预制空心保温剪力墙试验研究及延性分析

陈哲贤，刘文燕，杨 森，何文福，刘 威

（1.上海大学力学与工程科学学院，上海 200444；2.上海宝冶集团有限公司，上海 200941）

引言

装配式剪力墙具有产业化生产、施工质量易保证、工期短和节能环保等诸多优点，得到了较为广泛的应用［1－2］。装配式剪力墙结构通常有三种形式，分别为预制实心剪力墙结构、预制叠合剪力墙结构和预制夹心保温剪力墙结构［3］。

国外已开展了大量装配式混凝土剪力墙试验研究。SOUDKI等［4］和PEREA 等［5］针对竖向钢筋采用预应力连接的装配式混凝土剪力墙，进行了低周往复荷载试验，研究表明：采用预应力钢筋竖向连接的装配式混凝土剪力墙耗能充分，具有良好的抗震性能。国内的研究对象主要针对预制实心混凝土剪力墙和预制叠合式混凝土剪力墙，重点研究了套筒灌浆连接以及浆锚搭接等不同竖向钢筋连接方式对剪力墙抗震性能的影响。叶献国等［6］和吴志新等［7］针对预制叠合式混凝土剪力墙进行了试验研究，结果表明：预制叠合式混凝土剪力墙与现浇剪力墙的破坏形态和耗能能力相近；姜洪斌等［8］对采用预留孔道浆锚连接的三层足尺装配式混凝土剪力墙结构进行了拟静力试验研究，认为预留孔道灌浆连接的预制构件变形能力较强，具有较好的抗震耗能能力。

预制夹心混凝土剪力墙由保温板、内、外叶混凝土墙板以及连接件组成，该结构实现了隔热保温层与结构同寿命［9］。PALERMO 等［10］对某三层足尺预制夹心剪力墙结构进行了振动台试验研究，结果表明：根据欧洲规范进行设计的夹心剪力墙具有较好的抗震性能；薛伟辰等［11］开展了预制混凝土夹心保温剪力墙的低周反复试验研究，结果表明：预制夹心剪力墙的破坏模式为受弯破坏，与现浇剪力墙具有相近的耗能能力和延性；钱稼茹等［12］完成了套筒灌浆连接的三层装配式夹心剪力墙足尺模型的拟动力试验，研究结果表明：预制夹心剪力墙的内外页墙体破坏形态不同，外叶墙不参与结构受力；朱元吉等［13］开展了不同连接形式PC 挂板－剪力墙拟静力试验研究，发现外页墙板与剪力墙的粘结能力对剪力墙的承载能力有较大影响。上述研究中外叶墙不能参与结构受力，仅作为保温材料的保护层；内外叶墙体通过连接件连接，其长期安全性能和耐久性能是否可靠还需工程的进一步检验。龚祖平等［14］提出了一种带竖向接缝的模块化自保温混凝土剪力墙，并开展了拟静力试验研究，结果表明：自保温预制剪力墙的屈服与峰值荷载与预制实心剪力墙相近，但延性低于实心剪力墙，且未提出改善延性的方案。

本文提出了一种新型预制空心保温剪力墙（PHISW），为研究其抗震性能，对一个预制空心保温剪力墙试件和一个现浇实心剪力墙试件进行低周往复加载试验，分析PHISW 的承载力和延性。基于试验结果，采用ABAQUS 有限元软件对墙体试件进行有限元分析，研究影响PHISW 延性的主要参数，进而提出预制空心保温剪力墙的设计建议。

1 预制空心保温剪力墙试验研究

1.1 预制空心保温剪力墙构造

PHISW 由内置的保温芯材以及外围混凝土构成，其构造如图1（a）所示。采用内填保温芯材聚氨酯提升剪力墙的节能保温性能，通过适当提高混凝土强度提升剪力墙的承载力。这种结构体系不存在预制夹心保温剪力墙结构体系中内外页混凝土墙体的连接问题，墙体在工厂一体预制完成，养护后填入保温芯材聚氨酯；同时也不需要现场大量浇筑混凝土，可直接在厂家预制完成后运到现场拼装，通过灌浆套筒可实现上下剪力墙之间方便可靠的连接，图1（b）为PHISW竖向钢筋灌浆套筒连接示意图。

