带现浇边缘构件的预制双向孔模板剪力墙受力性能试验研究

赵钦艳,崔会趁,张中勇,刘继良,初明进

(烟台大学土木工程学院,山东 烟台 264005)

据统计,我国住宅在建造和使用过程中的总耗能约占全国总耗能的37%左右,是发达国家的二三倍．2006年6月21日,建设部颁布《国家住宅产业化基地实施大纲》,推动住宅产业化发展,目前已建立32个国家住宅产业化基地,今后将是住宅产业化大行其道的时代[1-2]．预制混凝土结构的构件在工厂制作,构件质量好,生产效率高,可缩短施工周期,减少现场工程量,采用预制混凝土结构是实现住宅产业化的有效途径[3-6]．

装配整体式剪力墙结构体系以其标准化、工厂化、机械化等优点在住宅产业化领域得到广泛应用．预制双向孔模板剪力墙结构是一种新型装配整体式剪力墙结构体系,装配单元是预制混凝土空心模(以下简称空心模),空心模内部开有纵、横双向交叉贯通圆孔,施工时可以将空心模吊装就位,在横向孔中布置水平钢筋,纵向孔洞内布置纵向钢筋,纵、横向孔内浇筑混凝土,形成整体结构．新型剪力墙结构具有构件标准化、运输吊装方便、结构整体性好等优点．

为推动预制双向孔模板剪力墙结构在住宅建筑中推广应用,进行了一片钢筋混凝土对比剪力墙和一片带现浇边缘构件的预制双向孔模板剪力墙的拟静力试验,研究新型结构的抗震性能．

1 试验概况

1.1 试件制作

图1 试件尺寸及配筋

在工厂统一制作2 700 mm×1 180 mm×180 mm的标准空心模,运至现场后按照试件尺寸进行凿边．将凿边后空心模吊装就位,在孔洞和边缘构件浇筑混凝土使之成为整片剪力墙．试件制作过程如图2所示．

图2 试件装配

实验测得混凝土立方体抗压强度标准值[7]如表1所示．试件边缘构件纵筋、空心模水平孔内后插钢筋和地梁插筋采用HRB400,空心模分布筋和边缘构件箍筋采用HPB235钢筋,实验测得钢筋屈服强度极限抗拉强度[8]见表2．

1.2 加载方案

对剪力墙进行水平低周反复加载试验,加载装置如图3所示．试验开始时先由竖向千斤顶按轴压比施加一竖向荷载,在试验过程中保持不变;然后由水平伺服作动器施加水平反复荷载．水平加载开始时采用荷载控制,每级荷载循环1次;试件滞回曲线上出现明显弯折点之后采用位移控制,每级控制位移循环2次[9]．

表1 混凝土抗压强度实测值

表2 钢筋实测强度

图3 试验加载装置

1.3 测量方案

采用荷载传感器测量竖向千斤顶及水平伺服作动器的荷载．采用位移计及导杆引伸仪测量试件水平位移、竖向位移、宏观竖向裂缝两侧的相对错动和水平张开、空心模与现浇边缘构件之间的相对错动和水平张开、地梁的水平移动和竖向位移等,位移计布置如图4(a)所示．采用电阻应变片测量边缘纵筋、水平受力钢筋、插筋应变,应变片布置如图4(b)所示．采用DH3816N静态采集系统对荷载、位移、应变等数据进行实时采集和监控．

图4 试件测点布置图

2 破坏过程

2.1 钢筋混凝土构件SW0

当水平荷载达到-345 kN和+400 kN时,试件墙根部出现水平裂缝1、2,宽度缓慢增大,如图5(a)所示;水平荷载达到+530 kN时出现第一条斜裂缝1,试件滞回曲线上出现明显弯折点,试验加载改为位移控制,此时加载点位移角为1/300;荷载-450 kN时出现斜裂缝2．随着控制位移增加,试件出现较多斜裂缝．当加载点位移角为1/193时出现贯通整面墙的对角斜裂缝1,反向加载时斜裂缝无法闭合．当加载点位移角为1/137时,试件达到峰值荷载+915.11 kN和-1 014.84 kN,对角斜裂缝1宽度急剧增大到2.5 mm,出现贯通整面墙的对角斜裂缝2．当位移角为1/68,对角斜裂缝1的急剧增大,试件丧失竖向和水平承载力,发生脆性剪切破坏．

