預(yù)埋波紋管縱肋疊合剪力墻抗震性能試驗研究*

王 俊, 田春雨, 楊思忠, 劉 洋, 朱鳳起, 李 洋

(1 中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2 北京市住宅產(chǎn)業(yè)化集團(tuán)有限公司，北京 100161；3 承德綠建建筑節(jié)能科技股份有限公司，承德 067000)

0 引言

近年來,我國裝配式建筑發(fā)展規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大[1-2],裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)是適用高度最大、應(yīng)用最為廣泛的一種裝配式建筑結(jié)構(gòu)形式。裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系中疊合剪力墻吸收了現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)與預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,具有鋼筋連接質(zhì)量可控、工業(yè)化程度高、整體性好[3]等特點,已成為國內(nèi)裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系重要組成部分[4-5],具有廣闊的發(fā)展前景。

侯和濤等[6]對預(yù)制帶肋疊合剪力墻受力性能進(jìn)行研究,張文瑩、王平山等[7-8]對雙面疊合剪力墻進(jìn)行試驗研究,王滋軍、葉燕華等[9-10]對疊合剪力墻抗震性能進(jìn)行研究,大量學(xué)者的研究結(jié)果表明疊合剪力墻具有與現(xiàn)澆剪力墻相同的抗震性能。

縱肋疊合剪力墻體系是北京市住宅產(chǎn)業(yè)化集團(tuán)、承德綠建聯(lián)合開發(fā)的一種新型的裝配整體式疊合剪力墻,具有結(jié)構(gòu)安全性高、施工便利工期短等優(yōu)點[11-12],其抗震性能可以等同現(xiàn)澆[13]。圖1為縱肋疊合剪力墻體系預(yù)制墻板構(gòu)件,預(yù)制墻板底部設(shè)有空腔,施工現(xiàn)場下層預(yù)制墻體頂部伸出封閉環(huán)狀鋼筋,與上層預(yù)制墻體底部鋼筋于空腔內(nèi)搭接,之后通過墻體上部澆筑孔向空腔內(nèi)澆筑混凝土以實現(xiàn)上下層墻體的鋼筋連接。

圖1 縱肋疊合剪力墻預(yù)制構(gòu)件

縱肋疊合剪力墻預(yù)制構(gòu)件澆筑孔道采用傳統(tǒng)抽芯脫模做法時,由于混凝土與模具黏連,脫模工作較為困難且勞動強(qiáng)度高,在脫模過程中容易損傷構(gòu)件,同時抽芯脫模后澆筑孔道內(nèi)壁光滑無粗糙面,不利于新舊澆筑混凝土結(jié)合整體受力。采用預(yù)埋波紋管做法成型可免去脫模工作[14],減少預(yù)制構(gòu)件加工難度,且波紋管帶全長螺紋可與混凝土緊密結(jié)合,可有效解決新舊混凝土結(jié)合問題。本文針對預(yù)埋波紋管的縱肋疊合剪力墻的抗震性能進(jìn)行試驗研究,為技術(shù)應(yīng)用和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制提供依據(jù)。

1 試驗研究方案

1.1 試件設(shè)計

根據(jù)縱肋疊合剪力墻實際結(jié)構(gòu)墻肢形式設(shè)計試件,如圖2所示,試件墻高2800mm,混凝土強(qiáng)度等級C40,設(shè)計軸壓比0.3、0.45,試件參數(shù)見表1。

表1 試件設(shè)計參數(shù)

圖2 試件尺寸及配筋

1.2 試驗方案

試驗加載裝置如圖3所示,試件用地錨固定在試驗臺座上,試驗時在恒定豎向荷載作用下施加水平低周反復(fù)荷載。軸壓力通過門架、千斤頂及分配梁施加,千斤頂與門架之間設(shè)置滑板,保持軸向力可以適應(yīng)試件變形。側(cè)向力通過1臺300t電液伺服作動器及反力墻施加。墻板側(cè)面設(shè)置側(cè)向支撐鋼梁防止失穩(wěn)。

軸壓力N按式(1)計算:

(1)

式中:α為設(shè)計軸壓比;ft為C40混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值;A為墻板截面面積。

