双面叠合剪力墙应用及平面内抗震性能研究*

王 宁, 王洪欣, 樊则森, 李 响, 潘 强, 张 川, 杨 超

(1 中建科技集团华南有限公司，深圳 518118；2 中建科技集团有限公司，深圳 518118；3 深圳市建筑设计研究总院有限公司，深圳 518031)

0 概述

双面叠合剪力墙是由工厂化生产的两片预制混凝土墙板通过桁架钢筋连接成内部带空腔的预制剪力墙板,现场安装到位后,在空腔内浇筑混凝土,以形成整体受力的结构构件[1]。此项技术是从德国引进,经过调研,国外主要应用于非抗震地区[2],对其抗震性能的研究仍有欠缺。近年来,国内已开展对双面叠合剪力墙结构受力性能的研究[3-9],包括双面叠合剪力墙板竖向拼缝连接抗震性能试验研究、边缘构件的浇筑形式对双面叠合剪力墙结构抗震性能的影响、不同截面形状的双面叠合剪力墙构件在低周反复荷载下的破坏形式、叠合面摩擦滑移的破坏机理、竖向钢筋连接与锚固长度验证等,但大部分试验研究仅存在于理论层面,对构件尺寸及配筋与实际工程结合的研究较少,并且由于试验成本较高,导致试验数据少,并且现有的双面叠合剪力墙结构体系的工程项目高度均为80m以下,无法对更多项目提供数据支撑。

因此,本文基于深圳某103m双面叠合剪力墙结构住宅项目的实际需求,选取具有代表性的双面叠合剪力墙构件进行足尺试验研究和有限元分析,以深入了解其在低周反复荷载作用下的破坏形态、承载力和延性等抗震性能,以期为工程设计与应用提供相应的技术支持。

1 工程概况

该项目地下2层,地上36层,3～36层为标准层,标准层层高2.8m,房屋总高度103.5m。3层以下为底部加强部位,采用现浇剪力墙,墙厚250～300mm;电梯间核心筒区域为现浇,剪力墙厚度200mm,户型周边剪力墙采用双面叠合剪力墙与现浇边缘构件,墙厚为250mm,内、外叶预制墙板厚度均为50mm,墙体空腔内部现浇混凝土厚度为150mm。图1为该双面叠合剪力墙结构住宅平面布置图。

2 平面内拟静力试验

2.1 试验设计

2.1.1 试件设计

根据实际项目的需求,分别设计3片足尺剪力墙试件,混凝土强度等级均为C40,钢筋采用HRB400,竖向连接钢筋均为两排,试件参数见表1,图2为试件尺寸及配筋详图。

表1 双面叠合剪力墙试件参数

图2 各试件尺寸及配筋详图

2.1.2 加载方案

首先,在试件顶部进行竖向加载,竖向力为3 342kN(以轴压比n=0.4反算竖向力所得),保持恒定。然后开始水平加载,以荷载位移混合控制方法进行加载[10]。试件开裂前,按荷载控制加载;开裂后,按位移控制进行加载。每级水平位移取h/400=7.375mm(剪力墙加载点高度为h=2.95m),每级位移往复循环3次。当水平力下降至最大水平力的85%或水平位移增大到24.5mm时(此时对应罕遇地震位移角限值1/120),停止加载,试验结束。水平加载历程如图3所示,试验加载装置示意图见图4,试件实际加载图见图5。

图3 剪力墙试件水平加载历程

图4 双面叠合剪力墙试件加载装置示意图

图5 双面叠合剪力墙试件加载

2.2 试验现象及结果分析

2.2.1 试件破坏形态分析

3片剪力墙破坏形态均为弯剪型破坏,墙体两侧底部500mm范围内混凝土压溃剥落,纵向钢筋屈服。加载前期裂缝主要分布在墙体下部,呈水平向布置;随着水平位移增加,裂缝逐渐向上发展至墙体高度中部;到加载后期,墙体裂缝数量不再增加,已有裂缝不断加宽并向墙体另一侧延伸。最大裂缝宽度出现在水平裂缝中,分别为1.88、4、4mm,裂缝长度发展到三分之二墙长范围,中上部水平裂缝呈45°向对侧下部墙角斜向延伸,两侧斜裂缝交汇,弯曲裂缝逐步发展成剪切裂缝。各个试件的破坏形态如图6～8所示。

