基于钢筋拉压力传递的预制空心板残余抗震性能研究

郭光玲, 徐 乾, 付江涛(陕西理工大学 土木工程与建筑学院, 陕西 汉中 723000)

0 引言

钢筋拉、压应力传递的预制空心板能够组成装配式建筑结构中的预制剪力墙,该墙是最为主要的建筑受力结构,也就是说当发生地震时,由钢筋拉、压应力传递的预制空心板构成的剪力墙将承受大部分地震荷载[1-3]。这种装配式建筑具有较高生产效率与构件质量,在钢筋拉压力传递的预制空心板的基础上浇筑混凝土,不用重复开展湿作业,缩短混凝土养护时间,提升整体建筑效率,而且钢筋拉压力传递的预制空心板已经将拉压力等预应力考虑进去,所以空心板中的钢筋一般可以承受更多地震荷载,在建筑抗震性能中发挥重要作用。而且使用钢筋拉、压应力传递的预制空心板构建的剪力墙减少建筑工序,能够降低建筑过程中带来的环境污染物含量,实现生态环境可持续发展[4]。

本文所研究的钢筋拉压力传递的预制空心板具有高抗弯刚度、低自重等特点,将这种空心板应用于剪力墙构建建筑结构时能够增加建筑的开间面积还能缩短建筑高度,降低地震荷载对于建筑的损害,在各种建筑形式中应用广泛[5-6]。正是这种广泛应用性,相关领域学者针对空心板抗震性能进行研究,钱稼茹[7]等研究连梁和空心板剪力墙的联合抗震性能,并取得初步研究成果,但是研究内容过于注重连梁的抗震性能,忽视空心板所发挥的作用;李奉阁[8]等研究的是一种钢筋混凝土框架结构的剪力墙抗震性能,该种结构实际上是一种需要浇筑的混凝土结构,环保性和成本节约效果较差,无法提升新型剪力墙的性能。为此,本文基于钢筋拉、压应力传递,制备不同试件开展试验,研究预制空心板材料抗震性能。

1 材料方法

1.1 试件制备

本文研究中共设计三种试件编号分别为试件A、试件B以及试件C,三种试件的组成结构均包含顶、地梁与剪力墙,同时均为预制边缘构件,预制空心板组成剪力墙,厚度与肢长分别为1 500 mm与250 mm,管控边缘作为试件的两端组成形式,混凝土为后浇模式,强度均为C30。各试件的相关数值如下:

(1) 试件A剪力墙高度与空度的比值为1.3,破坏模式属于压剪破坏,未使用钢筋结构作为支撑,依据强弯弱剪设计思想设计,使用接缝连接试件构建。

(2) 试件B剪力墙高度与空度的比值为1.8,破坏模式属于压弯破坏,设计思想为强剪弱弯,使用钢筋间接搭接方式构建试件,钢筋作为骨架纵向贯通分布在预制空心板边缘竖向内孔,对内只发挥抗裂性能,该部位使用的纵筋以及水平分布的钢筋直径分别为8 mm与10 mm。未使用钢筋拉压力传递性能[9]。

(3) 试件C剪力墙高度与空度的比值为1.8,设计概念为强剪弱弯,破坏模式属于压弯破坏,根据钢筋拉压力传递性能,使用灌孔构造边缘构件,钢筋结构在预制空心板内部分布,剪力墙中的竖向钢筋与通过地梁中的竖向钢筋搭接在一起,内部水平横筋间距约为20 cm,纵筋直径约为10 mm,水平横筋直径约为12 mm。尽管总体上试件B与试件C的构建大同小异,但是由于使用钢筋拉、压力传递性能,在一定程度上优化了试件C的钢筋布置形式,试件C使用更少的钢筋就能实现工作[10]。

试件制作过程为:制作装预制空心板和地梁钢筋笼。在注浆地梁前,对边缘构件进行预埋,然后,注浆拼缝预制空心板内墙体竖向钢筋。当地梁混凝土为设定强度后,进行地梁顶面凿毛处理。再对预制空心板、钢筋、支撑模具进行混凝土浇筑。试件制作过程如图1所示。

