装配式短肢剪力墙平面模型抗震性能试验

朱张峰，郭正兴

(东南大学土木工程学院，210096南京，zzfking2210@163.com)

预制装配式剪力墙结构(new precast concrete shear wall structure，NPC)是适应我国国情的一种新的住宅结构形式，其原理即采用预制钢筋混凝土墙、U形梁、叠合板，通过预留连接钢筋、后浇混凝土将墙、梁、板及节点拼装连成整体［1］.它不仅保留了剪力墙结构建筑功能强、节省材料、抗震有利等优点，而且采用了预制拼装工艺，符合建筑工业化和住宅产业化的大趋势并可实现绿色施工，具有广泛的应用前景.

NPC结构中使用了较多的短肢剪力墙，而当前对预制装配式短肢剪力墙的研究国内外都很少，国外学者［2-6］进行了预应力装配的混合剪力墙结构的试验研究和理论分析，国内研究同样集中在预应力装配式短肢剪力墙中［7-8］，而对预制装配式短肢剪力墙的研究几乎为空白.

因此，在节点试验已证明各种节点连接构造的安全性和可靠性的基础上［9-11］，拟对NPC短肢剪力墙、梁及板的平面组合件进行抗震性能试验.选取试点工程中具有代表性的1/2缩尺比例单跨三层平面单元制作了1个现浇模型和2个NPC模型，并进行低周反复荷载试验，通过对比对NPC模型的抗震性能作出评价.

1 试验概况

1.1 模型制作

制作1个现浇以及2个NPC单跨三层1/2缩尺比例平面模型，模型由T形墙、梁、板以及地基梁组成，编号分别为XJ1、ZP1、ZP2.3个模型的成型尺寸、构件配筋率保持一致.模型采用C30混凝土浇筑，纵向受力钢筋采用HRB400级钢筋，箍筋采用HPB235级钢筋.地基梁留足相应的Φ80锚固孔及钢绞线穿束孔.

NPC模型采用预制墙翼板、腹板、预制U形梁、预制叠合板，并于节点处预留连接钢筋，然后二次浇筑混凝土，形成整体结构(图1(b)).其中，由于模型尺寸较小，墙体竖向连接构造较难实现，因此，本次试验未考虑墙体分段预制，制作时将整个高度上的翼缘板、腹板整体预制，安装后一次现浇翼缘板与腹板相交处混凝土.现浇及NPC模型制作详见图1.

图1 模型制作详图

1.2 试验加载装置及加载方式

试验在江苏省交通科学研究院结构试验室进行，水平加载设备为1 000 kN液压伺服控制系统(MTS).试验时，通过地脚螺杆穿过预留孔将模型锚固于地面上，采用张拉预应力钢绞线施加轴压，钢绞线锚固端采用特制的可微转动锚具，以保证结构侧移时钢绞线不产生折角，并保持轴压恒定.为防止加载过程中模型平面外失稳，于模型两侧加钢管脚手架支撑，保证试验安全.试验加载简图见图2.

图2 试验加载简图

试验开始前，先于墙肢顶部施加设计轴压，轴压比控制为0.15，其中计算轴压比时采用实测混凝土立方体抗压强度(根据混凝土材性试验，现浇及预制部分混凝土强度分别为37、38 MPa，此处取38 MPa)换算得轴心抗压强度设计值，施加轴压为528 kN.轴压分三级加载，以便检查试验仪器是否正常工作以及轴压是否存在偏心.

待轴压稳定后，施加水平荷载，模型屈服前以力控制加载，每级循环1次，屈服后以位移控制加载，每级循环2～3次［12］.试验过程中规定MTS外推时为正，内拉时为负.

2 试验结果

各模型裂缝开展及破坏过程分述如下:

1)XJ1.加载初期(荷载绝对值＜27.5 kN)，模型未出现裂缝，荷载和位移呈线性变化，卸载后几乎无残余变形，处于弹性阶段;到荷载绝对值等于27.5 kN加载周期，一层梁与墙连接处出现竖向裂缝;随着荷载增加，二、三层梁与墙连接处相继出现竖向裂缝，到荷载绝对值等于50 kN加载周期，墙肢底部出现水平裂缝，各层梁裂缝向跨中方向扩展;到荷载绝对值等于100 kN加载周期，一层梁受拉纵筋屈服，此时顶点位移为20 mm，之后进入位移加载阶段;到4Δ周期时，荷载达到峰值点，各层梁均形成塑性铰;到6Δ周期时，墙肢根部腹板混凝土压碎剥落，墙纵筋压屈，荷载下降至极限荷载的85%以下，模型宣告破坏.

2)ZP1.加载初期(荷载绝对值＜27.5 kN)，模型未出现裂缝，荷载和位移呈线性变化，卸载后几乎无残余变形，处于弹性阶段;到荷载值为-27.5 kN加载周期，一层梁与墙连接处出现竖向裂缝;随着荷载增加，二、三层梁与墙连接处相继出现竖向裂缝，到荷载绝对值等于70 kN加载周期，墙肢底部出现水平裂缝，梁端拼缝出现水平裂缝，到荷载绝对值等于116 kN加载周期，一层梁受拉纵筋屈服，此时顶点位移为18 mm，之后进入位移加载阶段;到0.5Δ周期时，墙肢腹板底部出现水平裂缝，各层梁裂缝向跨中扩展不明显，主要集中在梁端拼缝处;到4Δ周期时，荷载达到峰值点，一层梁根部混凝土出现剥落;到7Δ周期时，墙肢根部腹板混凝土压碎，墙纵筋压屈，荷载下降至极限荷载的85%以下，模型宣告破坏.