图6 试件RW1的裂缝发展和破坏形态

图7 试件PW1的裂缝发展和破坏形态

图8 试件PW2的裂缝发展和破坏形态

2.2.2 试验结果分析

(1)滞回曲线

图9为试件的P-Δ滞回曲线。试验过程描述如下:3个试件的开裂荷载分别为750、650、650kN。开裂前,试件基本处于弹性工作状态,滞回曲线包围的面积小;随着墙顶侧移的增大,构件开始发生塑性变形,试件的滞回环所包围的面积逐渐增大,加载后期由于混凝土发生损伤,滞回曲线呈现出一定的捏拢现象。

图9 各试件的P-Δ滞回曲线

两种预制试件的滞回环数量与饱满程度均与现浇试件RW1基本类似,表明边缘构件现浇、中间墙体预制(PW1)和边缘构件与中间墙体均预制(PW2)的试件与现浇试件滞回性能接近。其中,试件PW2的滞回环数比试件RW1和PW1更为饱满,这是由于双面叠合剪力墙试件集中在坐浆层附近的变形提供了更好的耗能,同时也减缓了加载后期混凝土大面积压溃导致的承载力失效。

(2)骨架曲线

各剪力墙试件的骨架曲线如图10所示。由图10可知:试件在反复荷载作用下经历了开裂、屈服、达到峰值荷载和破坏4个阶段。开裂前,荷载和位移基本呈线性增长;开裂后,试件刚度开始降低;屈服后,随着位移增加,试件刚度退化更为明显;峰值点后,试件承载力逐渐降低,直至破坏。

图10 各试件的骨架曲线

各试件的骨架曲线在加载前期基本重合,表明其前期刚度相差不大;加载后期,预制试件PW1和PW2的正向承载力下降速度略快于现浇试件,但差别很小,反向承载力下降速率几乎相同。

承载力方面,预制试件PW1和PW2的正向承载力分别比现浇试件RW1低3.6%和2.9%;反向承载力分别比试件RW1高0.3%和2.0%。总体来看,试件PW1和PW2的承载力与RW1相差在4%以内,且均高于《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[11]计算值18%～20%,考虑到不同混凝土浇筑批次(叠合层、现浇层)、不同混凝土种类(细石混凝土、普通混凝土)造成的强度差异,可以认为,在抗弯承载力方面,2种不同构造的双面叠合试件与现浇试件基本等同。

(3)位移延性与变形能力

表2为墙体的特征值及延性。由表2可见,试件RW1、PW1与PW2的极限位移Δu与屈服位移Δy的比值平均值分别为2.60、2.73、3.16,即试件PW1、PW2延性均略高于RW1,延性提升的比例分别为5.0%、21.5%,其原因是双面叠合试件底部存在坐浆层拼缝面,变形集中在坐浆层通缝,具备更好的变形能力。

表2 墙体的特征值及延性

3 有限元分析

为验证试验结果的合理性,采用ABAQUS非线性有限元分析软件参照足尺试验设置相同参数,分别建立试件RW1、PW1、PW2共3种计算模型,进行有限元计算分析。

3.1 有限元模型建立

在剪力墙有限元模型中,混凝土采用三维实体单元C3D8R,钢筋采用三维桁架单元T3D2。钢筋采用双折线随动强化模型的弹塑性本构模型,混凝土采用混凝土损伤本构[11]。

对于预制构件区域的底部水平接缝采用面-面接触模拟,通过混凝土接触面传递切向剪力和法向力。接触属性中的切向设置摩擦系数为0.6[12 ],法向设置为硬接触,即两接触面只有在压紧状态时才能传递法向压力。

模型中设置边界条件,固定底梁所有自由度,设置顶梁的自由度使其满足平面内模型的要求。网格单元尺寸采用100mm。有限元模型加载方式采用位移加载,各级位移与试验相同。