图1 试件制作过程Fig.1 Fabrication process of test piece

1.2 材料性能测试

各试件中的钢筋在结构中发挥支撑作用,不同直径钢筋强度性能与屈服应变如表1所列,为后续试验开展提供基础数据[11]。钢筋的屈服应变表示为:

(1)

式中:ES表示弹性模量;fy表示抗拉屈服强度,该值设定为2.5×105MPa。

表1 钢筋性能与屈服应变

每次试验使用混凝土浇筑空心板组成试件中的剪力墙部分,为测量试件抗压强度,混凝土浇筑完成后,切割一小部分试件块,记录抗压强度测试结果如表2所列。加权平均预制空心板抗压强度与后浇混凝土的抗压强度后获得试件平均抗压强度[12-13]。

1.3 布置测试点与地震荷载加载方式

本文主要研究预制空心板残余抗震性能,因此需要对各个试件施加地震荷载,本文试验所使用的加载仪器为MTS电液伺服作动器。加载制度曲线如图2所示。

试验开展初期,设定预定值为35 kN,针对每个布置测点位置:将两个位移针分别布置在试件的顶部加载点和底梁上,由此监测底梁位移情况以及试件的整体位移发生情况。将应变片布置在试件的翼缘位置和纵筋位置,由此监测试件的应变变化[15]。测点布置位置如图4所示。

图2 加载制度曲线Fig.2 Loading system curve

试件,在顶部使用竖向动作器设定值的竖向拉力,该操作完成后再次施加低周荷载。设置3.5 kN作为初级荷载,反复加载后使各个试件都出现裂缝,此时升高荷载至5.5 kN,直至各个时间达到屈服后停止加载,但是仍然对试件加载位移,级差是实测屈服位移,各级位移均循环3次加载,直至试件不能再承载方可停止试验[14]。加载过程如图3所示。

图3 加载过程Fig.3 Loading process

图4 测点布置位置Fig.4 Location of measuring points

为获得钢筋应变分布规律,在试件B的底部以及试件C的上端、底部截面布置监测点,试件B与试件C底部测试点布置前端编号分别为B1～B4与C1～C4,接缝处编号分别为B5～B6与C5～C6,末端编号分别为B7～B10与C7～C10;试件C顶部截面前端编号为C11～C14,接缝编号为C15～C16,末端编号为C17～C20。

3个试件的最终破坏照片如图5所示。其中,试件A为压剪破坏,试件B和试件C为压弯破坏。

图5 3个试件的最终破坏照片Fig.5 Final destruction photos of 3 specimens

2 试验结果

2.1 试件滞回性能试验结果

本文所构建的试件受到地震加载影响后,试件水平力发生变化,各试件的骨架曲线与滞回变化关系如图6所示。

受筋拉压力传递影响导致试件钢筋受到拉力所产生的屈服被称作钢筋屈服强度;根据图6(a)的骨架曲线以及能量法确定名义屈服;搜索水平力极限值,该值对应的点就是峰值点;当骨架曲线达到0.86倍水平力极限值时所对应的点就是极限点;根据混凝土相关规定计算墙体受压承载力FF以及对应地震荷载下的墙体受剪承载力的在墙顶发挥作用的水平力FS,FC是这两个值中的较小值。各试件滞回变化相关系数试验结果如表3所列。

图6 各试验试件骨架曲线与滞回曲线Fig.6 Skeleton curve and hysteretic loop curve of each test piece

综合图6与表3的试验结果可知,相比于试件A试件B和试件C的滞回曲线更饱满,从图6(b)中能够看出,在该试件上加载地震荷载后,滞回曲线出现更加显著收缩情况,峰值荷载出现以后,水平力与之呈现反比例关系。综合图6(a)图6(c)和图6(d)可以看出,试件B和试件C在到达名义屈服点之前各曲线变化规律基本一致,但是到达该点之后,试件C超过试件B承载力,也就是说试件C在地震条件下具有更加高效的受力性能。

