裝配式剪力墻結構新型連接節點的構造與抗震性能研究

余志武 , 彭曉丹 , 國 巍 , 彭妙培

（1. 中南大學土木工程學院, 湖南 長沙 410075；2. 高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410075）

在創建“資源節約型、環境友好型”社會的大背景下，從傳統高污染、高能耗的手工作坊式建造方式向環保節能的工廠化、標準化建造方式的轉變是建筑產業發展的必然要求，裝配式結構是實現這一目標的主力軍[1]．裝配式剪力墻結構具有裝配式建筑生產效率高、質量好、生態環保的特點，同時結構豎直和側向剛度均較大，房間內無梁、柱等突出，適用于高層住宅建筑，符合“住宅工業化”的發展要求，國內已經進行相關研究工作并展開了示范和應用[2-3]．

裝配式剪力墻結構中存在較多的水平接縫、豎向接縫和節點，如何使得預制構件之間牢固連接成為了制約結構整體性、承載能力、抗震性等性能的關鍵．國外對裝配式剪力墻連接技術的研究起步較早，Sami H Rizkalla[4]等對采用抗剪鍵連接的水平接縫裝配式剪力墻抗剪承載能力的影響因素進行研究，并根據試驗數據歸納出抗剪鍵的受剪承載力計算公式； Brian J. Smith[5]提出了采用普通鋼筋和無粘結預應力鋼絞線連接的裝配式剪力墻結構水平縫連接方式，并在試驗研究[6]中證明這種連接中普通鋼筋耗能，而預應力筋保持結構的承載力和自恢復能力．相比國外將無后澆混凝土的“干連接”形式作為研究重點，國內的研究主要集中在需要現場濕作業拼裝的裝配式剪力墻結構接縫的“濕連接”．朱張峰等[7]研究了預制裝配式剪力墻結構中間層邊節點，包括墻板節點、墻梁節點、梁板節點的抗震性能，并對節點鋼筋連接進行探討；姜洪斌等[8,9]提出預制混凝土結構插入式預留孔灌漿鋼筋連接，在試驗數據基礎上給出了錨固長度的建議公式，并對采用漿錨連接的預制剪力墻子結構進行擬靜力試驗，研究其變形能力及剛度退化．錢稼茹等[10]對預制墻體鋼筋灌漿套筒連接的試件進行低周反復荷載試驗，結果表明結構耗能能力強，抗震性能與傳統現澆墻體相當．國內也有學者[11]進行了“干連接”的初步研究．

綜合本文關于裝配式剪力墻連接節點的調研，目前提出的連接方式還存在著一些缺陷和不足．“干連接”在國外應用較廣泛，但在施工現場需要張拉預應力筋，對操作精度要求高，質量較難把控，國內較少采用．國內裝配式剪力墻多采用“濕連接”，包括灌漿套筒連接、漿錨搭接、預留孔連接等，存在著施工操作復雜、施工成本高、對不同受力條件的構件適應性差的不足．本文提出一種裝配式剪力墻新型連接節點—U型套箍連接，屬于“濕連接”的范疇，具有施工操作便捷、成本低、能適用于不同條件下裝配式剪力墻結構的特點．U型套箍連接的 U型鋼筋是由預制構件預留縱筋或分布鋼筋外露形成，預制構件U型鋼筋錯位搭接形成套箍，并在套箍平面內四角穿插垂直于平面的通長鋼筋，并澆筑混凝土實現預制剪力墻墻體的連接，節點構造如圖1所示．

圖1 裝配式剪力墻新型連接節點構造Fig.1 New connection node structure of precast concrete shear wall

1 裝配式剪力墻中新型連接節點抗拔性能試驗

制作單個節點試件進行靜力拉拔試驗，獲得節點試件的抗拔力、U型鋼筋及混凝土的破壞形態，據此來評價采用這種新型連接節點的裝配式剪力墻結構抗震性能，試件如圖2所示．節點試件混凝土塊體尺寸為330 mm×200 mm×300 mm，實測混凝土抗壓強度30.94 MPa，U型鋼筋彎折長為130 mm．試驗變量為鋼筋型號及U型鋼筋在混凝土塊中的埋深，試驗所用鋼筋 B8、B10、C14為三種，U型鋼筋埋深變化范圍為40 mm到270 mm．

