波紋管漿錨連接裝配式剪力墻抗震性能

鄧旭華，倪家貴，張淼，陳超，陳俊

(1.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭,411105；2.筑友智造建設(shè)科技集團(tuán)有限公司，湖南 長沙,410153)

建筑工業(yè)化將是未來建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展最為重要的議題，而預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)住宅工業(yè)化的結(jié)構(gòu)形式之一，其預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆部分的連接主要分為豎向連接和水平連接[1]。近年來，國內(nèi)已形成了多種裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)，按照其構(gòu)造形式，可將剪力墻豎向鋼筋連接方法分為套筒灌漿連接[2]、漿錨搭接[3]、現(xiàn)澆段連接[4]、混合連接[5]、螺栓連接[6-7]等5類。

針對套筒灌漿連接性能的研究表明，預(yù)制和試件現(xiàn)澆在破壞形態(tài)上一致，均為壓彎破壞，套筒漿錨連接能有效傳遞豎向鋼筋的應(yīng)力[4-6]。套筒灌漿連接技術(shù)是目前最成熟和應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，但存在施工復(fù)雜、精度要求高、造價昂貴等缺點(diǎn)。而對于漿錨搭接，具有可靠的力學(xué)性能，應(yīng)用較為廣泛。焦安亮等[7]對裝配式剪力墻漿錨連接的鋼筋錨固性能及結(jié)合面受剪性能進(jìn)行了研究；姜洪斌等[3,8-10]設(shè)計(jì)完成了錨固、搭接、足尺擬靜力和擬動力試驗(yàn)，均取得較多的研究成果。

目前已有預(yù)制剪力墻與梁豎向連接的可靠性的研究，而對預(yù)制剪力墻之間水平連接的可靠性及多片預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)的整體抗震性能研究較少。本文擬開展預(yù)制剪力墻的不同邊緣構(gòu)造及不同漿錨連接構(gòu)造對裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)整體抗震性能影響的研究，設(shè)計(jì)并制作了5個采用波紋管漿錨連接縱向受力鋼筋的裝配式剪力墻試件，并將其與現(xiàn)澆試件進(jìn)行對比，探討了不同構(gòu)造形式對此類裝配式剪力墻構(gòu)件抗震性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)及制作

設(shè)計(jì)并制作了6個剪跨比為1.85的剪力墻試件，依次編號為SW5～SW10，見表1。其中，SW5～SW9為預(yù)制裝配式剪力墻試件、SW10為現(xiàn)澆剪力墻試件，試件由地梁、墻體及頂部加載暗梁組成。

表1 試件主要參數(shù)

圖1 試件制作照片

注：SW7波紋管外無螺旋箍筋(圖b)；無黏結(jié)套筒為SW8獨(dú)有、機(jī)械套筒為SW9獨(dú)有(圖g)；圖中黑點(diǎn)表示應(yīng)變片位置，全部應(yīng)變片均采用BX系列箔式電阻應(yīng)變計(jì)，具體規(guī)格為BX120-5AA

1.2 材料性能

試件的鋼筋均采用HRB400級鋼筋。表2列出了鋼筋抗拉強(qiáng)度fy和極限強(qiáng)度fu實(shí)測值，表3列出了混凝土立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測值。灌漿料采用自密實(shí)混凝土，強(qiáng)度為39.75 MPa。

表2 鋼筋強(qiáng)度實(shí)測值及其屈服應(yīng)變

表3 試件混凝土立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測值

1.3 加載裝置、加載制度與量測內(nèi)容

試驗(yàn)在湘潭大學(xué)土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室完成，主要加載設(shè)備為4 000 kN壓彎實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，見圖3。加載過程：首先，在試件頂部施加920 kN的軸壓力且試驗(yàn)過程中保持不變；然后，在試件頂部進(jìn)行往復(fù)水平加載。往復(fù)水平加載采用水平位移控制模式，第1級加載幅值為5 mm，后面每級加載幅值增加10 mm，每級加載往復(fù)3次。水平力下降至最大水平力的85%或試件破壞至不適宜加載時，試驗(yàn)結(jié)束。

試驗(yàn)測試內(nèi)容主要包括：軸壓力、水平力、墻體水平位移及鋼筋應(yīng)變。各試件位移計(jì)布置方案均相同，見圖3(a)。

圖3 試驗(yàn)加載裝置圖

2 破壞過程和破壞形態(tài)

以“W”“E”代表墻體兩端。施加往復(fù)水平力(水平位移)時，先加推力、后加拉力；施加推力為W端受壓、E端受拉，稱為正向加載，水平力和水平位移為正；施加拉力為W端受拉、E端受壓，稱為反向加載，水平力和水平位移為負(fù)。

以全預(yù)制試件SW5、部分預(yù)制的試件SW6和現(xiàn)澆試件SW10為例，各試件的破壞過程和主要特征詳見表4。

表4 試件破壞過程及主要特征

對于其他3個預(yù)制剪力墻試件，均出現(xiàn)了除鋼筋斷裂及混凝破壞的現(xiàn)象，此外，SW8試件在試驗(yàn)加載過程中出現(xiàn)了鋼筋滑移的聲響。

