件，分別為1個(gè)現(xiàn)澆試件(XJ)，1個(gè)鋼筋漿錨搭接連接的干式節(jié)點(diǎn)試件(PW1)，1個(gè)混合連接節(jié)點(diǎn)試件(PW2).為確保試驗(yàn)可比性，各試件尺寸、所用材料均相同.對(duì)于重要的配筋構(gòu)造，保持各試件剪力墻自身配筋均相同.對(duì)于裝配式節(jié)點(diǎn)，則根據(jù)連接技術(shù)需要，增設(shè)相應(yīng)的漿錨鋼筋、搭接鋼筋或螺旋筋.

各試件均包括底座、剪力墻與加載梁3部分，其中，剪力墻尺寸為200 mm(墻厚)×1 700 mm(墻長(zhǎng))×3 400 mm(墻高)，采用C35混凝土澆筑，所配鋼筋均為HRB400鋼筋.剪力墻邊緣構(gòu)件配置8Φ16豎向鋼筋、Φ8@100箍筋，分布區(qū)配置6Φ10豎向鋼筋、Φ10@200水平鋼筋，詳見圖2(a).

PW1從底座伸出漿錨鋼筋，長(zhǎng)600 mm，鋼筋規(guī)格與剪力墻相應(yīng)位置豎向鋼筋保持一致；在預(yù)制剪力墻板中預(yù)埋Φ40金屬波紋管作為漿錨管，波紋管與所搭接鋼筋通過(guò)扎絲綁扎在一起；采用高強(qiáng)度、無(wú)收縮水泥基灌漿料.PW1設(shè)計(jì)詳圖見圖2(b).

PW2剪力墻鋼筋分布區(qū)構(gòu)造與PW1相同；邊緣構(gòu)件部位(墻端500 mm寬度范圍)設(shè)置600 mm高度的局部現(xiàn)澆區(qū)，底座伸出豎向鋼筋與剪力墻預(yù)埋豎向鋼筋在現(xiàn)澆區(qū)域搭接，每對(duì)搭接鋼筋外周設(shè)置Φ4@50螺旋筋(HPB300鋼筋)，螺旋筋外徑55 mm；現(xiàn)澆混凝土強(qiáng)度等級(jí)與剪力墻相同.PW2設(shè)計(jì)詳圖見圖2(c).

1.2 試件加載

本次試驗(yàn)在東南大學(xué)九龍湖校區(qū)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，加載簡(jiǎn)圖如圖3所示.試件底座與實(shí)驗(yàn)室地板間設(shè)置8根Φ32精軋螺紋鋼，施加預(yù)張力300 kN.試件加載梁頂部設(shè)置十字形鋼梁，將通過(guò)試件兩側(cè)體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線施加的豎向荷載傳遞給試件，豎向荷載值為795 kN.水平低周反復(fù)荷載通過(guò)1 000 kN液壓伺服控制系統(tǒng)(MTS)施加.同時(shí)，試件側(cè)面設(shè)置了三角形桁架支撐(圖2中未示出)，防止試件扭轉(zhuǎn)或失穩(wěn).

(a)XJ

(b)PW1

(c)PW2圖2 試件設(shè)計(jì)詳圖Fig.2 Design details of specimens

試驗(yàn)過(guò)程中，首先張拉鋼絞線施加軸壓，并保持穩(wěn)定，后施加水平荷載，采用力和位移雙控.屈服前以力控制加載，每級(jí)循環(huán)1次，尋找開裂及屈服荷載；屈服后以位移控制加載，每級(jí)循環(huán)3次，直至試件承載力下降到極限承載力的85%以下.試驗(yàn)中規(guī)定MTS外推為正、內(nèi)拉為負(fù).

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)

各試件均以受拉鋼筋拉斷、受壓混凝土壓潰而最終破壞，鋼筋錨固失效現(xiàn)象均未發(fā)生，說(shuō)明漿錨搭接連接或現(xiàn)澆混凝土區(qū)的鋼筋搭接連接均能保證剪力墻豎向鋼筋的充分受力.試驗(yàn)結(jié)束時(shí)試件狀態(tài)如圖4所示.從圖中可以看出，整體上各試件裂縫形態(tài)均為彎剪型，且分布狀態(tài)比較接近.PW1混凝土破壞相對(duì)集中于水平拼縫附近；PW2與其他試件相比，比較明顯的不同在于：1)沿現(xiàn)澆混凝土界面處產(chǎn)生裂縫，這可能由于新、老混凝土的黏結(jié)性能較整體澆筑混凝土差所致，但此形式裂縫對(duì)試件性能影響不大，因?yàn)橥ㄟ^(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，正向水平裂縫與反向斜裂縫均可連續(xù)跨越該裂縫；2)一側(cè)現(xiàn)澆混凝土上部發(fā)生較嚴(yán)重的破壞，而另一側(cè)則相對(duì)完好，這可能是由于混凝土澆筑質(zhì)量不同引起的，該部位混凝土由于混凝土骨料的沉積作用，強(qiáng)度相對(duì)較低，造成混凝土較大程度的損傷.