3)ZP2.加载初期(荷载绝对值＜25 kN)，模型未出现裂缝，荷载和位移呈线性变化，卸载后几乎无残余变形，处于弹性阶段;到荷载绝对值等于25 kN加载周期，一层梁与墙连接处出现竖向裂缝;随着荷载增加，二、三层梁与墙连接处相继出现竖向裂缝，到荷载绝对值等于70 kN加载周期，墙肢底部出现水平裂缝，梁端拼缝出现水平裂缝，到荷载绝对值等于90 kN加载周期，一层梁受拉纵筋屈服，此时顶点位移为18 mm，之后进入位移加载阶段;到0.5Δ周期时，墙肢腹板底部出现水平裂缝，各层梁裂缝向跨中扩展不明显，主要集中在梁端拼缝处;到4Δ周期时，荷载达到峰值点，一层梁根部混凝土出现剥落;到7Δ周期时，墙肢根部混凝土压碎，墙纵筋压屈，荷载下降至极限荷载的85%以下，模型宣告破坏.

各模型的破坏形态见图3.

图3 模型破坏形态

3 试验分析

3.1 滞回曲线、骨架曲线

各模型的滞回曲线、骨架曲线见图4.

图4 模型滞回曲线、骨架曲线

对于滞回曲线，各模型具有如下共性:在开裂后至屈服前，滞回环处于稳定发展阶段，卸载后残余变形很小，滞回环面积较小;屈服后，滞回环呈反“S”型，面积明显增大，表明了较好的耗能能力，在同一位移级别下，后面循环与第一次循环相比，强度和加载刚度均有明显退化;达到极限承载力后，承载力下降缓慢，滞回曲线平缓下降，同时，滞回环开始出现捏缩，有向“Z”型过渡的趋势.

对于骨架曲线，各模型曲线走势基本一致，表现出相近的发展规律，在低周反复荷载作用下都经历了弹性、屈服、极限、破坏等几个阶段.同时，三者骨架曲线下降段都比较平缓，说明后期模型承载力下降缓慢、延性较好，有利于抗震.

3.2 加载特征点、延性系数、刚度的比较

各模型在开裂、屈服、极限3个阶段的荷载和位移值、位移延性系数以及弹性刚度列于表1.

表1 加载特征点、延性、刚度对比

从表中可以看出，3个模型各加载特征点荷载、位移基本接近.NPC模型与现浇模型的位移延性系数基本相同，甚至有所提高.由于模型制作离散性，弹性刚度项ZP1和ZP2相差较大，但是相对于XJ1，两者都得到了提高.

模型在各级位移循环下的平均刚度计算可参见文献［11］.各模型平均刚度退化曲线见图5.

由图5可以看出，ZP1、ZP2刚度退化曲线前期较XJ1要陡，后期与XJ1基本重合，刚度退化减缓.分析认为，位移加载阶段初期，墙、梁连接钢筋使截面刚度提高，从而使墙、梁节点刚度提高，导致NPC模型较现浇模型受力整体性更好，因此，初始刚度较高.到加载后期，由于混凝土开裂严重，且连接钢筋也已屈服，截面刚度主要由截面受压侧混凝土提供，因此，此时现浇模型与NPC模型刚度接近.

图5 刚度退化曲线比较

3.3 耗能能力

结构耗散能量的能力以一周滞回环所包围的面积来衡量［13］.各模型在加载特征点的等效粘滞阻尼系数列于表2.

表2 等效粘滞阻尼系数比较

从表2可以看出，ZP1、ZP2在各阶段的耗能能力与XJ1基本接近，随着控制荷载的增大，耗能系数呈上升趋势.由于节点区连接钢筋的耗能作用，模型屈服后甚至有所提高.

3.4 破坏机理和耗能机理

对于破坏机理，从试验过程可以看出，3个模型均是“混合铰”机制，有利于抗震.同时，相比现浇模型，NPC模型塑性铰则集中在墙、梁连接处.

对于耗能机理，三者原理相同，都是依靠裂缝的产生和发展、钢筋的屈服、混凝土的压碎等过程消耗能量.在加载初期，由于梁对墙肢的约束作用，结构整体弯矩与局部弯矩共同抵抗外部水平荷载，顶点侧移曲线呈弯剪型，耗能能力较好，滞回曲线呈较丰满的反“S”型;当梁逐层屈服、塑性铰充分发展后，水平荷载的继续增加主要由两墙肢单独承担，顶点侧移曲线呈剪切型，耗能能力下降，滞回曲线发生水平滑移，出现捏缩效应，呈较狭长的“Z”型.

但仔细观察可以发现，NPC模型与现浇模型的耗能钢筋发生了变化，现浇模型主要依靠梁上、下层纵筋消耗能量，而NPC模型依靠节点区连接钢筋消耗能量，梁纵筋没有做出太大贡献，从图6梁底纵筋与同一位置处连接钢筋应变变化可以看出，NPC模型中梁底纵筋基本处于弹性状态，没有残余应变，而连接钢筋随着位移级别增加，残余变形逐渐累积，耗散外界输入能量.选取了三模型同一节点处破坏对比照片见图7.

图6 钢筋应变对比

图7 节点破坏照片

4 结论

1)在弹性工作阶段，NPC模型较现浇模型承载能力相近，且具有足够的抗侧刚度;在弹塑性工作阶段，两者承载能力与耗能能力基本相近，NPC模型位移延性稍高，且均为“混合铰”破坏机制.总体看来，现浇模型和NPC模型表现相当.

2)由于NPC节点构造特点，造成预制墙与梁之间形成近似铰接连接，但仍能保持两侧墙肢的受力整体性，因此，对整体模型的抗震性能影响不是很大.

3)通过探索更合理的节点细部构造与设计方法，NPC结构的抗震性能可以进一步提高.

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