图1 预制空心保温剪力墙示意图Fig.1 Precast hollow insulation shear wall

1.2 试验简介

本文进行了2片轴压比为0.5的足尺剪力墙试件低周反复荷载试验：1片为现浇剪力墙对比试件；另1片为预制空心保温剪力墙试件，编号分别为CSW 和PMW，墙高均为2 900 mm，截面宽度1 300 mm。CSW 的墙厚为200 mm，考虑到等强度设计，PMW 的截面厚度设计为250 mm，试验构件详图如图2所示，设计参数以及部分试验结果见表1。PMW 中阴影部分为内填的保温材料聚氨酯，剪力墙中部两列纵筋未贯通是因为在水平往复推覆下，剪力墙受压受拉区域主要集中在墙体两侧暗柱，墙体中部区域受力较小，所以试验时未将中部两列纵筋插入地梁。墙顶设置加载用的钢筋混凝土梁，墙底设置地梁，加载装置如图3所示。加载时首先由量程为5 000 kN的千斤顶提供竖向压力，并在试验过程中保持不变，设计轴压比nd=1.2N/（fcA）：N为施加的竖向力，本文为2 240 kN；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；A为剪力墙截面面积。反力架下设置滑动支座，能使千斤顶与试件顶部位移保持同步。然后用1 000 kN 的水平作动器施加水平往复力，定义推力为正向加载，拉力为负向加载。加载时采用荷载与位移联合控制的加载模式，试件屈服前采用力控制并分级加载，分别为20 kN和40 kN，每级循环一次；试件屈服后采用位移控制加载，分别为4 mm、8 mm和12 mm直至44 mm，每级循环3次，试验加载制度如图4所示。

图2 试验构件详图Fig.2 Details and dimensions of the specimens

图3 加载装置Fig.3 Testsetup

图4 试验加载制度Fig.4 Loading scheme

表1 各试件主要参数及主要试验结果Table 1 Specimen description and main test results

试验的现场裂缝照片以及滞回曲线分别见图5－6，试验表明：（1）试件墙体底部两边先出现水平裂缝，随着荷载增加，水平裂缝逐渐发展为试件中部的对角斜裂缝；（2）2个试件的裂缝开展模式类似，以弯曲破坏为主，CSW试件的裂缝开展更充分，底部混凝土压溃区域更小，滞回曲线更饱满，耗能能力更强；（3）从表1以及图6可以看出：2个试件峰值承载力相近，但PMW 试件的延性系数仅为CSW 的63%，且未超过3，表明预制空心保温剪力墙试件的延性较弱，因为PMW 试件是空心的，从截面上看：混凝土受压面小，受压时更容易被压溃，从而丧失承载力。

图5 试件破坏模式Fig.5 Crack patterns under cyclic loading

图6 试验滞回曲线Fig.6 Hysteresis loops

2 有限元建模和验证

2.1 有限元模型建立

利用ABAQUS 对结构拟静力试验过程进行模拟。钢筋和混凝土分别采用三维桁架单元（T3D2）以及八节点线性六面体三维实体单元（C3D8R）模拟。为满足计算精度和稳定性，墙体混凝土和钢筋的网格按单元长度50 mm左右进行划分，加载梁和地梁单元则按100 mm划分。钢筋和混凝土的相互作用通过前处理中的Embed 命令定义，忽略钢筋与混凝土之间的黏结滑移［15］。由于保温材料聚氨酯对结构承载力贡献极小，所以PMW 建模忽略聚氨酯的作用，直接按空心混凝土墙体进行建模。因为实际施工时PMW 墙体混凝土与地梁之间需要坐浆，所以模拟时墙体底面和地梁表面需定义接触关系，接触面采用库伦－摩擦模型，法向定义为硬接触，切向采用罚函数进行计算，摩擦系数取0.6［16］。CSW 试件建模时墙体与地梁接触关系直接按绑定设置。相关文献［17］研究表明：预制剪力墙竖向钢筋采用灌浆套筒连接能等同现浇，同时也为模型计算更容易收敛，建模时未考虑灌浆套筒。

为较好的模拟混凝土在低周往复荷载下的性能，墙体混凝土采用塑性损伤模型（CDP）［19］，如图7 所示，混凝土膨胀角取30°，粘滞系数取0.004，其余损伤塑性参数取ABAQUS 的默认值，损伤因子采用基于能量等价原理的计算方法［18］。应力－应变关系采用我国《混凝土结构设计规范》（GB 50010－2010）中的推荐曲线。由于加载梁和地梁混凝土不是重点分析对象，其本构采用弹性关系。本文中钢筋的本构关系采用的是双线性硬化本构模型，钢筋硬化段斜率取初始弹性模量的千分之一，屈服强度与实测值保持一致，如图8所示。

