有限滑動(dòng)螺栓連接裝配式混凝土剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究

方 強(qiáng) 邱洪興 孫 建 蔣洪波 唐 林

(1東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 211189)(2東南大學(xué)土木工程學(xué)院， 南京 211189)(3揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院， 揚(yáng)州 225127)

裝配式建筑具有能源消耗少、質(zhì)量易保證、施工效率高、環(huán)保節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn)，符合我國(guó)堅(jiān)持建筑行業(yè)的生態(tài)文明建設(shè)需求，并得到了國(guó)家的大力推動(dòng).在眾多裝配式結(jié)構(gòu)形式中，裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)具有抗側(cè)剛度大、承載力高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在高層住宅中得到快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用.

裝配式混凝土剪力墻接縫的性能直接影響著結(jié)構(gòu)的整體性和抗震性能.與其他類(lèi)型裝配式混凝土結(jié)構(gòu)相比，裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的水平接縫和豎向接縫數(shù)量更多，一定程度上增加了剪力墻結(jié)構(gòu)裝配化的實(shí)現(xiàn)難度.總體而言，裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的接縫主要包括濕式連接和干式連接兩大類(lèi).目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)濕式連接裝配式剪力墻進(jìn)行了大量研究[1-7]，結(jié)果表明采用濕式連接的裝配式剪力墻可達(dá)到與現(xiàn)澆剪力墻同等的抗震能力.相對(duì)于濕式連接，接縫干式連接可更大程度地避免現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，進(jìn)一步提高施工效率，充分發(fā)揮裝配式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)[8].通過(guò)借鑒鋼結(jié)構(gòu)的連接方式，Sun等[9-10]提出了一種以高強(qiáng)螺栓和鋼框?yàn)檫B接件的全裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu).研究表明該結(jié)構(gòu)中含水平接縫的裝配式剪力墻的變形能力、延性性能及耗能能力略?xún)?yōu)于或相當(dāng)于現(xiàn)澆剪力墻[11]，含豎向接縫的裝配式剪力墻雖然具有較高的承載能力和剛度，但延性性能欠佳[12].為改善和提升該裝配式混凝土剪力墻的延性性能，Jiang等[13]將有限滑動(dòng)螺栓連接件應(yīng)用于上述結(jié)構(gòu)的豎向接縫中，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了有限滑動(dòng)螺栓連接裝配式剪力墻的可行性和可靠性.

為進(jìn)一步探究有限滑動(dòng)螺栓連接裝配式剪力墻的抗震性能，以有限滑動(dòng)螺栓連接件(簡(jiǎn)稱(chēng)為滑動(dòng)連接件)的滑動(dòng)距離為參數(shù)，對(duì)2個(gè)裝配式剪力墻試件進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，觀察其破壞特征和破壞過(guò)程，分析滯回性能、承載能力、耗能能力、延性及剛度退化情況，以期為該裝配式混凝土剪力墻的工程應(yīng)用提供參考.

1 結(jié)構(gòu)組成和工作機(jī)理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，在全裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)中，上、下層預(yù)制墻體通過(guò)高強(qiáng)螺栓和T形鋼框進(jìn)行連接[14]，同層相鄰預(yù)制墻體通過(guò)滑動(dòng)連接件及鋼柱進(jìn)行連接.預(yù)制墻體上、下端預(yù)設(shè)內(nèi)嵌邊框及螺栓孔，墻內(nèi)豎向鋼筋焊于內(nèi)嵌邊框內(nèi)緣.滑動(dòng)連接件由芯板、蓋板和高強(qiáng)度螺栓組成，蓋板和鋼柱連接，芯板和預(yù)制墻體連接，芯板和蓋板之間通過(guò)高強(qiáng)螺栓施加預(yù)壓力；芯板上預(yù)設(shè)槽孔，允許高強(qiáng)螺栓沿槽道方向上下滑動(dòng).鋼柱作為豎向接縫的一部分，既能起到連接作用，又能通過(guò)滑動(dòng)連接件與剪力墻協(xié)同工作.

