裝配式預(yù)制混凝土墻體抗側(cè)性能研究

李臣臣（濟(jì)南市萊蕪區(qū)建筑業(yè)服務(wù)中心，山東 萊蕪 271100）

隨著建筑工程技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對建筑結(jié)構(gòu)性能要求的提高，裝配式預(yù)制混凝土墻體作為一種重要的結(jié)構(gòu)形式，在現(xiàn)代建筑中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。其具有施工速度快、質(zhì)量可控、環(huán)保等優(yōu)勢，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，其抗側(cè)性能對于保障結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性至關(guān)重要[2]。

為了深入了解裝配式預(yù)制混凝土墻體在側(cè)向荷載下的抗側(cè)性能，本研究通過系統(tǒng)而全面的試驗(yàn)研究，評估該結(jié)構(gòu)在不同條件下的側(cè)向承載能力和變形性能。試驗(yàn)設(shè)計(jì)包括試樣制備、試驗(yàn)裝置設(shè)置、試驗(yàn)參數(shù)確定、荷載施加方式選擇、測量和記錄關(guān)鍵數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析等多個(gè)步驟，進(jìn)而全面而深入地揭示裝配式預(yù)制混凝土墻體抗側(cè)性能的特征及其影響因素。通過對關(guān)鍵參數(shù)如墻體厚度、配筋方式等的合理設(shè)置，本研究將深入探討墻體在各種工程條件下的抗側(cè)性能表現(xiàn)，并通過荷載-位移曲線、應(yīng)變等數(shù)據(jù)的綜合分析，得出結(jié)論并提出對于提升裝配式預(yù)制混凝土墻體抗側(cè)性能的建議。本研究結(jié)果不僅為相關(guān)工程實(shí)踐提供重要的參考依據(jù)，也有助于推動裝配式預(yù)制混凝土技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與完善。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試樣制備

在研究裝配式預(yù)制混凝土墻體抗側(cè)性能時(shí)，通過制備不同條件下的試樣進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)?；炷僚浞桨ㄆ胀ü杷猁}水泥、河沙（細(xì)度模數(shù)2.6）、20mm內(nèi)直徑碎石，水灰比控制在0.45。鋼筋選用HRB400，直徑為10mm。尺寸設(shè)計(jì)考慮到試驗(yàn)和建筑需求，設(shè)計(jì)了不同厚度的試樣，同時(shí)確保配筋方式具有實(shí)際工程代表性。

試樣制備過程中，按照預(yù)定的水泥用量和砂石配合比例進(jìn)行混凝土攪拌，并在預(yù)制模具中放置了10mm的水平和垂直方向鋼筋，縱橫交錯(cuò)布置。為了全面了解不同墻體厚度的影響，制備了厚度分別為150mm、200mm 和250mm 的試樣。每個(gè)試樣都經(jīng)過明確標(biāo)識，并記錄了制備日期、混凝土配方、水泥用量、鋼筋規(guī)格和數(shù)量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以建立清晰的試樣檔案供后續(xù)數(shù)據(jù)分析使用。

1.2 試驗(yàn)裝置

為確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，設(shè)計(jì)和設(shè)置了適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)裝置來模擬實(shí)際工程條件。

（1）支撐結(jié)構(gòu)。搭建堅(jiān)固的支撐結(jié)構(gòu)，確保試樣在加載過程中保持穩(wěn)定。支撐結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)包括支撐材料強(qiáng)度（Q345鋼材）、支撐高度（2.5m）。

（2）側(cè)向加載裝置。設(shè)計(jì)合適的側(cè)向加載裝置，模擬墻體在實(shí)際工程中受到的側(cè)向荷載。側(cè)向加載裝置采用了油壓缸，施加的側(cè)向力可以調(diào)整。加載力的范圍為0～200kN。

（3）測量儀器。安裝位移傳感器和應(yīng)變計(jì)等測量儀器，以準(zhǔn)確記錄試樣在加載過程中的變形和應(yīng)力情況。位移傳感器的靈敏度為0.01mm，應(yīng)變計(jì)的采樣頻率為100Hz。