3.2 有限元分析结果

图11～13为3个试件的应力云图,破坏时现浇剪力墙试件RW1(两种预制剪力墙试件PW1和PW2的应力状态相似)混凝土较大应力主要位于端部区域,其下部钢筋尤其是边缘构件钢筋的应力呈现较大面积的屈服,构件表现出良好的延性。预制试件混凝土墙身的破坏区域以及钢筋的应力屈服区域与现浇试件相同。

图11 试件RW1应力云图/Pa

图12 试件PW1应力云图/Pa

图13 试件PW2应力云图/Pa

通过对有限元分析结果进行对比,得到不同类型剪力墙的抗震性能差别,其滞回曲线、骨架曲线分别如图14、15所示。通过对骨架曲线和滞回曲线的分析,得到与试验类似的结论:在反复荷载作用下,各剪力墙试件均经历了开裂、屈服、达到峰值和破坏4个阶段。开裂前,荷载和位移均基本呈线性增长;开裂后,试件刚度明显下降;试件屈服直至破坏阶段,试件刚度退化明显。

图14 试件的P-Δ滞回曲线有限元结果

图15 平面内各试件的骨架曲线对比

试件在开裂前,基本处于弹性工作状态,滞回曲线包围的面积小;随着墙顶侧移的增大,试件的滞回环所包围的面积也逐渐增大,滞回曲线呈现一定的捏拢现象。双面叠合剪力墙试件与全现浇剪力墙试件的滞回曲线基本一致,滞回环饱满,均表现出良好的耗能性能。随着位移不断增大和循环次数不断增加,前者刚度退化程度略大,滞回环的反S形明显。

两种预制试件的滞回环数量与饱满程度均与现浇试件RW1相似,表明边缘构件现浇、中间墙体预制(PW1)和边缘构件及中间墙体均预制(PW2)的预制构件具有与现浇试件具有相似的滞回性能。其中,试件PW2的滞回环数比RW1和PW1更为饱满,这是由于双面叠合试件集中在坐浆层附近的变形提供了更好的耗能,同时也减缓了加载后期混凝土大面积压溃导致的承载力失效。

各试件的骨架曲线在加载前期基本重合,表明其前期刚度相差不大;加载后期,现浇构件RW1的承载力下降速度略快于预制试件,但差别很小。各试件下降段都比较平缓,表现出良好的延性。

承载力方面,试件PW1和PW2的极限承载力都比试件RW1略高,相差不超过5%。试件PW2的极限承载力高于PW1,这是由于双面叠合试件集中在坐浆层附近的变形减缓了加载后期混凝土大面积压溃导致的承载力失效。总体而言,可以认为两种不同构造的双面叠合试件均可以按照等效于现浇试件抗弯承载力的方法进行设计。

3.3 试验与有限元模拟结果对比

对比有限元数值模拟结果与试验结果,如图16所示。可以看出,有限元数值模拟的结果和试验结果非常贴近,而有限元模拟的试滞回曲线更加饱满,且骨架曲线前期的刚度更大一些。这是因为试验中构件的加载曲线与加载速率及材料特性等具有一定的离散性,加载时构件存在内力重分布,数据采集也存在系统误差与人为误差。总的来说,双面叠合剪力墙的有限元模拟是可靠的。

4 结论

基于实际工程背景,分别对现浇剪力墙和双面叠合剪力墙进行平面内足尺试验研究和有限元分析,得到如下结论:

(1)双面叠合剪力墙在平面内的破坏形态与现浇剪力墙基本相同,均发生弯剪破坏,具体表现为边缘构件的纵筋屈服,墙角受压混凝土压碎。

(2)双面叠合剪力墙与现浇剪力墙的骨架曲线基本接近,二者相差仅3.6%,表明双面叠合剪力墙与现浇剪力墙承载能力可以等同考虑。

(3)双面叠合剪力墙与现浇剪力墙的滞回曲线饱满程度相似,说明双面叠合剪力墙具有现浇剪力墙同样的耗能能力。