圖2 U型套箍連接抗拔試驗試件 Fig2 U-shaped ferrule connection pullout test specimens

試件的抗拔力[12]主要由 U型鋼筋豎直段與混凝土的粘結力和水平段鋼筋與混凝土塊的擠壓力形成，由于試件水平段鋼筋埋置長度相同，鋼筋直徑對擠壓力的影響較小，試件抗力主要由受埋深影響的粘結力決定．試驗開始時，混凝土內靠近表面處鋼筋應力值最大，應力隨深度增加而減小；荷載增加，近試件表面鋼筋混凝土的粘結力首先發生破壞，并沿U型鋼筋豎直段發展．根據試驗現象，節點試件的破壞主要可分為 U型鋼筋外露段拉斷和混凝土拉裂U型鋼筋拔出兩種破壞形態，如圖3所示．若U型鋼筋兩根豎直鋼筋的極限荷載小于試件抗拔力，試件發生U型鋼筋外露段拉斷破壞，此時鋼筋發生頸縮現象，屬于延性破壞；反之，則發生不利于結構抗震的混凝土塊拉裂的脆性破壞，U型鋼筋沒有顯著屈服耗能，U型鋼筋被拔出．不同直徑鋼筋試件對應的埋深—破壞力試驗曲線如圖4所示．據圖4可得，在忽略個別試件因加載裝置造成錯誤的前提下，增加U型鋼筋的埋深能增加試件的抗拔力，但當埋深增加到一定程度后，抗拔力的增長曲線趨于平緩，這也啟發我們在實際工程應用中，要尋找一個經濟合理的U型鋼筋埋深．

圖3 節點試件不同破壞形態Fig.3 Different failure modes of node specimens

圖4 不同鋼筋直徑試件對應埋深-抗拔力曲線Fig.4 Depth-pullout force curve of specimens with different reinforcements diameter

2 裝配式剪力墻結構新型連接試件抗震性能試驗

在裝配式剪力墻結構新型連接節點試驗抗拔力研究的基礎上，為解決預制剪力墻連接技術問題，分別對采用新型連接技術的水平縫剪力墻試件和豎直縫剪力墻試件進行低周反復荷載試驗，根據試驗結果對 U型套箍連接方法的抗震性能進行評價．試驗制作試件共3個，原型為實體工程底部剪力墻墻體，分別記為SW1(現澆試件)、SW2(帶水平縫試件)、SW3(帶豎直縫試件)．預制構件混凝土強度等級為C30，水平縫和豎直縫混凝土采用加入水泥用量 5%的膨脹劑的微膨脹混凝土，強度等級為C35．

試驗用荷載-位移雙控制加載，試件屈服前由荷載控制加載，屈服后由位移控制加載，試件軸壓比為 0.3，試驗加載裝置如圖 5所示．試驗研究的內容包括試件的裂縫發展及試件破壞機理、試件內鋼筋應變的分布和位移分布、試件的變形能力及剛度退化分析．

圖5 試驗加載裝置Fig. 5 Loading device

3.1 試件裂縫發展及破壞形態

試驗中，裝配試件的裂縫開展情況及破壞形態與現澆試件基本相同，3個試件加載完成后的裂縫分布如圖6所示．3個試件都經歷了開裂階段、屈服階段、塑性階段及破壞階段．加載初期，試件殘余變形小，處于線彈性階段，裝配試件的開裂荷載要比現澆試件小，墻體與地梁連接處有微裂縫出現．在往復荷載作用下，墻體屈服，從墻底往上出現多條水平裂縫，剪力墻約束邊緣構件鋼筋屈服．塑性階段，試件損傷累積，裂縫不斷出現，已有裂縫斜向發展并逐步貫通形成主裂縫．破壞階段，都伴隨墻體底部混凝土壓潰，裝配試件后澆帶混凝土裂縫分布密集，部分裂縫與預制構件裂縫相互貫通，現澆試件破壞荷載大于裝配試件．總的來看，剪力墻試件邊緣鋼筋的屈服先于混凝土的壓潰破壞，試件的破壞形態都屬于塑性破壞，具有較好的延性．

比較3個試件裂縫分布，現澆試件 SW1相對于裝配試件SW2、SW3，其裂縫在底部墻高1/2的范圍內分布，而裝配試件的裂縫分布范圍主要集中于底部墻高1 /3的范圍內，形成了貫通的斜裂縫，損傷累積效應不如現澆試件顯著．裝配試件破壞時，由于新老混凝土結合面抗剪性能不佳，后澆縫處產生貫通裂縫．實際使用應考慮在預制墻體的拼裝面設置剪力鍵或由人工鑿毛改為水射流鑿毛等方式改善結合面抗剪性能．

