不同連接構造的裝配式混凝土剪力墻抗震性能試驗研究

朱張峰+郭正興+朱寅+李亞坤

摘 要：試驗研究了2種不同連接構造的裝配式混凝土剪力墻抗震性能，第一種為鋼筋漿錨搭接干式連接節點，第二種則在第一種基礎上進行構造變化，邊緣構件局部現澆，墻肢中部仍然采用鋼筋漿錨搭接連接，形成干、濕混合連接節點.分別制作1片干式連接節點、1片混合連接節點足尺試件進行低周反復荷載加載試驗，并與同條件現澆試件進行對比.試驗結果表明，在承載力、剛度、位移延性及耗能能力等方面，2種裝配式試件均與現澆試件相當，其抗震能力可認為與現澆等同.同時，混合連接節點試件雖在耗能方面稍優于干式連接節點試件，但優勢并不明顯，且考慮到其施工工藝復雜，現澆混凝土澆筑質量較難得到保障，易對節點抗震性能產生明顯不良影響，故不建議采用.

關鍵詞：預制混凝土；剪力墻；抗震性能；干式連接；混合連接

中圖分類號：TU398.2 文獻標志碼：A

文章編號：1674-2974（2017）03-0055-06DOI：10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.03.007

Abstract：Two different types of horizontal connections for precast concrete shear walls are proposed and tested to evaluate their seismic performance. One is dry connection with vertical reinforcing bars anchored into the grout-filled metal bellows embedded in the precast wall， while the other is hybrid connection where the boundary elements are formed by locally placing concrete with vertical reinforcing bars lapping in the cast-in-place concrete， and the reinforcing bars placement is the same that of the dry connection. Three full-scale specimens of the dry connection， hybrid connection， and cast-in-place connection were prefabricated and tested under the low-cycle reverse loading. The measured results showed that both the precast specimens performed similarly， such as the strength， stiffness， displacement ductility， and energy dissipation capacity， and they possessed comparable seismic performance when compared with the cast-in-place specimen. Meanwhile， the seismic behavior of the hybrid connection was obviously dependent on the pouring quality of the locally placing concrete. Because of the complexity in the construction technology for the concrete placing of hybrid connection， it is difficult to ensure the quality， and the seismic performance is considerably weakened. Therefore， it is not recommended to apply the hybrid connection in precast concrete shear walls.

Key words：precast concrete； shear walls； seismic performance； dry connection； hybrid connection

“等同現澆”是裝配式混凝土結構設計的一個重要理念，其含義即通過合理的設計與構造使裝配式混凝土結構性能等同于甚至優于傳統現澆混凝土結構[1].

國外對裝配式混凝土結構的研究起步較早，已基本形成了成熟的“等同現澆”技術體系，除了文獻[1]外，文獻[2]同樣給出了詳細的設計與構造措施建議.以Kurama等[3-4]為代表的學者，對“等同現澆”裝配式混凝土剪力墻結構進行了相關試驗研究.

在我國政府大力促進建筑工業化轉型的政策引領下，裝配式混凝土結構逐漸成為學術界、工程界的研究熱點，尤其在住宅產業化的促進下，裝配式混凝土剪力墻結構得到更多的關注.“等同現澆”是我國研發裝配式混凝土結構的主要方向，并被反映到最新頒布的《裝配式混凝土結構技術規程》 （JGJ 1—2014）[5]中.以鋼筋套筒灌漿連接、鋼筋漿錨搭接連接等干式連接和疊合板式剪力墻為代表技術的裝配式混凝土剪力墻結構抗震性能被大量學者深入研究[6-13]，取得了大量試驗研究成果.

本文基于鋼筋漿錨搭接連接技術，針對裝配式剪力墻水平連接節點，提出一種混合連接技術（如圖1所示），其技術特點包括：1）剪力墻邊緣構件部位混凝土局部現澆；2）剪力墻豎向鋼筋在現澆區內搭接連接，并在搭接鋼筋外周設置螺旋箍筋；3）剪力墻中部分布區鋼筋仍然采用漿錨搭接連接.

混合連接節點中，中部分布區預制混凝土可作為預制墻板安裝時的支腿，邊緣構件部位混凝土局部現澆可在一定程度上避免干式連接節點中普遍存在的混凝土破壞集中于水平拼縫附近的現象.但由于混合節點涉及到混凝土濕作業，其施工工藝較干式節點復雜，為保證現澆混凝土的飽滿、密實，在預制墻板內預留豎向孔道，作為混凝土高位灌注的澆筑孔.