表3 滞回性能试验结果

在表3中能够看出各试件峰值荷载点水平力和FC之间的比值均超过1.25,根据相关规定对比本文计算结果可以看出,各试件承载力安全裕度较高。三个试件的层间位移角都超过1/120,这一情况符合相关规定中剪力墙抗震承载能力需求。试件A具有压剪破坏,但是层间位移角的变化情况与压弯破坏试件B和试件C的规律一致,出现这种情况主要是由于试件A中存在竖向错动,这种情况造成试件A受力效果较差,这一特点也直接影响剪力墙在地震情况下的变形能力。

2.2 试件刚度性能试验结果

计算墙体试件刚度的方法是首次地震荷载正反两个方向水平力极大值的绝对值与顶点相对应的水平位移绝对值相除之后的结果。试件初始等效刚度设置为1/2 050。刚度退化曲线如图7所示。

从图7中能够看出,各试件的水平位移由负值升高至0 mm时,等效刚度逐渐上升,当水平位移继续升高时,各个试件的等效刚度呈现出下降趋势,试件受到地震荷载影响,试件发生屈服。不同试件等效刚度统计结果如表4所列。

从表4中能够看出,各试件的屈曲刚度与原始刚度相比下降幅度较大,屈曲刚度降至原始刚度50%以下,峰值刚度不足原始刚度的20%,由此说明,不同结构试件在地震荷载影响下均发生不同程度刚度退化,其中,试件C的刚度退化程度最低,也就是说相比之下试件C刚度最好,抗震性能最佳。

图7 刚度退化曲线Fig.7 Stiffness degradation curve

2.3 试件钢筋应变分布试验结果

由于试件A未使用钢筋结构仅使用接缝连接实现预制空心板剪力墙试件的构建,所以本文节研究钢筋应力变化情况试验时不对试件A加以考虑。受力状态差异下试件上端和底部钢筋应变分布如图8所示。图8中α和β分别用来表示受拉屈服条件下与空心板和竖向孔相对应的定点水平位移。

从图8中能够看出,试件发生屈服之前,各试件中的钢筋应变分布变化情况与理论屈服保持一致,也就是说各个试件中的钢筋应变屈服与平截面假定理论相符。试件发生屈服之后各试件的应变分布仍旧与理论屈服保持良好的一致性,也就证明试件中的钢筋能够发挥协同作用,共同支撑地震荷载下的剪力墙结构。试件C钢筋本身具备压拉力传递,同时还是灌孔构造边缘构件,能够充分发挥支撑作用,所以应力分布效果更好。施加地震荷载以后,钢筋结构受到拉力影响发生屈服,但是试件C本身存在拉、压应力传递,所以残余变形分布较好。

表4 不同试件等效刚度统计结果

图8 钢筋应变分布Fig.8 Strain distribution of reinforcement

3 结论

研究基于钢筋拉压力传递的预制空心板残余抗震性能,制备不同钢筋结构的形式的预制空心板组合试件,加载相同的地震荷载,观察是否使用钢筋拉压力传递模式是否影响预制空心板的抗震性能,试验结果表明:

(1) 相比于压剪破坏的预制空心板,压弯破坏的预制空心板的滞回曲线更加饱满,承载力安全裕度和抗震承载力均较高,名义屈服点之前变化相似。在加载地震荷载后,使用钢筋拉压力传递灌孔构造边缘构建试件具有更加高效的受力性能。

(2) 在循环往复荷载作用下,各试件屈曲刚度与峰值刚度分别只有原始刚度的50%和20%,不同结构试件均发生不同程度刚度退化,但使用钢筋拉压力传递灌孔构造边缘构建试件的刚度退化程度最小。相比之下,使用钢筋拉压力传递灌孔构造边缘构建试件的刚度最好,能够有效提高预制空心板残余抗震性能。

(3) 在试件发生屈服后,使用钢筋拉压力传递灌孔构造边缘构建试件的应力分布效果较好,能够有效发挥协同和支撑作用,共同支撑地震荷载下的剪力墙结构。在施加地震荷载后,钢筋结构受到拉力影响发生屈服,但是使用钢筋拉压力传递灌孔构造边缘构建试件本身存在压拉力传递,其残余变形分布较好。