图7 CDP模型单轴受拉和受压本构关系Fig.7 Tension and compression curves of concrete under uniaxial loading

图8 钢筋双线性硬化本构关系Fig.8 Bilinear hardening model of reinforcement

试件有限元分析模型见图9，约束地梁底面的平动自由度以模拟试验的边界条件，同时约束加载梁顶面U2自由度防止加载时模型出现平面外变形，导致模型收敛困难。分析过程分为两步：第1步为荷载控制，在加载梁顶面施加等效竖向面荷载，使墙体轴压比与试验一致；第2 步为位移控制加载，在加载梁左侧的耦合点上施加控制位移，位移加载制度与试验保持一致。

图9 有限元分析模型Fig.9 Finite element model

2.2 有限元模型验证

图10为试件有限元模拟的荷载位移滞回曲线与试验对比图。从图中可以看出：有限元分析得出的滞回曲线与试验结果基本一致，峰值承载力比较接近，误差在10%以内，见表2。但是有限元分析得到的试件的整体刚度大于试验结果，分析其原因为：在数值模拟中，钢筋直接嵌入混凝土，未考虑钢筋和混凝土之间的粘结滑移；而试验过程中，随着荷载的增加，混凝土和钢筋以及钢筋和套筒灌浆料之间的粘结存在退化［20］。图11 给出了数值模拟2 个试件的混凝土损伤破坏情况，图中DAMAGEC 以及DAMAGET 云图分别对应混凝土的受压和受拉损伤，即试验中混凝土的受压剥落以及受拉开裂。由图11可知：2个试件墙体的损伤不同，CSW 试件受拉损伤范围更广，而PMW 墙体底部混凝土受压损伤区域更大，这也与试验观察到的现象一致（图5），所以能够使用有限元方法对预制空心保温剪力墙进行分析计算。

图10 有限元与试验的滞回曲线对比Fig.10 Comparison of hysteresis curves between finite element model and test

表2 试验和数值模拟峰值承载力对比Table 2 Comparison between experimental and numerical strengths of the specimens

图11 混凝土损伤数值模拟分析结果Fig.11 Concrete damage in numerical simulation

3 延性影响参数分析

试验研究表明：按承载力设计并不能保证预制空心保温剪力墙具有良好的延性。比较合理的方法，是以延性要求为基础设计剪力墙［21］。因此，有必要研究如何提高预制空心保温剪力墙的延性。结合试验结果以及相关文献［22－23］研究，本文采用单因素设计方法，细化墙体轴压比n、暗柱箍筋直径d和间距s、暗柱纵筋配筋率ρ以及空心率e这4个变化参数，各参数取值见表3，共设计了74个试件进行有限元分析。

表3 有限元分析参数取值Table 3 Parameter of finite element analysis

3.1 轴压比

剪力墙是片状结构，受力不同于柱，其轴压比的限值应比柱更为严格［24］，为此着重研究轴压比对PHISW延性的影响。图12（a）和图12（b）分别给出了在不同的暗柱箍筋直径以及暗柱纵筋配筋率下，剪力墙的延性系数与轴压比的关系。从图中可以看出：随着轴压比的增加，PHISW 的延性系数呈现明显的下降趋势，说明轴压比太大，墙体的延性会变差。

图12 延性系数与轴压比关系Fig.12 Relationship of ductility and axial compression ratio

此外，延性系数在轴压比为0.4时为一转折点，轴压比从0.2增大到0.4过程中，延性系数降低较快，轴压比超过0.4 之后，延性系数降低较慢。轴压比为0.5 时的预制空心混凝土剪力墙延性已经较差，因此在设计中为了保证构件的延性应严格控制轴压比，PHISW轴压比不宜大于0.4。

3.2 暗柱箍筋直径与间距

图13（a）和图13（b）分别给出了不同轴压比下，PHISW 的延性系数分别与暗柱箍筋直径d以及暗柱箍筋间距s的关系。由图13（a）可以看出：随着d的提高，延性系数基本呈一条水平直线，说明暗柱箍筋直径对PHISW 的延性影响很小。由图13（b）可知：在0.4 的轴压比之前，PHISW 的延性随着暗柱箍筋间距增大而减小，随着轴压比的增大，延性减小幅度逐渐降低，与不配置箍筋相比，200 mm的暗柱箍筋间距具备约束能力。