(a) 平面圖

(b) 裝配示意圖

1.2 工作機(jī)理

該裝配式剪力墻能夠在不同階段實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)的工作目標(biāo).當(dāng)水平荷載較小時(shí)，豎向接縫中滑動(dòng)連接件承擔(dān)的剪力小于其起滑力，該階段剪力墻與鋼柱共同抵抗水平荷載，為結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度.隨著水平荷載的逐漸增大，當(dāng)豎向接縫中滑動(dòng)連接件承擔(dān)的剪力大于其起滑力時(shí)，高強(qiáng)螺栓將沿著芯板上的槽孔滑動(dòng)，該階段墻體可以依靠滑動(dòng)連接件的滑動(dòng)摩擦耗散能量，從而提高剪力墻的耗能能力.當(dāng)滑動(dòng)連接件的滑動(dòng)距離達(dá)到限值時(shí)，滑動(dòng)連接件的螺桿會(huì)與芯板槽孔頂部(發(fā)生在剪力墻受壓側(cè))或底部(發(fā)生在剪力墻受拉側(cè))接觸，該階段剪力墻再次與鋼柱共同抵抗水平荷載，從而延緩墻體破壞，增加剪力墻的延性.

2 試驗(yàn)

2.1 試件設(shè)計(jì)

將同時(shí)帶有水平接縫和豎向接縫的剪力墻單元作為研究對(duì)象，進(jìn)行試件設(shè)計(jì). 試件均由預(yù)制墻體(含加載梁)、基礎(chǔ)(含矮墻)、T形鋼框、滑動(dòng)連接件及鋼柱組成，如圖2(a)所示.2個(gè)試件的編號(hào)分別為PCW1和PCW2.預(yù)制墻體的高度、寬度和厚度分別為2 250 、1 000和120 mm.試件采用 HPB300級(jí)鋼筋和C35混凝土.墻體縱筋和水平筋直徑為8 mm，間距為100 mm；邊緣約束構(gòu)件中箍筋直徑為6.5 mm，間距為50 mm.預(yù)制墻體內(nèi)縱筋端部與內(nèi)嵌邊框內(nèi)側(cè)的焊接長(zhǎng)度為100 mm；鋼柱采用 Q235鋼，高度為1 970 mm，其底部通過(guò)預(yù)埋螺桿與基礎(chǔ)梁固結(jié).預(yù)制墻體和下部矮墻分別采用M14和M20高強(qiáng)度螺栓與T形連接鋼框連接，相應(yīng)的預(yù)拉力分別為85和182 kN；滑動(dòng)連接件采用Q355鋼制作，通過(guò)M18高強(qiáng)螺栓連接，預(yù)拉力為51 kN.所用高強(qiáng)螺栓性能等級(jí)均為12.9級(jí).

結(jié)合該裝配式剪力墻的工作機(jī)制，以數(shù)值模擬結(jié)果為參考，試件PCW1和PCW2滑動(dòng)連接件的槽孔長(zhǎng)度分別取62 和40 mm，相應(yīng)的滑動(dòng)限值分別為22和11 mm，研究滑動(dòng)連接件的滑動(dòng)距離對(duì)剪力墻抗震性能的影響.2種滑動(dòng)連接件的尺寸分別如圖2(b)和(c)所示，內(nèi)嵌邊框和T形鋼框的尺寸分別如圖2(d)和(e)所示.基礎(chǔ)梁上的矮墻采用預(yù)埋鋼板加強(qiáng)，以保證重復(fù)利用.