（4）加載控制系統(tǒng)。采用可靠的加載控制系統(tǒng)，確保加載過程中施加的力和速度符合設(shè)計(jì)要求。加載控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)恒載荷、變載荷等加載方式，并能夠保持加載速度在0.5kN/s。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)

在進(jìn)行裝配式預(yù)制混凝土墻體抗側(cè)性能研究時(shí)，需要明確定義和控制一些關(guān)鍵參數(shù)并深入了解這些參數(shù)對結(jié)構(gòu)性能的影響。

（1）墻體厚度。試驗(yàn)選擇不同的墻體厚度作為試驗(yàn)變量，具體選取的厚度包括150mm、200mm和250mm，幫助試驗(yàn)分析墻體厚度對抗側(cè)性能的影響趨勢。

（2）配筋方式。試驗(yàn)考慮采用不同的配筋方式作為另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。具體而言，將設(shè)計(jì)水平和垂直方向鋼筋的布置方式，包括縱橫交錯(cuò)、單向配筋等。這將幫助我們評估不同配筋方式對抗側(cè)性能的影響。

2 試驗(yàn)方法

2.1 荷載施加方式

為模擬裝配式預(yù)制混凝土墻體在側(cè)向荷載下的實(shí)際工作情況，試驗(yàn)采用以下方式施加水平荷載：

（1）加載方式。采用靜態(tài)加載方式，逐漸施加水平荷載，觀察試樣在不同荷載下的變形和應(yīng)力響應(yīng)[3]。

（2）加載范圍。荷載范圍設(shè)定為0～200kN，以涵蓋常見實(shí)際工程中可能受到的側(cè)向荷載。

（3）加載速率。設(shè)定加載速率為0.5kN/s，確保在加載過程中保持適度的穩(wěn)定性，以獲取可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（4）加載持續(xù)時(shí)間。每次加載后將觀察試樣的變形情況，并在達(dá)到最大荷載后保持一定時(shí)間，保證評估試樣在持續(xù)荷載下的穩(wěn)定性[4]。

2.2 測量和記錄

為確保對裝配式預(yù)制混凝土墻體抗側(cè)性能的細(xì)致了解，在試驗(yàn)過程中需要進(jìn)行以下測量和記錄：

（1）位移測量。安裝在試樣關(guān)鍵部位的位移傳感器將記錄試樣在加載過程中的位移變化。位移傳感器的靈敏度設(shè)置為0.01mm，方便捕捉微小的位移變化。

（2）應(yīng)變測量。使用應(yīng)變計(jì)測量試樣中的應(yīng)變情況，應(yīng)變計(jì)的采樣頻率設(shè)定為100Hz，確保對應(yīng)變的高頻率監(jiān)測。

（3）加載力測量。通過加載控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測加載裝置施加在試樣上的力，獲取加載過程中的力變化情況。

（4）時(shí)間記錄。記錄整個(gè)試驗(yàn)過程的時(shí)間序列，包括加載開始、結(jié)束時(shí)間等，以便對試驗(yàn)過程進(jìn)行時(shí)間關(guān)聯(lián)分析。

3 試驗(yàn)步驟

3.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

在進(jìn)行裝配式預(yù)制混凝土墻體抗側(cè)性能研究之前，需要進(jìn)行以下試驗(yàn)前準(zhǔn)備步驟：

（1）檢查試驗(yàn)裝置。確保支撐結(jié)構(gòu)、側(cè)向加載裝置、測量儀器和加載控制系統(tǒng)等試驗(yàn)裝置正常運(yùn)行。檢查支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度參數(shù)，如Q345 鋼材的材料強(qiáng)度，確保其符合設(shè)計(jì)要求。