图13 延性系数与暗柱配箍关系Fig.13 Relationship of ductility and stirrup reinforcement of concealed column

暗柱箍筋间距对PHISW 延性的影响程度大于箍筋直径的影响，但在大于0.3的轴压比后，暗柱箍筋直径以及间距的影响均较小，设计时建议采用我国《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）（简称“《高规》”）中表7.2.16中的建议取值，在按二级抗震设计时，建议暗柱箍筋最小直径取8 mm，最大间距取150 mm。

3.3 暗柱纵筋配筋率

图14（a）和图14（b）分别给出了不同轴压比以及不同暗柱箍筋直径下，PHISW 的延性与暗柱纵筋配筋率ρ的关系。由图14 可以看出：随着ρ的提高，延性系数会下降，主要原因是高配筋率构件，变形能力会减弱［25］。由图14（a）可知：当轴压比超过0.3后，不同ρ下构件的延性会很接近，说明在高轴压下，暗柱纵筋配筋率对构件延性的影响会降低。

图14 延性系数与暗柱纵筋配筋率关系Fig.14 Relationship of ductility and reinforcement ratio of concealed column

因为暗柱纵筋配筋率对承载力有较大影响，为综合评判PHISW 的受力性能，图15列出了轴压比0.3时，PHISW 在ρ分别为1.49%、2.93%以及4.85%时的滞回曲线，编号分别为PW－1、PW－2和PW－3。数值模拟得出的峰值以及极限承载力列于表4，其中：Fu取Fp的85%；FM以及FV为分别按照《高规》中偏心受压剪力墙正截面受压承载力以及斜截面受剪承载力公式计算对应的水平力；Fc为FM和FV中的较小值。计算时对PHISW 的中间空心墙体部分采用截面简化法［26］，即将PHISW 墙体等效为实心剪力墙。由图15 以及表4 可知：PW－1 以及PW－2 为压弯破坏，滞回曲线较PW－3 更为饱满，延性较好，极限位移角θu大于1/120，满足剪力墙弹塑性位移角限值要求；而PW－3 为压剪破坏，虽然承载力较高，但加载后期承载力下降得更快，延性较差。建议暗柱纵筋配筋率ρ取值不小于1.49%，且不超过3%。

表4 不同ρ下数值模拟结果Table 4 Numerical simulation results underunder different longitudinal reinforcement ratio

图15 不同ρ下PHISW 的滞回曲线Fig.15 Hysteretic curve of PHISW under different reinforcement ratio

3.4 空心率

图16给出了不同轴压比下，PHISW 延性与空心率e的关系，e=（Ap/Aa）×100%，Ap为空心部分面积，Aa为剪力墙全截面面积。由图可知：随着空心率的增加，试件延性呈下降趋势，原因是空心率越大，墙体底部混凝土受力面更小，更容易被压溃。剪力墙延性多大为宜，规范尚无规定，本文以位移延性系数3.0为目标［21］，在轴压比不超过0.4时，空心率不宜大于25%。

图16 延性系数与空心率关系Fig.16 Relationship of ductility and hollow ratio

4 结论

（1）预制空心混凝土保温剪力墙以弯曲破坏为主，承载能力与现浇剪力墙等同，但延性系数略低。ABAQUS数值模拟得出的滞回曲线、破坏模式与试验结果基本吻合。

（2）轴压比是影响预制空心保温剪力墙延性的主要因素，随着轴压比的增加，位移延性系数呈下降趋势。为保证构件有较好的延性，轴压比设计值不宜大于0.4。

（3）暗柱配箍对预制空心混凝土保温剪力墙的延性影响较小，设计时建议按照我国《高规》的建议取值，箍筋直径不宜小于8 mm，箍筋间距不宜大于150 mm。

（4）暗柱纵筋配筋率对预制空心混凝土保温剪力墙延性的影响较大，随着暗柱纵筋配筋率增大，剪力墙延性降低，但在高轴压下，暗柱纵筋配筋率对构件延性的影响会降低。为满足低轴压比下剪力墙弹塑性变形能力与“强剪弱弯”的设计要求，建议暗柱纵筋配筋率取值为1.49%～3%。

（5）空心率对预制空心保温剪力墙延性影响较大，随着空心率的增加，延性呈下降趋势，建议空心率不宜大于25%。