波纹管浆锚连接装配式剪力墙抗震性能

邓旭华，倪家贵，张淼，陈超，陈俊

(1.湘潭大学 土木工程与力学学院，湖南 湘潭,411105；2.筑友智造建设科技集团有限公司，湖南 长沙,410153)

建筑工业化将是未来建筑产业发展最为重要的议题，而预制剪力墙结构是实现住宅工业化的结构形式之一，其预制构件与现浇部分的连接主要分为竖向连接和水平连接[1]。近年来，国内已形成了多种装配式剪力墙结构技术，按照其构造形式，可将剪力墙竖向钢筋连接方法分为套筒灌浆连接[2]、浆锚搭接[3]、现浇段连接[4]、混合连接[5]、螺栓连接[6-7]等5类。

针对套筒灌浆连接性能的研究表明，预制和试件现浇在破坏形态上一致，均为压弯破坏，套筒浆锚连接能有效传递竖向钢筋的应力[4-6]。套筒灌浆连接技术是目前最成熟和应用最广泛的技术，但存在施工复杂、精度要求高、造价昂贵等缺点。而对于浆锚搭接，具有可靠的力学性能，应用较为广泛。焦安亮等[7]对装配式剪力墙浆锚连接的钢筋锚固性能及结合面受剪性能进行了研究；姜洪斌等[3,8-10]设计完成了锚固、搭接、足尺拟静力和拟动力试验，均取得较多的研究成果。

目前已有预制剪力墙与梁竖向连接的可靠性的研究，而对预制剪力墙之间水平连接的可靠性及多片预制剪力墙结构的整体抗震性能研究较少。本文拟开展预制剪力墙的不同边缘构造及不同浆锚连接构造对装配式剪力墙结构整体抗震性能影响的研究，设计并制作了5个采用波纹管浆锚连接纵向受力钢筋的装配式剪力墙试件，并将其与现浇试件进行对比，探讨了不同构造形式对此类装配式剪力墙构件抗震性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计及制作

设计并制作了6个剪跨比为1.85的剪力墙试件，依次编号为SW5～SW10，见表1。其中，SW5～SW9为预制装配式剪力墙试件、SW10为现浇剪力墙试件，试件由地梁、墙体及顶部加载暗梁组成。

表1 试件主要参数

图1 试件制作照片

注：SW7波纹管外无螺旋箍筋(图b)；无黏结套筒为SW8独有、机械套筒为SW9独有(图g)；图中黑点表示应变片位置，全部应变片均采用BX系列箔式电阻应变计，具体规格为BX120-5AA

1.2 材料性能

试件的钢筋均采用HRB400级钢筋。表2列出了钢筋抗拉强度fy和极限强度fu实测值，表3列出了混凝土立方体抗压强度实测值。灌浆料采用自密实混凝土，强度为39.75 MPa。

表2 钢筋强度实测值及其屈服应变

表3 试件混凝土立方体抗压强度实测值

1.3 加载装置、加载制度与量测内容

试验在湘潭大学土木工程学院结构实验室完成，主要加载设备为4 000 kN压弯实验系统，见图3。加载过程：首先，在试件顶部施加920 kN的轴压力且试验过程中保持不变；然后，在试件顶部进行往复水平加载。往复水平加载采用水平位移控制模式，第1级加载幅值为5 mm，后面每级加载幅值增加10 mm，每级加载往复3次。水平力下降至最大水平力的85%或试件破坏至不适宜加载时，试验结束。

试验测试内容主要包括：轴压力、水平力、墙体水平位移及钢筋应变。各试件位移计布置方案均相同，见图3(a)。

图3 试验加载装置图

2 破坏过程和破坏形态

以“W”“E”代表墙体两端。施加往复水平力(水平位移)时，先加推力、后加拉力；施加推力为W端受压、E端受拉，称为正向加载，水平力和水平位移为正；施加拉力为W端受拉、E端受压，称为反向加载，水平力和水平位移为负。