試驗時,按荷載-位移混合控制進(jìn)行加載。首先,施加軸壓力至設(shè)計軸壓比,并保持恒定;然后對墻體施加低周往復(fù)荷載,試件屈服(邊緣構(gòu)件縱筋達(dá)到屈服應(yīng)變)前采用荷載控制加載,每級循環(huán)1次;試件屈服后采用位移控制加載,即按屈服位移整數(shù)倍控制加載,每級循環(huán)2次,直至荷載下降至峰值荷載的85%或試件發(fā)生不適宜繼續(xù)加載的嚴(yán)重破壞。

試驗過程中測量水平荷載、試件不同標(biāo)高處相對位移、關(guān)鍵鋼筋應(yīng)變,并記錄試件破壞形態(tài)、裂縫走勢、裂縫寬度、最終破壞模式等。位移計測點自地梁頂至加載中心4等分,為安裝位移計方便,D5測點上移100mm,D4測點隨之上移50mm,由于面外約束梁與D2測點沖突,D2測點下移150mm,位移計布置如圖4(a)所示。選取墻板非模板面一側(cè)關(guān)鍵位置鋼筋測量應(yīng)變,如圖4(b)所示,選取首位、末位、正中位三根鋼筋測量應(yīng)變,正中位無鋼筋由左起第一根鋼筋代替。

圖4 測量方案

1.3 材料力學(xué)性能

混凝土澆筑時按澆筑批次預(yù)留了150×150×150的立方體試塊并同條件養(yǎng)護(hù),實測[15]立方體試塊抗壓強(qiáng)度見表2。

表2 混凝土試塊強(qiáng)度

試驗所有試件均在同一工廠同時期加工,所用鋼筋均為同一批,直徑分別為8、10、14,每種鋼筋截取標(biāo)準(zhǔn)試樣3根,實測鋼筋強(qiáng)度見表3。

表3 鋼筋力學(xué)屬性

2 試驗現(xiàn)象

本次試驗試件主要發(fā)生彎曲破壞、彎剪破壞兩種破壞模式,試驗后破壞照片如圖5所示。

剪跨比大的試件主要以混凝土輕微壓碎、鋼筋拉斷的彎曲破壞為主,對應(yīng)試件分別為:Q1Y1B-04、Q1Y1-04、Q1Y1B-03、Q1Y1-03。典型試驗過程:荷載到達(dá)300～400kN時試件開裂,墻身底部0～60cm范圍內(nèi)受彎水平開裂;繼續(xù)加載,荷載到達(dá)400～450kN時,Z1、Z3測點應(yīng)變超過2 300με,且位移增長較快,試件屈服,開裂范圍增高,所有裂縫先水平后斜向向墻體中部開展;繼續(xù)加載,位移到達(dá)16～20mm時,試件角部混凝土出現(xiàn)豎向受壓裂縫;繼續(xù)加載直至達(dá)到峰值荷載,受壓裂縫增多,表皮混凝土逐步脫落縱筋裸露;繼續(xù)加載荷載進(jìn)入下降段,混凝土少量局部脫落,最終鋼筋拉斷試驗終止。

剪跨比小的試件主要以鋼筋拉斷、混凝土壓碎,墻身出現(xiàn)斜向剪切裂縫的彎剪破壞為主,對應(yīng)試件分別為:Q2YB-03、Q2Y-03。典型試驗過程:荷載到達(dá)800kN時試件開裂,墻身底部0～60cm范圍內(nèi)受彎水平開裂;繼續(xù)加載,荷載到達(dá)900kN時試件屈服,開裂范圍增高,所有裂縫先水平后斜向向墻體中部開展;繼續(xù)加載,位移到達(dá)16～20mm時,試件角部受壓出現(xiàn)斜向及豎向受壓裂縫;繼續(xù)加載直至達(dá)到峰值荷載,斜向受壓裂縫繼續(xù)斜向開裂,壓區(qū)底部表皮混凝土逐步脫落縱筋裸露;繼續(xù)加載荷載進(jìn)入下降段,首先鋼筋拉斷,隨后受壓區(qū)混凝土壓潰墻身形成斜向剪切大裂縫,試驗終止。