(a) 尺寸及配筋

(d) 內(nèi)嵌邊框

2.2 材料性能

依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)[15]測(cè)得的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度為27.5 MPa.根據(jù)《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228.1—2010)[16]，對(duì)鋼材進(jìn)行測(cè)試，所得鋼材力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 鋼材材料性能指標(biāo)

2.3 加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)加載及測(cè)量裝置如圖3所示.試件基礎(chǔ)通過(guò)錨桿固定在剛性地面上，并在基礎(chǔ)兩端采用千斤頂約束，以阻止滑移.豎向荷載由液壓千斤頂施加，通過(guò)在加載梁上設(shè)置分配梁，將荷載均勻傳遞到剪力墻上.水平荷載通過(guò)作動(dòng)器施加到剪力墻的加載梁上.為保證加載的穩(wěn)定性，作動(dòng)器與加載梁之間通過(guò)大直徑鋼筋進(jìn)行錨固.為防止加載過(guò)程中剪力墻發(fā)生面外傾覆，2個(gè)側(cè)向支撐被固定于剪力墻的兩側(cè).為監(jiān)測(cè)滑動(dòng)連接件在試件加載過(guò)程中的滑動(dòng)情況，試件西側(cè)上、中、下3個(gè)滑動(dòng)連接件位置分別布置1個(gè)位移計(jì).

圖3 加載及測(cè)量裝置

2.4 加載制度

根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》(JGJ/T 101—2015)[17]，試件加載時(shí)首先施加軸向力，并在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中保持恒定，軸壓比為0.068.然后，通過(guò)MTS液壓伺服加載系統(tǒng)施加水平往復(fù)荷載，采用位移控制加載方法，加載制度如圖4所示.當(dāng)試件水平荷載下降至峰值荷載的 85% 及以下，或試件無(wú)法繼續(xù)安全加載時(shí)，結(jié)束試驗(yàn).

圖4 加載制度

3 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

對(duì)于試件PCW1，加載至3 mm時(shí)，墻體底部西側(cè)出現(xiàn)第1條裂縫；加載位移到5 mm時(shí)，滑動(dòng)連接件發(fā)出“嘚嘚”的滑移聲；加載位移至25 mm時(shí)，新裂縫不斷出現(xiàn)，原有裂縫向墻體下方以及中部擴(kuò)展延伸；加載位移至32 mm時(shí)，主要裂縫基本出齊，已有裂縫不斷延伸變寬，墻腳混凝土保護(hù)層零星剝落；加載位移至50 mm時(shí)，墻體根部及內(nèi)嵌邊框內(nèi)部混凝土脫落，邊緣約束箍筋和縱筋露出；加載位移至80 mm時(shí)，墻底混凝土破壞的范圍向墻體中部擴(kuò)展，多根縱筋發(fā)生屈曲；加載位移至100 mm時(shí)，墻體底部的混凝土大面積壓潰，鋼柱底部發(fā)生輕微屈曲，試件的水平荷載下降至峰值荷載的85%以下，試驗(yàn)結(jié)束.試件PCW1的裂縫分布和破壞形態(tài)見(jiàn)圖5(a).

(a) 試件PCW1

對(duì)于試件PCW2，加載位移至3 mm時(shí)，墻體水平接縫上方出現(xiàn)第1條裂縫；加載位移至5 mm時(shí)，滑動(dòng)連接件發(fā)出“嘚嘚”的滑移聲；加載位移至25 mm時(shí)，新裂縫沿墻高不斷出現(xiàn)，原有裂縫擴(kuò)展延伸形成交叉斜裂縫；加載位移至40 mm時(shí)，墻體底部混凝土保護(hù)層輕微掉落；加載位移至60 mm時(shí)，墻體根部混凝土脫落顯著，縱筋屈曲，仍有大量新裂縫出現(xiàn)；加載位移至70 mm時(shí)，加載梁下方墻體斜裂縫寬度加大，水平筋及縱筋露出；加載位移至80 mm時(shí)，加載梁下方墻體形成V形混凝土破壞區(qū)，該區(qū)域的鋼筋屈曲嚴(yán)重，試件的水平荷載下降至峰值荷載的85%以下，試驗(yàn)結(jié)束.試件PCW2的裂縫分布和破壞形態(tài)見(jiàn)圖5(b).