圖3 試驗(yàn)加載簡(jiǎn)圖Fig.3 Diagram of test set-up

2.2 滯回曲線

各試件滯回曲線如圖5所示.各試件滯回環(huán)形狀基本接近，屈服后滯回環(huán)基本呈反“S”形，其中，XJ曲線最為豐滿，而PW1捏縮效應(yīng)較其他試件較為明顯．分析認(rèn)為，該現(xiàn)象主要由于PW1塑性變形更多由水平拼縫的張開引起，從而導(dǎo)致試件加、卸載初期剛度較低，表現(xiàn)為滯回曲線的捏縮.

(a)XJ

(b)PW1

(c)PW2圖4 試件破壞形態(tài)Fig.4 Failure modes of specimens

2.3 強(qiáng)度與剛度

各試件骨架曲線如圖6所示，各試件曲線走勢(shì)基本接近，屈服后直至試驗(yàn)結(jié)束荷載均未發(fā)生明顯下降,試件在大變形狀態(tài)下仍能保持穩(wěn)定的承載力.

各試件在加載過(guò)程中均經(jīng)歷了開裂、屈服及破壞等主要階段，各階段荷載列于表1.與現(xiàn)澆試件相比，裝配式試件除開裂荷載較小外，屈服荷載相當(dāng)，峰值荷載更高.分析認(rèn)為，由于水平拼縫的存在，混凝土抗裂強(qiáng)度不能發(fā)揮作用，導(dǎo)致裝配式試件開裂較早，而PW2由于端部存在2道拼縫，因此，開裂荷載最低.由于各試件鋼筋強(qiáng)度均充分發(fā)揮，加載后期的屈服荷載、峰值荷載則未受水平拼縫的明顯影響.

位移/mm (a)XJ

位移/mm (b)PW1

位移/mm (c)PW2圖5 試件滯回曲線Fig.5 Hysteretic curves of specimens

位移/mm圖6 試件骨架曲線Fig.6 Skeleton curves of specimens表1 試件荷載Tab.1 Observed strength of specimens

試件開裂荷載/kN屈服荷載/kN峰值荷載/kNXJ200325576PW1180350596PW2150350597

以加載過(guò)程中第1次循環(huán)的峰點(diǎn)割線剛度表征試件剛度，具體計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[12].各試件在整個(gè)加載過(guò)程中剛度變化如圖7所示.裝配式試件初期由于水平拼縫的影響，試件剛度偏低，加載后期，與現(xiàn)澆試件基本接近，具有良好的剛度特性.

位移/mm圖7 剛度退化曲線Fig.7 Stiffness degradation curves of specimens

2.4 位移延性

以試件破壞時(shí)的位移與試件屈服時(shí)的位移的比值計(jì)算試件的位移延性系數(shù).本次試驗(yàn)中，試件屈服位移按受拉鋼筋首次屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的位移確定.各試件的位移延性計(jì)算結(jié)果見表2.裝配式試件的極限變形甚至優(yōu)于現(xiàn)澆試件，位移延性性能相同，表現(xiàn)出良好的變形能力和延性.

表2 試件位移延性系數(shù)Tab.2 Displacement ductility of specimens

2.5 耗能能力

試件能量耗散能力一般用等效黏滯阻尼系數(shù)來(lái)表征，計(jì)算方法同樣見文獻(xiàn)[14].各試件在加載過(guò)程中的等效黏滯阻尼系數(shù)變化曲線如圖8所示.各試件耗能能力均隨水平位移的增大穩(wěn)定提高，裝配式試件具有與現(xiàn)澆試件基本相當(dāng)?shù)牡刃ю枘嵯禂?shù).而由于混凝土破壞的相對(duì)集中，混凝土塑性耗能能力未充分發(fā)揮，PW1耗能能力相對(duì)最低.