2.2 预制双向孔模板剪力墙SW1-2

当水平荷载达到-335 kN和+400 kN时墙根部出现水平裂缝1、2,如图5(b);荷载达到-470 kN和+487 kN时出现斜裂缝1、2;当荷载达到+524 kN和-720 kN时墙体沿空心模竖向孔洞部位出现微细斜裂缝,双向交错形成宏观竖向裂缝1;水平荷载-633 kN和+538 kN时出现宏观竖向裂缝2,荷载为-707 kN和+553 kN时出现宏观竖向裂缝3,荷载为-738 kN和+540 kN时出现宏观竖向裂缝4．随着加载进行,斜裂缝不断开展,边缘构件与墙体交界出现竖向裂缝．当控制位移角为1/97时,试件达到峰值荷载+1 083.33 kN和-960.56 kN,此时试件宏观竖向裂缝两侧混凝土和边缘构件与空心模交界面竖向相对错动变形和水平张开变形突然增大,宏观竖向裂缝处起皮、掉渣,听到细小的开裂响声．控制位移角为1/47时,边缘构件与墙体交界裂缝处掉渣,宏观竖向裂缝处混凝土剥落严重,如图5(c)．此时试件水平承载力降低到峰值荷载的50%以下,依然保持竖向承载力,试验结束．

3 试验结果及分析

3.1 滞回曲线

试件SW0、SW1-2的顶点水平荷载-位移滞回曲线如图6(a)、(b)所示．SW0在达到峰值荷载之前,试件滞回曲线无捏拢;达到峰值荷载时,试件突然破坏,承载力急剧下降．SW1在达到峰值荷载之前,试件滞回曲线轻微捏拢;峰值荷载之后,试件仍有较大的变形能力．根据试验所得的滞回曲线绘制SW0和SW1-2的骨架曲线如图6(c)所示,在加载初期,SW0和SW1-2骨架曲线几乎重合,表明在弹性阶段,预制双向孔模板剪力墙中空心模与后浇混凝土结合良好,可作为整体结构共同受力．

图5 试件破坏形态

图6 顶点水平荷载-位移关系曲线

3.2 承载力分析

采用能量等值法[10]确定试件的名义屈服点,极限点取为骨架曲线上荷载下降到峰值荷载85%所对应点．对于SW0,极限点取峰值荷载点．能量等值法如图7,采用理想弹塑性曲线来代替试验水平荷载-顶点位移骨架曲线,弹塑性曲线上oY-YU与骨架曲线oABU所围面积相等．试件各关键点荷载、位移特性以及位移延性系数如表3所示．按能量等值法确定屈服荷载为Fy,对应屈服位移Δy;Fm为试件的峰值荷载,对应峰值位移Δm;Fu是试件极限荷载,对应极限位移Δu,Δu/Δy为位移延性系数．

图7 能量等值法

SW1-2的屈服荷载比SW0的高2.57%, SW1-2的极限剪压比比SW0低4.7%．可知预制双向孔模板剪力墙的承载能力有所降低,但SW1-2的位移延性系数接近4,延性较好．SW0在峰值荷载时突然发生脆性破坏,因此预制双向孔模板剪力墙具有良好的变形能力．

表3 关键点信息及延性系数

3.3 割线刚度退化

试件割线刚度变化曲线如图8,可见预制双向孔模板剪力墙的割线刚度略低于钢筋混凝土剪力墙;试件屈服前,割线刚度退化速率一致．

3.4 变形分布

试验中测量试件距地梁顶面240 mm、600 mm、1 200 mm及1 980 mm处的水平位移,绘出试件各循环沿墙高水平位移分布图[11],如图9所示．在加载初期,SW1-2水平位移分布为弯曲形,随着控制位移增加,墙体变形曲线演变为弯剪型;而SW0水平位移分布为弯曲型．

图8 试件割线刚度退化曲线

图9 水平位移沿墙高分布

4 结 论

预制双向孔模板剪力墙结构是一种新型的装配整体式剪力墙,本文通过一片现浇钢筋混凝土剪力墙和一片预制双向孔模板剪力墙的拟静力试验研究,研究了新型剪力墙的受力性能,研究表明:不同于钢筋混凝土剪力墙发生脆性剪切破坏,新型剪力墙在水平荷载作用下沿空心模竖向孔洞出现宏观竖向裂缝,避免了脆性剪切破坏,具有良好的变形能力,极限承载力比钢筋混凝土剪力墙降低;新型剪力墙在弹性阶段空心模和后浇混凝土能够共同工作,随着水平荷载增加,其变形曲线有弯曲形演变为弯剪型．

参考文献:

[1]文林峰.加快推进住宅产业化,全面提高保障性住房质量[J].住宅产业,2012(12):28-31.

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[6]叶献国,张丽军,王德才,等.预制叠合板式混凝土剪力墙水平承载力试验研究[J].合肥工业大学学报：自然科学版,2009,32(8):1215-1218.

[7]中华人民共和国建设部. GB/T 50081-2002 普通混凝土力学性能试验方法标准[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2003.

[8]中华人民共和国建设部. GB/T 228.1-2010 金属材料拉伸试验第1部分: 室温试验方法[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2003.

[9]中华人民共和国建设部.JCJ101-96 建筑抗震试验方法规程[S].北京:中国建筑工程出版社,1996.

[10]张新培.钢筋混凝土抗震结构非线性分析[M].北京:科学出版社,2003.

[11]Massone L M, Wallace J W. Load-deformation responses of slender reinforced concrete walls[J].ACI Structural Journal, 2004, 101(1):103-113.