纵肋叠合装配整体式混凝土剪力墙抗震性能试验研究*

王 俊，田春雨，杨思忠，朱凤起，张仲林，李 洋，石海青，周一航

(1 中国建筑科学研究院有限公司， 北京 100013； 2 北京住宅产业化集团有限公司， 北京 100161； 3 承德绿建建筑节能科技股份有限公司， 承德 067000)

0 引言

目前，装配整体式剪力墙结构是应用最为广泛的一种装配式建筑结构形式[1-3]。国内主要的装配整体式剪力墙结构体系中，主要技术特征在于预制墙体之间的接缝连接形式[4-5]，按照预制墙体水平接缝钢筋连接形式，可划分以下几种：1)竖向钢筋采用套筒灌浆连接[6]、拼缝采用灌浆料填实；2)竖向钢筋采用螺旋箍筋约束浆锚搭接连接[7]、拼缝采用灌浆料填实；3)竖向钢筋采用金属波纹管浆锚搭接连接[8]、拼缝采用灌浆料填实；4)竖向钢筋预留后浇区搭接连接[9]、预留空心后插筋[10-11]、环套钢筋搭接连接、挤压套筒或锥套锁紧等机械连接[12]方式；5)叠合剪力墙[13-15]。

在实际应用过程中，以上几种装配整体式剪力墙结构均存在一些问题。在钢筋灌浆套筒连接及浆锚搭接连接的技术体系中，由于构件加工精度及施工管理水平的限制，容易出现钢筋对位困难、灌浆质量不好控制的问题；底部预留后浇区内钢筋搭接连接的方式，安装方便，但底部后浇区浇筑时需支设模板，施工工序复杂。

结合国内现行的装配整体式剪力墙结构体系的技术特点以及存在的问题，提出一种新型装配式剪力墙结构体系——纵肋叠合装配整体式混凝土剪力墙结构体系。如图1所示，在该体系中预制构件为带混凝土贯通肋的空心墙构件，现场在空腔内搭接竖向钢筋、浇筑混凝土形成叠合剪力墙构件。对于带夹心保温外墙的构件，形成单侧叠合剪力墙，对于内墙或不带保温的外墙，形成双侧叠合剪力墙；剪力墙竖向分布钢筋在空腔内采用锚环直接搭接连接。

图1 新型装配式剪力墙构件及节点连接示意图

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

本次研究根据实际工程中可能出现的墙体布置情况，设计典型试件如下：1)外横墙山墙墙肢，两端为预制边缘构件，竖向钢筋在空腔内搭接，如图2(a)所示；2)外纵墙窗间墙肢，两侧各带一字形预制边缘构件，竖向钢筋在空腔内搭接，中部为现浇边缘构件，如图2(b)所示。

图2 典型试件示意图

试件墙厚200mm，墙高2 800mm，对于形式1，墙肢宽度选择2 800，1 800mm两种，对应墙肢剪跨比分别为1.0，1.5，对于形式2，墙肢宽度选择1 400mm，所有试件设计轴压比为0.2。试件混凝土强度等级为C40，试件顶部设置顶梁模拟现浇带，底部设置地梁，墙身及边缘构件配筋按照抗震规范要求的构造边缘构件最小构造配筋率进行配筋，同时制作相同尺寸、参数及配筋的全现浇构件进行对比，预制试件配筋如图3所示。

图3 试件配筋图

试验主要研究剪力墙的抗震性能，因此试件仅包含内叶的剪力墙部分，不包含保温板及外叶板。试件参数见表1。

试件编号及变化参数 表1

钢筋强度测试结果 表2

混凝土强度测试结果 表3

1.2 加载方案

试验在中国建筑科学研究院有限公司大型结构实验室内完成，试验装置如图4所示，试件地梁用地锚固定在试验台座上，试验时在恒定竖向荷载作用下施加水平低周反复荷载。竖向荷载通过门架、千斤顶及分配梁施加，千斤顶与门架之间设置滑板，保持轴向力可以随着试件的变形而变化。侧向力通过1台300t电液伺服作用器及反力墙施加。墙板侧面设置侧向支撑钢梁防止失稳。

图4 试验加载装置图

1.3 测量方案

试验过程中测量墙体边缘构件内纵筋钢筋应变，包括搭接钢筋底部、顶部钢筋应变，如图5(a)所示。试验过程中测量墙体顶部中间位移、顶梁两端部面外位移、墙体与地梁之间的相对滑移，并在试验中随时观察试件的开裂和破坏现象。试件位移计布置如图5(b)所示。

图5 应变片及位移计布置图

2 试验过程及破坏形态

所有试件均为弯剪破坏模式，试验过程中通过观测钢筋应变可以看出，边缘构件内纵筋先于墙体水平分布钢筋屈服，试件先受弯屈服，在轴压比恒定的情况下，随着剪跨比的增大剪切破坏相对减弱。试验过程中，墙体首先在受拉侧边缘构件中下部产生水平裂缝，随着荷载增加，裂缝斜向开裂延伸进入试件中部；当荷载增加到墙体峰值承载力时，试件受压侧边缘构件角部混凝土剥落，受拉侧边缘构件与地梁脱开；荷载继续增加超过峰值承载力后，试件受压侧边缘构件角部混凝土压碎，剥落区域逐渐增大，受拉侧钢筋拉断。各试件破坏实景如图6所示。