3.2 滑動(dòng)連接件的滑動(dòng)分析

圖6給出了試件上、下滑動(dòng)連接件的滑動(dòng)距離隨加載位移的變化情況.由圖可知，加載位移為5 mm時(shí)，2個(gè)試件的滑動(dòng)連接件均開(kāi)始滑動(dòng)；隨著加載位移的增大，滑動(dòng)連接件的滑動(dòng)距離迅速增大，墻體受拉側(cè)和受壓側(cè)滑動(dòng)連接件的滑動(dòng)過(guò)程呈現(xiàn)出非對(duì)稱(chēng)性，受拉側(cè)滑動(dòng)連接件的滑動(dòng)距離大于受壓側(cè).試件PCW1和PCW2受拉側(cè)的滑動(dòng)連接件分別在加載位移為60 和30 mm時(shí)達(dá)到滑動(dòng)限值.加載結(jié)束時(shí)，2個(gè)試件墻體受壓側(cè)的滑動(dòng)連接件均未達(dá)到滑動(dòng)限值.相同加載位移下，墻體上部滑動(dòng)連接件的滑動(dòng)距離大于下部滑動(dòng)連接件，但差別較小.

(a) 試件PCW1

(b) 試件PCW2

3.3 滯回曲線

試件的滯回曲線見(jiàn)圖7.由圖可知，在加載初期，滯回曲線狹長(zhǎng)且包絡(luò)面積小，試件處于彈性階段，滑動(dòng)連接件尚未滑動(dòng)，剪力墻與鋼柱共同抵抗水平荷載.隨著加載位移的增大，墻體出現(xiàn)裂縫，滑動(dòng)連接件開(kāi)始滑動(dòng)，試件每級(jí)循環(huán)的滯回曲線逐漸飽滿，卸載后殘余變形較小.繼續(xù)加載，隨著滑動(dòng)連接件的滑動(dòng)幅度的增加以及鋼筋屈服，滯回曲線包絡(luò)面積顯著增大，卸載后具有較大的殘余變形.隨著加載位移的持續(xù)增大，試件滑動(dòng)連接件達(dá)到滑動(dòng)限值，鋼柱再次與剪力墻共同抵抗水平荷載，試件PCW1和PCW2的承載力出現(xiàn)不同幅度的增加，該階段滯回曲線呈現(xiàn)出明顯的反S形，表明剪力墻經(jīng)歷了較大的滑移.達(dá)到峰值荷載后，試件PCW1的承載力下降較平緩，而試件PCW2 的承載力下降相對(duì)陡急.

(a) 試件PCW1

(b) 試件PCW2

3.4 骨架曲線及特征點(diǎn)

試件的骨架曲線見(jiàn)圖8，各試件特征點(diǎn)荷載和位移見(jiàn)表2.表中，F(xiàn)cr為開(kāi)裂荷載；Δcr為開(kāi)裂位移；Fy為屈服荷載，即墻體縱筋受拉屈服時(shí)的荷載；Δy為屈服位移；Fb、Δb分別為滑動(dòng)連接件首次達(dá)到滑動(dòng)限值時(shí)墻體的荷載和位移；Fp為峰值荷載；Δp為峰值位移；Fu=0.85Fp為極限荷載；Δu為極限位移；μ=Δu/Δy為延性系數(shù).由于各試件骨架曲線正、負(fù)向并不完全對(duì)稱(chēng)，表中數(shù)據(jù)為正、負(fù)向特征點(diǎn)的均值.

圖8 骨架曲線

由圖8及表2可知，試件PCW1和PCW2的滑動(dòng)連接件分別在加載位移為60、30 mm時(shí)達(dá)到滑動(dòng)限值，此后試件的水平荷載出現(xiàn)不同幅度的增加.兩試件的峰值荷載均出現(xiàn)在滑動(dòng)連接件達(dá)到滑動(dòng)限值之后，說(shuō)明鋼柱再次與剪力墻共同抵抗荷載有利于提高試件的承載力.試件PCW1的峰值荷載較試件PCW2低27.7%，這是因?yàn)樵嚰CW2的滑動(dòng)連接件達(dá)到滑動(dòng)限值的時(shí)刻較早，鋼柱可在較小加載位移下再次與剪力墻共同抵抗荷載，此時(shí)墻體損傷較輕，鋼柱的參與可大幅度提高試件的峰值荷載；而試件PCW1的滑動(dòng)連接件達(dá)到滑動(dòng)限值的時(shí)刻較晚，鋼柱只能在較大加載位移下再次與剪力墻共同抵抗荷載，此時(shí)墻體破壞嚴(yán)重，無(wú)法充分利用鋼柱提高峰值荷載.