圖4為試件破壞后照片。試件破壞形態(tài)為壓彎破壞，墻體底部約300 mm高度范圍內(nèi)混凝土壓碎，外側(cè)植入鋼筋拉斷，邊緣部位縱筋壓屈、箍筋外漏。結(jié)果表明，采用植入鋼筋間接搭接連接可有效傳遞內(nèi)力，使試件墻體部分與地梁連接成整體。

注：圖名中后綴SP表示現(xiàn)場照片、DP表示素描圖。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 滯回曲線和骨架曲線

試驗(yàn)實(shí)測試件的頂點(diǎn)水平力-位移滯回曲線和骨架曲線見圖5。由圖5可知，1)各試件滯回曲線都呈現(xiàn)出較為明顯的捏攏現(xiàn)象，飽和程度較低。2)峰值點(diǎn)后，同等級的3次循環(huán)加載過程中，最大水平力依次下降，表現(xiàn)出承載力退化特征。3)在頂點(diǎn)位移不大于10 mm時，水平力與頂點(diǎn)位移之間基本呈線性關(guān)系，墻體基本處于彈性狀態(tài)。4)在試件達(dá)到峰值荷載之后，水平力下降緩慢，表現(xiàn)出一定的延性。

圖5 試件水平力-位移滯回曲線、滯回曲線

3.2 承載力比較分析

表5列出了各試件的屈服荷載Fy及峰值荷載Fp，其中，屈服荷載Fy采用通用屈服彎矩法計(jì)算。由表5可知，試件SW5承載力最低，主要由于其混凝土強(qiáng)度較低，且相較于預(yù)制試件SW6～SW9，其植入鋼筋數(shù)量較少。相較于現(xiàn)澆試件SW10，雖然邊緣疊合試件(SW6～SW9)的混凝土強(qiáng)度較低，但其承載力并無劣勢，因此，說明了此類裝配式剪力墻承載力的可靠性。

表5 試件的屈服荷載、峰值荷載

3.3 變形比較分析

定義頂點(diǎn)水平位移角θ=Δ/H。其中，Δ為試件墻頂測點(diǎn)1號位移計(jì)的實(shí)測值；位移延性系數(shù)μΔ=Δu/Δy，Δy為試件屈服時對應(yīng)的頂點(diǎn)水平位移，Δu為試件極限點(diǎn)對應(yīng)的頂點(diǎn)水平位移，定義水平力下降至峰值的85%為極限點(diǎn)，結(jié)果見表6。由表6可知，1)試件屈服位移角為1/339～1/158，峰值位移角為1/120～1/69，極限位移角為1/63～1/44，位移延性系數(shù)為3.49～6.77，具有良好的彈塑性變形能力，極限位移角均遠(yuǎn)大于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)規(guī)定的剪力墻結(jié)構(gòu)彈塑性位移角限值1/120。2)試件SW5位移延性系數(shù)比其他試件的較大，主要由于其植入鋼筋數(shù)量較少且植筋位置相對靠外，所以其屈服位移更小，而極限位移相差較小。3)試件SW7位移延性系數(shù)比SW6小，而2個試件其他參數(shù)一致，因此，波紋管外螺旋箍筋可提高試件的位移延性系數(shù)。

表6 試件水平位移、位移角及延性系數(shù)

3.4 剛度比較分析

試件剛度采用割線剛度表征，計(jì)算式為

式中：+Fi、-Fi為第i級循環(huán)加載的正向、反向水平力峰值，本文均采用每級加載第1次循環(huán)的相關(guān)數(shù)據(jù)；+Δi為水平力峰值對應(yīng)的位移值。

表7為試件各特征點(diǎn)的割線剛度，其中，Ko為初始剛度(以第1級加載往復(fù)的第1圈的剛度作為試件的初始剛度)；Ky為屈服剛度；Kp為峰值剛度；Ku為極限剛度。由表7可知，1)試件剛度退化規(guī)律基本一致，隨著水平位移增加，試件的割線剛度減小。2)無邊緣疊合的SW5試件初始剛度相對較大，主要由于其植入鋼筋相對靠外；現(xiàn)澆試件SW10初始剛度較大主要由于其混凝土強(qiáng)度較高；而試件SW7的初始剛度最小，因此，波紋管外的螺旋箍筋可提高試件的初始剛度。

表7 試件不同特征點(diǎn)的割線剛度

4 結(jié)論

1)預(yù)制墻試件和現(xiàn)澆墻試件的破壞形態(tài)基本相同，豎向植入鋼筋的漿錨連接起到了較好的傳力作用，使墻體與底座連接成為整體。

2)波紋管外螺旋箍筋可提高試件的延性及前期剛度，但對承載力影響較小。

3)疊合面采用氣泡紙粗糙面可滿足疊合面抗剪及新舊混凝土緊密連接的要求，增設(shè)機(jī)械套筒對試件的力學(xué)性能無明顯影響。