可以看出:1)相同參數(shù)的有波紋管試件與無波紋管試件破壞模式、裂縫形態(tài)完全相同,波紋管處未發(fā)生豎向開裂;2)剪跨比相同時,軸壓比從0.3增大至0.45,墻體裂縫開裂高度略有降低,“X”形裂縫交叉點分布范圍從1/2墻高降低至約1/3墻高,有波紋管試件與無波紋管試件變化規(guī)律完全相同;3)軸壓比相同時,剪跨比從2.33減小至1.4,墻體水平裂縫更少,“X”形裂縫交叉點分布范圍從1/2墻高降低至約1/3墻高,有波紋管試件與無波紋管試件變化規(guī)律完全相同。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 滯回曲線

各試件滯回曲線如圖6所示,其中F為對試件施加的荷載,即試件承載力,Δ為試件加載點與地梁的相對位移?？梢钥闯?1)加載初期滯回曲線呈梭形,滯回環(huán)飽滿,對應(yīng)試件無開裂或較少開裂階段;加載中期變?yōu)楣?滯回環(huán)包圍面積增大,曲線略有捏縮,對應(yīng)試件大量開裂;加載后期為輕微反S形,滯回環(huán)嚴(yán)重捏縮,對應(yīng)試件混凝土壓碎;2)剪跨比相同時,軸壓比變化,試件滯回曲線特征幾乎不變,軸壓比相同時,剪跨比減小,滯回曲線捏縮更加明顯;3)相同參數(shù)的有波紋管試件與無波紋管試件滯回曲線特征及變化規(guī)律完全相同。

3.2 骨架曲線

各試件骨架曲線如圖7所示?？梢钥闯?1)骨架曲線走勢基本分為彈性上升段、彈塑性上升段、大變形段和下降段;彈性上升段對應(yīng)于試件未開裂或較少開裂以前,荷載隨位移的增大而線性增加,整體表現(xiàn)為彈性;彈塑性上升段混凝土大量開裂且鋼筋受拉屈服,試件剛度逐漸減小,表現(xiàn)出較明顯的彈塑性;大變形段混凝土受壓損傷逐步退出工作,鋼筋受拉進(jìn)入強(qiáng)化;下降段混凝土受壓損傷大量脫落,部分試件鋼筋頸縮拉斷,骨架曲線進(jìn)入下降段;2)剪跨比相同時,軸壓比增大,骨架曲線彈性上升段變長,大變形段少量變短,軸壓比相同時,剪跨比減小,骨架曲線彈性上升段變長,大變形段大量變短,下降段更加迅速;3)相同參數(shù)的有波紋管試件與無波紋管試件骨架曲線特征及變化規(guī)律完全相同。

圖7 各試件骨架曲線

3.3 承載力

本次試驗試件屈服點不明顯,采用作圖法求解試件的屈服承載力和屈服位移。如圖8所示,過原點O做骨架曲線的切線,與峰值荷載的水平線相交于A點,自A點做垂線與骨架曲線相交于B點,連接OB并延伸與峰值荷載水平線相交于C點,過C點做垂線與骨架曲線相交于D點,即為屈服點。D點所對應(yīng)的位移為屈服位移,對應(yīng)的荷載為屈服荷載即為屈服承載力。

圖8 作圖法確定屈服點

同時提取各試件峰值承載力及峰值承載力對應(yīng)的位移見表4。

表4 各試件承載力

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[16]中正截面偏心受壓承載力計算公式(式(6.2.19-1)～(6.2.19-4))計算本次試驗試件屈服及峰值承載力。計算時,混凝土強(qiáng)度取實測軸心抗壓強(qiáng)度,鋼筋強(qiáng)度取實測屈服強(qiáng)度時計算結(jié)果為計算屈服承載力、鋼筋強(qiáng)度取實測峰值強(qiáng)度時計算結(jié)果為計算峰值承載力,并將試驗值與計算值對比,相關(guān)計算結(jié)果見表5。

表5 各試件試驗、計算承載力對比

可以看出:1)相同參數(shù)的有波紋管與無波紋管試件屈服承載力及峰值承載力幾乎相同,且試驗與計算的比值極為接近,說明預(yù)埋波紋管對試件承載力幾乎無影響,按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)中正截面偏心受壓公式(式(6.2.19-1)～(6.2.19-4))計算預(yù)埋波紋管縱肋疊合剪力墻的承載力是可行的;2)剪跨比相同時,軸壓比從0.3增大至0.45,試件屈服承載力提高約20%,峰值承載力提高約12%,軸壓比相同時,剪跨比從2.33減小至1.4,試件屈服承載力提高約125%,峰值承載力越高約105%,有波紋管試件與無波紋管試件變化規(guī)律基本相同。