（2）校準(zhǔn)測量儀器。對位移傳感器、應(yīng)變計(jì)等測量儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，確保其準(zhǔn)確度和靈敏度在試驗(yàn)范圍內(nèi)。位移傳感器的靈敏度應(yīng)設(shè)置為0.01mm，應(yīng)變計(jì)的采樣頻率為100Hz。

（3）調(diào)整加載控制系統(tǒng)。對加載控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，確保其能夠?qū)崿F(xiàn)恒載荷、變載荷等加載方式，并保持加載速度在0.5kN/s。檢查加載控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

（4）確認(rèn)試樣標(biāo)識。確認(rèn)每個(gè)試樣的明確標(biāo)識，包括制備日期、混凝土配方、水泥用量、鋼筋規(guī)格和數(shù)量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這些標(biāo)識將在后續(xù)的數(shù)據(jù)分析中起到關(guān)鍵作用。

（5）檢查油壓缸和加載力范圍。對側(cè)向加載裝置進(jìn)行檢查，確保油壓缸正常運(yùn)作。根據(jù)試驗(yàn)要求，調(diào)整加載力的范圍為0～200kN，從而涵蓋常見實(shí)際工程中可能受到的側(cè)向荷載。

3.2 施加荷載

為模擬裝配式預(yù)制混凝土墻體在側(cè)向荷載下的實(shí)際工作情況，采用以下步驟施加荷載：

（1）加載方式。采用靜態(tài)加載方式，逐漸施加水平荷載。通過加載控制系統(tǒng)，確保加載過程平穩(wěn)，以觀察試樣在不同荷載下的變形和應(yīng)力響應(yīng)。

（2）加載范圍。設(shè)定荷載范圍為0～200kN，以覆蓋常見實(shí)際工程中可能受到的側(cè)向荷載，有助于全面了解墻體在各種工況下的性能表現(xiàn)。

（3）加載速率。設(shè)置加載速率為0.5kN/s，以確保加載過程中的穩(wěn)定性。適度的加載速率有助于獲取可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并模擬實(shí)際側(cè)向荷載作用下的工作條件。

（4）加載持續(xù)時(shí)間。每次達(dá)到最大荷載后，保持一定時(shí)間，觀察試樣在持續(xù)荷載下的變形情況，此步驟有助于評估試樣在側(cè)向荷載持續(xù)作用下的穩(wěn)定性[5]。

通過以上荷載施加步驟，可以模擬裝配式預(yù)制混凝土墻體在不同側(cè)向荷載作用下的實(shí)際響應(yīng)。同時(shí)，通過位移傳感器、應(yīng)變計(jì)、加載力傳感器等測量儀器記錄關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供翔實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)采集

在進(jìn)行裝配式預(yù)制混凝土墻體抗側(cè)性能研究的試驗(yàn)中，通過仔細(xì)的數(shù)據(jù)采集，獲得了關(guān)鍵參數(shù)的測量結(jié)果，見表1。

表1 裝配式預(yù)制混凝土墻體抗側(cè)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過對比不同試驗(yàn)參數(shù)下的結(jié)果，可以得出以下初步結(jié)論：

（1）墻體厚度影響。隨著墻體厚度的增加，墻體的抗側(cè)性能呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢。250mm 厚度的墻體相較于150mm 和200mm 墻體，在相同配筋方式下承受更大的側(cè)向荷載。

（2）配筋方式影響。不同的配筋方式對墻體的抗側(cè)性能有顯著影響，縱橫交錯(cuò)的配筋方式在各墻體厚度下表現(xiàn)出色。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 增加墻體厚度、縱橫交錯(cuò)配筋方式可提高抗側(cè)性能

如圖1 所示，隨著墻體厚度的增加，整體趨勢呈現(xiàn)出更為鮮明的提升，表明墻體厚度與抗側(cè)性能之間存在正相關(guān)關(guān)系。特別是在縱橫交錯(cuò)配筋方式下，150mm、200mm、250mm 厚度的墻體相繼呈現(xiàn)出20.5mm、25.2mm 和30.8mm 的最大位移，呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，強(qiáng)化了墻體厚度對抗側(cè)性能的顯著影響。