位移/mm圖8 試件等效黏滯阻尼系數(shù)Fig.8 Equivalent viscous coefficients of specimens

2.6 試件抗震性能比較

從前述數(shù)據(jù)比較可看出，PW1和PW2試件在強(qiáng)度、剛度、延性、耗能等各方面的表現(xiàn)均基本接近，且與XJ試件基本相當(dāng)，均表現(xiàn)了良好的抗震性能.

與PW1試件對(duì)比，PW2試件由于邊緣構(gòu)件混凝土局部現(xiàn)澆，一定程度上降低了水平拼縫對(duì)構(gòu)件整體性能,尤其是耗能能力的影響，表現(xiàn)為滯回曲線捏縮效應(yīng)減弱(比較圖5(b)(c))，耗能能力有所提高(見圖8)，但效果并不十分明顯.同時(shí)，由于PW2試件的構(gòu)造與工藝特點(diǎn)，造成其抗裂荷載較低，且施工工藝復(fù)雜，混凝土的澆筑質(zhì)量較難得到保障，現(xiàn)澆區(qū)頂部混凝土尤其容易發(fā)生混凝土不密實(shí)問(wèn)題，該部分混凝土更易破壞(見圖4(c)).因此，不建議PW2試件采用的干、濕混合連接技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程.

3 結(jié) 論

對(duì)1個(gè)現(xiàn)澆試件、1個(gè)鋼筋漿錨搭接連接的干式節(jié)點(diǎn)試件與1個(gè)局部現(xiàn)澆的混合連接節(jié)點(diǎn)試件開展了抗震性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)干式節(jié)點(diǎn)與混合連接節(jié)點(diǎn)在強(qiáng)度、剛度、延性及耗能能力等方面均可達(dá)到與現(xiàn)澆試件相當(dāng)，2種不同連接構(gòu)造的裝配式剪力墻具有良好的整體性與抗震能力，可認(rèn)為達(dá)到“等同現(xiàn)澆”性能.

2)干式連接中鋼筋漿錨搭接連接與混合連接中鋼筋在局部現(xiàn)澆混凝土內(nèi)搭接，均能保證剪力墻豎向鋼筋強(qiáng)度的充分發(fā)揮.

3)混合連接試件由于邊緣構(gòu)件部位局部混凝土現(xiàn)澆，一定程度上消除了干式連接試件水平拼縫對(duì)試件性能的顯著影響，表現(xiàn)為滯回曲線捏縮效應(yīng)減弱，耗能能力提高，但同時(shí)也帶來(lái)了試件抗裂性能的降低.

4)由于施工工藝復(fù)雜，混合連接試件現(xiàn)澆區(qū)域頂部混凝土容易受到澆筑質(zhì)量的影響而發(fā)生較嚴(yán)重的破壞，將顯著影響試件抗震性能，因此，不建議將其應(yīng)用于實(shí)際工程.

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of Precast Concrete Shear Walls with Different Connections

ZHU Zhangfeng1?, GUO Zhengxing2, ZHU Yin2, LI Yakun2

(1. College of Civil Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China;2. School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Two different types of horizontal connections for precast concrete shear walls are proposed and tested to evaluate their seismic performance. One is dry connection with vertical reinforcing bars anchored into the grout-filled metal bellows embedded in the precast wall, while the other is hybrid connection where the boundary elements are formed by locally placing concrete with vertical reinforcing bars lapping in the cast-in-place concrete, and the reinforcing bars placement is the same that of the dry connection. Three full-scale specimens of the dry connection, hybrid connection, and cast-in-place connection were prefabricated and tested under the low-cycle reverse loading. The measured results showed that both the precast specimens performed similarly, such as the strength, stiffness, displacement ductility, and energy dissipation capacity, and they possessed comparable seismic performance when compared with the cast-in-place specimen. Meanwhile, the seismic behavior of the hybrid connection was obviously dependent on the pouring quality of the locally placing concrete. Because of the complexity in the construction technology for the concrete placing of hybrid connection, it is difficult to ensure the quality, and the seismic performance is considerably weakened. Therefore, it is not recommended to apply the hybrid connection in precast concrete shear walls.

precast concrete; shear walls; seismic performance; dry connection; hybrid connection

2016-01-21

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAJ10B03)，12th Five-year National Science and Technology Support Program(2011BAJ10B03)

朱張峰(1985-)，男，江蘇泰興人，南京工業(yè)大學(xué)講師，工學(xué)博士 ?通訊聯(lián)系人，E-mail: zzfking2210@163.com

1674-2974(2017)03-0055-06

10．16339/j．cnki．hdxbzkb．2017．03．007

TU398.2

AExperimental Investigation on Seismic Performance