图6 各试件破坏实景

3 试验结果分析

3.1 滞回曲线

各试件滞回曲线如图7所示。由图7可知，预制试件与对应现浇试件滞回曲线形态均呈梭形，捏缩规律基本一致。由于预制试件混凝土强度偏小，试验过程中预制试件墙体角部混凝土受压破坏较早，因此预制试件的承载力略低于现浇试件，初始刚度也略小。预制试件略先于现浇试件进入屈服；预制试件弹性极限与对应现浇试件基本相同或稍大一些。

图7 各组试件滞回曲线对比

3.2 骨架曲线

各试件骨架曲线如图8所示。由图8可知，预制试件骨架曲线变化趋势与对应的现浇试件骨架曲线变化趋势基本一致，受试件混凝土强度影响，预制试件承载力略小。骨架曲线可以分为弹性上升段、弹塑性上升段和下降段。弹性上升段对应于试件开裂或较少开裂以前，整体表现为弹性，荷载随位移的增大而线性增加；弹塑性上升段从试件开裂增多至荷载达到峰值，在这个过程中随着混凝土的开裂损伤，钢筋进入塑性，试件刚度逐渐减小，表现出较明显的弹塑性；在荷载达到峰值之后，混凝土压溃钢筋断裂，骨架曲线进入下降段。

图8 各组试件骨架曲线对比

3.3 承载力

各试件屈服承载力及屈服位移见表4，峰值承载力及峰值位移见表5。从表4，5可以看出：1)随着剪跨比增大，试件屈服承载力与峰值承载力降低，屈服位移与峰值位移提高；2)剪跨比相同时，现浇试件屈服承载力与峰值承载力明显高于预制试件，现浇试件屈服位移与峰值位移明显小于预制试件，主要由于现浇试件混凝土强度明显高于预制试件导致。

各试件屈服承载力及屈服位移 表4

为了排除混凝土强度的影响，计算各试件试验承载力与计算承载力的比值。从试件的试验现象可以看出，墙体破坏以弯曲破坏为主，按照《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(简称混规)第6.2.17条矩形截面偏心受压相关规定计算各试件承载力见表6。计算时混凝土强度取实测轴心抗压强度，钢筋强度取实测屈服强度。从表6可以看出：1)预制与现浇试件试验屈服承载力与计算承载力的比值均约为1，说明采用混规中的公式计算纵肋叠合剪力墙的承载力是合适的；2)预制与现浇试件试验极限承载力与计算承载力的比值较接近且均大于1.3，说明预制试件与现浇试件均具有较好的安全储备且安全储备基本相同。

各试件峰值承载力及峰值位移 表5

试件试验及计算承载力对比 表6

图11 搭接钢筋顶应变变化曲线

3.4 刚度退化

各试件刚度变化曲线如图9所示。由图9可以看出：1)随着荷载的增加，所有试件均发生了刚度退化，且屈服前刚度退化明显，屈服后刚度退化变缓；2)预制试件初始刚度小于现浇试件；3)峰值承载力后，预制试件与现浇试件刚度及退化趋势基本相同。

图9 各组试件刚度变化曲线

3.5 变形与延性

各试件变形及延性系数见表7。从表7可以看出：1)所有试件均具有较好的变形能力和较大的延性系数，预制试件和现浇试件的位移延性系数均大于8，满足规范对于剪力墙的抗震性能要求，所有试件的极限层间位移角都达到1/120(层间位移约23mm)以上，达到剪力墙结构在大震下层间位移角的要求；2)预制试件屈服位移、极限位移均大于现浇试件，预制试件变形能力好于现浇试件；3)由于预制试件屈服位移增大程度大于极限位移，因而计算延性系数略小于现浇试件。

各试件变形及延性系数 表7

3.6 钢筋应变

试件2钢筋应变如图10，11所示。从试件钢筋应变可以看出：1)试验加载初期，预制试件及现浇试件钢筋应变均符合平截面假定；2)预制试件叠合边缘构件钢筋搭接传力良好，搭接钢筋及被搭接钢筋均实现屈服，搭接钢筋最终拉断，与试验现象吻合；3)预制试件钢筋受力与现浇试件钢筋受力基本一致；试件的剪跨比较小时，钢筋主要产生拉应变且呈不规则滞回曲线，随着剪跨比的增大，钢筋产生随加载制度变化的拉压应变且呈规则性滞回曲线。

图10 搭接钢筋底应变变化曲线

4 结论

(1)装配式剪力墙试件的裂缝开展规律和破坏形态与其对应的现浇试件基本一致。

(2)采用《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中的公式计算纵肋叠合剪力墙的承载力是合适的，预制试件与现浇试件具有相同的安全储备。

(3)装配式剪力墙试件的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化规律等与现浇试件一致。

(4)装配式剪力墙试件的变形能力较好，极限层间位移角基本均可达到在1/120以上。试件的位移延性系数能够满足剪力墙的抗震性能要求。

(5)装配式剪力墙的钢筋受力与现浇试件基本相同，该剪力墙装配方式技术可靠、构造合理，可按与现浇构件相同的方法进行此类装配整体式剪力墙构件的设计。