圖1 不同墻體厚度最大位移對比圖

對比兩種配筋方式，縱橫交錯(cuò)的性能優(yōu)勢也得以體現(xiàn)。在每個(gè)墻體厚度下，采用縱橫交錯(cuò)的墻體均顯示出更大的位移。這進(jìn)一步印證了縱橫交錯(cuò)配筋方式對于提高抗側(cè)性能的有效性。因此，結(jié)合荷載-位移曲線的綜合觀察，本研究堅(jiān)定主張，在實(shí)際工程中，通過增加墻體厚度和采用縱橫交錯(cuò)的配筋方式，可有效提升裝配式預(yù)制混凝土墻體的抗側(cè)性能，為結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性提供可行途徑。

4.2 墻體厚度與最大應(yīng)變呈正相關(guān)關(guān)系

根據(jù)圖2 可知，最大應(yīng)變隨墻體厚度變化的趨勢，可得出結(jié)論：墻體厚度的增加伴隨著最大應(yīng)變的提高，表明墻體厚度與結(jié)構(gòu)的變形性能存在正相關(guān)關(guān)系。

圖2 不同墻體厚度最大應(yīng)變對比圖

在縱橫交錯(cuò)配筋方式下，150mm、200mm、250mm厚度的墻體最大應(yīng)變分別為0.003、0.004和0.005，呈逐漸增大的趨勢。而在單向配筋方式下，對應(yīng)墻體的最大應(yīng)變?yōu)?.002、0.003和0.004。兩種配筋方式下，墻體厚度的增加均導(dǎo)致了最大應(yīng)變的上升，且縱橫交錯(cuò)方式相對于單向配筋方式表現(xiàn)更為顯著。

因此，本研究在最大應(yīng)變方面的數(shù)據(jù)支持下得出結(jié)論：通過增加墻體厚度，尤其是采用縱橫交錯(cuò)的配筋方式，可有效提高裝配式預(yù)制混凝土墻體的變形性能，為墻體在受力時(shí)更好地保持整體穩(wěn)定性提供了技術(shù)支持。

4.3 墻體厚度與最大加載力呈正相關(guān)關(guān)系

如圖3所示，墻體厚度的增加與最大加載力的提高呈正相關(guān)關(guān)系，且縱橫交錯(cuò)方式相對于單向配筋方式表現(xiàn)更為顯著。在縱橫交錯(cuò)配筋方式下，150mm、200mm、250mm 厚度的墻體最大加載力分別為122kN、154kN和180kN，呈逐漸增大的趨勢。而在單向配筋方式下，對應(yīng)墻體的最大加載力為100kN、133kN 和165kN。墻體厚度的增加導(dǎo)致了最大加載力的明顯提升，而采用縱橫交錯(cuò)方式的墻體相對更能承受更大的水平荷載。因此，本研究認(rèn)為通過增加墻體厚度，尤其是采用縱橫交錯(cuò)的配筋方式，能夠顯著提高裝配式預(yù)制混凝土墻體的承載能力，為墻體在實(shí)際工程中更好地抵抗側(cè)向荷載提供了實(shí)用的技術(shù)依據(jù)。

圖3 不同墻體厚度最大加載力對比圖

5 結(jié)語

（1）隨著墻體厚度的增加，墻體的抗側(cè)性能有所提升。250mm 厚度的墻體相比150mm 和200mm 墻體，在相同配筋方式下承受更大的側(cè)向荷載。

（2）不同的配筋方式對墻體的抗側(cè)性能產(chǎn)生顯著影響，縱橫交錯(cuò)的配筋方式在各墻體厚度下表現(xiàn)出色。

（3）隨著墻體厚度的增加，最大位移、最大應(yīng)變和最大加載力均呈現(xiàn)出相對一致的正向趨勢，表明墻體厚度的提高對墻體整體性能有積極影響。