以全预制试件SW5、部分预制的试件SW6和现浇试件SW10为例，各试件的破坏过程和主要特征详见表4。

表4 试件破坏过程及主要特征

对于其他3个预制剪力墙试件，均出现了除钢筋断裂及混凝破坏的现象，此外，SW8试件在试验加载过程中出现了钢筋滑移的声响。

图4为试件破坏后照片。试件破坏形态为压弯破坏，墙体底部约300 mm高度范围内混凝土压碎，外侧植入钢筋拉断，边缘部位纵筋压屈、箍筋外漏。结果表明，采用植入钢筋间接搭接连接可有效传递内力，使试件墙体部分与地梁连接成整体。

注：图名中后缀SP表示现场照片、DP表示素描图。

3 试验结果分析

3.1 滞回曲线和骨架曲线

试验实测试件的顶点水平力-位移滞回曲线和骨架曲线见图5。由图5可知，1)各试件滞回曲线都呈现出较为明显的捏拢现象，饱和程度较低。2)峰值点后，同等级的3次循环加载过程中，最大水平力依次下降，表现出承载力退化特征。3)在顶点位移不大于10 mm时，水平力与顶点位移之间基本呈线性关系，墙体基本处于弹性状态。4)在试件达到峰值荷载之后，水平力下降缓慢，表现出一定的延性。

图5 试件水平力-位移滞回曲线、滞回曲线

3.2 承载力比较分析

表5列出了各试件的屈服荷载Fy及峰值荷载Fp，其中，屈服荷载Fy采用通用屈服弯矩法计算。由表5可知，试件SW5承载力最低，主要由于其混凝土强度较低，且相较于预制试件SW6～SW9，其植入钢筋数量较少。相较于现浇试件SW10，虽然边缘叠合试件(SW6～SW9)的混凝土强度较低，但其承载力并无劣势，因此，说明了此类装配式剪力墙承载力的可靠性。

表5 试件的屈服荷载、峰值荷载

3.3 变形比较分析

定义顶点水平位移角θ=Δ/H。其中，Δ为试件墙顶测点1号位移计的实测值；位移延性系数μΔ=Δu/Δy，Δy为试件屈服时对应的顶点水平位移，Δu为试件极限点对应的顶点水平位移，定义水平力下降至峰值的85%为极限点，结果见表6。由表6可知，1)试件屈服位移角为1/339～1/158，峰值位移角为1/120～1/69，极限位移角为1/63～1/44，位移延性系数为3.49～6.77，具有良好的弹塑性变形能力，极限位移角均远大于《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)规定的剪力墙结构弹塑性位移角限值1/120。2)试件SW5位移延性系数比其他试件的较大，主要由于其植入钢筋数量较少且植筋位置相对靠外，所以其屈服位移更小，而极限位移相差较小。3)试件SW7位移延性系数比SW6小，而2个试件其他参数一致，因此，波纹管外螺旋箍筋可提高试件的位移延性系数。

表6 试件水平位移、位移角及延性系数

3.4 刚度比较分析

试件刚度采用割线刚度表征，计算式为

式中：+Fi、-Fi为第i级循环加载的正向、反向水平力峰值，本文均采用每级加载第1次循环的相关数据；+Δi为水平力峰值对应的位移值。

表7为试件各特征点的割线刚度，其中，Ko为初始刚度(以第1级加载往复的第1圈的刚度作为试件的初始刚度)；Ky为屈服刚度；Kp为峰值刚度；Ku为极限刚度。由表7可知，1)试件刚度退化规律基本一致，随着水平位移增加，试件的割线刚度减小。2)无边缘叠合的SW5试件初始刚度相对较大，主要由于其植入钢筋相对靠外；现浇试件SW10初始刚度较大主要由于其混凝土强度较高；而试件SW7的初始刚度最小，因此，波纹管外的螺旋箍筋可提高试件的初始刚度。

表7 试件不同特征点的割线刚度

4 结论

1)预制墙试件和现浇墙试件的破坏形态基本相同，竖向植入钢筋的浆锚连接起到了较好的传力作用，使墙体与底座连接成为整体。

2)波纹管外螺旋箍筋可提高试件的延性及前期刚度，但对承载力影响较小。

3)叠合面采用气泡纸粗糙面可满足叠合面抗剪及新旧混凝土紧密连接的要求，增设机械套筒对试件的力学性能无明显影响。