3.2 裝配試件鋼筋應變分布和位移分布

試驗時，在后澆縫兩端對應位置U型鋼筋上布置鋼筋應變片，研究水平接縫處鋼筋應變的傳遞情況．圖7為試件作動器作用對側鋼筋的應變曲線，水平縫裝配試件 SW2接縫處上下鋼筋應變變化趨勢相同，與現澆試件相似，差值基本恒定，說明U型套箍連接在試件屈服前能有效傳遞鋼筋應力，傳力效果與現澆試件相近．圖8為試件在開裂階段、屈服階段、荷載峰值階段位移沿墻高的分布圖，在開裂及屈服階段，試件 SW2的側向位移較試件SW1、SW2大，由于水平接縫的存在使得試件剛度減小；在荷載峰值階段，試件 SW2、SW3的側向位移均大于現澆試件SW1；裝配試件各階段位移沿墻高分布曲線基本呈線性，與現澆試件趨勢相同， 說明預制試件間協同變形能力良好，連接可靠．

圖6 試件裂縫分布Fig.6 Crack distribution figures of the specimens

圖7 試件鋼筋應變的傳遞Fig.7 Strain propagate of reinforcements in specimens

圖8 試件位移沿墻高分布Fig.8 The displacement distribution of specimens along the wall height

3.3 試件的變形能力和剛度退化比較

表 1列出了試件正向加載時對應的屈服位移1 、屈服位移角2、極限位移 3 、極限位移角4 和位移延性系數5 ，其中極限位移3和極限位移角4為試件加載到承載力最大值后，試驗力下降至最大承載力的85%時所對應位移及轉角．結果表明：裝配試件的延性比現澆試件差，但延性系數均大于2.5，延性較好，極限位移角4均大于規范[13]限值，符合規范要求．圖9為試件的等效剛度退化曲線，裝配試件與現澆試件有相同的剛度退化趨勢，但初期裂縫出現較早，初始剛度低，前期剛度退化曲線較陡，剛度退化塊，后期剛度退化曲線與現澆試件曲線基本重合，剛度性能表現與現澆試件接近．

表1 剪力墻試件變形能力比較Tab.1 Comparison of deformation capacity of the shear wall specimen

4 新型連接節點的改進

由試驗結果及圖9對于試件剛度的分析，U型套箍連接應用于裝配式剪力墻水平縫與現澆試件表現相近，而用于裝配式剪力墻豎直縫，試件的初始剛度顯著降低，這是由于豎直縫后澆混凝土不密實，而U型套箍連接不能抵抗預制墻體之間擠壓使得接縫處混凝土開裂較早所致．為此，提出一種基于U型套箍連接改進的新型連接方法，如圖10所示．

預制構件工廠化生產時將外露縱筋或分布鋼筋加工成U型，在平行于U型水平段鋼筋對應位置處焊接水平加強鋼筋，起限制穿插通長鋼筋相對移動的作用，具體尺寸依據后澆縫寬度及結構受力情況擬定．預制構件吊裝就位，外露U型鋼筋相互搭接形成套箍，穿插垂直于套箍平面的通長鋼筋．改進型U型套箍連接在不影響施工便捷性，不明顯增加成本的前提下，提高了節點連接性能，節點能較好地抵抗預制構件之間的擠壓力．

圖10 改進U型套箍連接構造圖 Fig.10 Structure diagram of improved U-shape ferrule connection

5 結論

本文提出一種裝配式剪力墻結構的新型節點連接構造-U型套箍連接，通過節點連接的靜力試驗，研究鋼筋、混凝土及鋼筋混凝土粘結破壞的形態，分析U型鋼筋直徑及埋深對試件抗拔力的影響；通過試件的低周反復荷載試驗，研究試件裂縫發展及破壞形態、鋼筋應變分布及試件位移分布、變形能力及剛度退化，據此評價新型節點連接的抗震性能，并基于試驗結果提出了一種改進型的 U型套箍連接，得到如下結論：

(1) U型鋼筋錨固破壞形態主要有兩種：鋼筋拉斷和混凝土塊拉裂．

(2) 適當增加U型鋼筋的埋深能顯著提高節點抗拔力，避免混凝土拉裂；當埋深達到一定程度后，節點發生鋼筋拉斷，抗拔力將轉由U型鋼筋型號決定度．

(3) 采用新型節點連接的裝配試件發生破壞形態為彎曲或近于彎剪的塑性破壞；在鋼筋屈服前，鋼筋間傳力效果良好；裝配試件具有與現澆試件相當的整體性、變形能力及耗能能力，連接的抗震性能可靠．

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