表2 特征點(diǎn)荷載和位移

試件PCW1和PCW2的延性系數(shù)分別為9.8和6.5，表明該新型剪力墻延性較好，具有較強(qiáng)的變形能力.試件PCW1的延性系數(shù)較試件PCW2高50.7%，這是因?yàn)樵嚰CW2的滑動(dòng)連接件達(dá)到滑動(dòng)限值后加劇了墻體的破壞，導(dǎo)致變形能力下降.因此，推遲滑動(dòng)連接件達(dá)到滑動(dòng)限值，可提高剪力墻的延性.

3.5 能量耗散

試件的累積能量耗散曲線見(jiàn)圖9.由圖可知，各試件的能量耗散隨著加載位移的增大穩(wěn)定增加，說(shuō)明該新型剪力墻具有良好的耗能能力.在初始階段，各試件均處于彈性狀態(tài)，耗能較少，試件PCW1和PCW2的能量耗散差別不大；隨著加載位移的增大，各試件的累積耗能迅速增加.在同一級(jí)加載位移下，試件PCW1的累積能量耗散均大于試件PCW2.加載結(jié)束時(shí)，試件PCW1的累積總耗能較試件PCW2高20.4%.由此說(shuō)明，長(zhǎng)孔滑動(dòng)連接剪力墻具有更好的耗能能力.

圖9 能量耗散曲線

3.6 割線剛度退化

各試件割線剛度隨加載位移的變化情況見(jiàn)圖10.由圖可知，整個(gè)加載過(guò)程中，各試件的剛度退化較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)突變，表明該剪力墻抗側(cè)能力穩(wěn)定.在加載前期，試件PCW1的剛度略大于試件PCW2.當(dāng)加載位移達(dá)到30 mm后，試件PCW2的剛度大于PCW1，這是因?yàn)榍罢叩幕瑒?dòng)連接件達(dá)到滑動(dòng)限值后，鋼柱再次與剪力墻共同抵抗荷載，從而提高了試件的后期剛度.試件PCW1的滑動(dòng)連接件在加載位移為60 mm時(shí)也達(dá)到了滑動(dòng)限值，但此時(shí)剪力墻損傷較嚴(yán)重，試件整體剛度退化明顯.

圖10 剛度退化曲線

4 結(jié)論

1) 有限滑動(dòng)螺栓連接裝配式剪力墻有效地實(shí)現(xiàn)了三階段工作機(jī)制：滑動(dòng)螺栓連接件滑動(dòng)前，剪力墻和鋼柱共同抵抗水平荷載；滑動(dòng)后，剪力墻可依靠滑動(dòng)螺栓連接件的滑動(dòng)摩擦增加耗能能力；滑動(dòng)螺栓連接件達(dá)到滑動(dòng)限值后，鋼柱再次與剪力墻共同抵抗水平荷載，剪力墻的承載力得到一定程度的提升.

2) 試件PCW1和PCW2的滯回曲線飽滿，耗能能力較高，延性系數(shù)分別為9.8和6.5.由此說(shuō)明，該新型裝配式剪力墻整體抗震性能良好.

3) 試件PCW1的累積總耗能和延性系數(shù)分別較試件PCW2高20.4%和50.7%，但其峰值荷載較試件PCW2低27.7%，而且后者的后期剛度更大，說(shuō)明長(zhǎng)孔有限滑動(dòng)螺栓連接剪力墻具有較好的耗能能力和延性，而短孔有限滑動(dòng)螺栓連接剪力墻具有較高的峰值荷載和后期剛度.