3.4 剛度退化

根據(jù)《建筑抗震試驗方法規(guī)程》(JGJ 101—2015)[17]規(guī)定計算割線剛度K,剛度退化曲線如圖9所示。可以看出:1)隨著荷載的增加,所有試件均發(fā)生了剛度退化,且屈服前剛度退化明顯,屈服后剛度退化變緩,相同參數(shù)的有波紋管試件與無波紋管試件剛度退化趨勢幾乎完全相同;2)剪跨比相同時,軸壓比越大,試件剛度退化越緩慢;軸壓比相同時,剪跨比越小,試件剛度退化越明顯,有波紋管試件與無波紋管試件變化規(guī)律基本相同。

圖9 各試件剛度退化曲線

3.5 側(cè)向變形

圖10為各試件在26mm加載級別下墻體不同高度H的側(cè)向變形?？梢钥闯?1)隨著加載級別增加及測點高度增大,所有試件側(cè)向變形均逐漸增大,相同參數(shù)的有波紋管試件側(cè)向變形與無波紋管試件幾乎完全相同;2)剪跨比相同時,軸壓比變化,試件側(cè)向變形幾乎無差別;軸壓比相同時,剪跨比從2.33減小至1.4,試件側(cè)向變形曲線更加接近直線,即變形模式從彎曲變形變?yōu)榧羟凶冃巍?/p>

圖10 各試件沿墻高的側(cè)向變形

3.6 延性系數(shù)

根據(jù)《建筑抗震試驗方法規(guī)程》(JGJ 101—2015)[17]規(guī)定計算延性系數(shù)。在本次試驗中取峰值后下降段90%的峰值荷載所對應(yīng)的點的位移為試件的極限位移,各試件極限位移及延性系數(shù)見表6。可以看出:1)所有試件均具有較好的變形能力和較大的延性系數(shù),極限位移均大于28mm,滿足規(guī)范對剪力墻結(jié)構(gòu)大震下層間位移角1/120的變形要求;2)相同參數(shù)的有波紋管試件延性系數(shù)略低于無波紋管試件,但差別較小,幾乎可以忽略;3)剪跨比相同時,隨著軸壓比降低延性系數(shù)增大,軸壓比相同時,隨著剪跨比增大延性系數(shù)提高,有波紋管試件與無波紋管試件變化規(guī)律基本相同。

表6 各試件極限位移及延性系數(shù)

3.7 耗能能力

各試件能量耗散系數(shù)e變化曲線如圖11所示。可以看出:1)隨著塑性變形的增加,所有試件能量耗散系數(shù)逐漸增大,剪跨比、軸壓比變化,試件能量耗散系數(shù)變化幾乎無差別,相同參數(shù)的有波紋管試件與無波紋管試件能量耗散系數(shù)幾乎相同。

圖11 各試件能量耗散系數(shù)曲線

4 結(jié)論

(1)相同參數(shù)的有波紋管試件與無波紋管試件的破壞模式、裂縫分布幾乎完全相同,試驗過程中未發(fā)生沿波紋管的開裂及破壞,波紋管對縱肋疊合剪力墻破壞模式、裂縫分布無影響。

(2)相同參數(shù)的有波紋管試件與無波紋管試件的滯回曲線特征、骨架曲線走勢、承載力、側(cè)向變形、剛度退化、耗能能力、延性系數(shù)完全一致,波紋管對縱肋疊合剪力墻受力性能幾乎無影響。

(3)剪跨比相同時,隨著軸壓比增大,試件承載力提高,剛度退化變緩慢,延性系數(shù)降低;軸壓比相同時,隨著剪跨比減小,試件承載力提高,延性系數(shù)降低;有波紋管試件的受力性能受參數(shù)影響的變化規(guī)律與無波紋管試件完全相同。

(4)有波紋管的縱肋疊合剪力墻的承載力可以按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)中正截面偏心受壓公式計算,可按“等同現(xiàn)澆”原則進(jìn)行設(shè)計。