為驗證混合連接節點的抗震可靠性，并比較其與鋼筋漿錨搭接連接的干式連接節點的優劣，開展相關模型抗震性能試驗，并與對比現澆模型比較，從破壞形態、承載力、剛度、位移延性及耗能等方面評價2種節點的抗震能力.

1 試驗概況

1.1 試件設計

試驗中共制作3個足尺試件，分別為1個現澆試件（XJ），1個鋼筋漿錨搭接連接的干式節點試件（PW1），1個混合連接節點試件（PW2）.為確保試驗可比性，各試件尺寸、所用材料均相同.對于重要的配筋構造，保持各試件剪力墻自身配筋均相同.對于裝配式節點，則根據連接技術需要，增設相應的漿錨鋼筋、搭接鋼筋或螺旋筋.

各試件均包括底座、剪力墻與加載梁3部分，其中，剪力墻尺寸為200 mm（墻厚）×1 700 mm（墻長）×3 400 mm（墻高），采用C35混凝土澆筑，所配鋼筋均為HRB400鋼筋.剪力墻邊緣構件配置8Φ16豎向鋼筋、Φ8@100箍筋，分布區配置6Φ10豎向鋼筋、Φ10@200水平鋼筋，詳見圖2（a）.

PW1從底座伸出漿錨鋼筋，長600 mm，鋼筋規格與剪力墻相應位置豎向鋼筋保持一致；在預制剪力墻板中預埋Φ40金屬波紋管作為漿錨管，波紋管與所搭接鋼筋通過扎絲綁扎在一起；采用高強度、無收縮水泥基灌漿料.PW1設計詳圖見圖2（b）.

PW2剪力墻鋼筋分布區構造與PW1相同；邊緣構件部位（墻端500 mm寬度范圍）設置600 mm高度的局部現澆區，底座伸出豎向鋼筋與剪力墻預埋豎向鋼筋在現澆區域搭接，每對搭接鋼筋外周設置Φ4@50螺旋筋（HPB300鋼筋），螺旋筋外徑55 mm；現澆混凝土強度等級與剪力墻相同.PW2設計詳圖見圖2（c）.

1.2 試件加載

本次試驗在東南大學九龍湖校區結構實驗室進行，加載簡圖如圖3所示.試件底座與實驗室地板間設置8根Φ32精軋螺紋鋼，施加預張力300 kN.試件加載梁頂部設置十字形鋼梁，將通過試件兩側體外預應力鋼絞線施加的豎向荷載傳遞給試件，豎向荷載值為795 kN.水平低周反復荷載通過1 000 kN液壓伺服控制系統（MTS）施加.同時，試件側面設置了三角形桁架支撐（圖2中未示出），防止試件扭轉或失穩.

試驗過程中，首先張拉鋼絞線施加軸壓，并保持穩定，后施加水平荷載，采用力和位移雙控.屈服前以力控制加載，每級循環1次，尋找開裂及屈服荷載；屈服后以位移控制加載，每級循環3次，直至試件承載力下降到極限承載力的85%以下.試驗中規定MTS外推為正、內拉為負.

2 試驗結果分析

2.1 破壞形態

各試件均以受拉鋼筋拉斷、受壓混凝土壓潰而最終破壞，鋼筋錨固失效現象均未發生，說明漿錨搭接連接或現澆混凝土區的鋼筋搭接連接均能保證剪力墻豎向鋼筋的充分受力.試驗結束時試件狀態如圖4所示.從圖中可以看出，整體上各試件裂縫形態均為彎剪型，且分布狀態比較接近.PW1混凝土破壞相對集中于水平拼縫附近；PW2與其他試件相比，比較明顯的不同在于：1）沿現澆混凝土界面處產生裂縫，這可能由于新、老混凝土的黏結性能較整體澆筑混凝土差所致，但此形式裂縫對試件性能影響不大，因為通過觀察可以發現，正向水平裂縫與反向斜裂縫均可連續跨越該裂縫；2）一側現澆混凝土上部發生較嚴重的破壞，而另一側則相對完好，這可能是由于混凝土澆筑質量不同引起的，該部位混凝土由于混凝土骨料的沉積作用，強度相對較低，造成混凝土較大程度的損傷.

2.2 滯回曲線

各試件滯回曲線如圖5所示.各試件滯回環形狀基本接近，屈服后滯回環基本呈反“S”形，其中， XJ曲線最為豐滿，而PW1捏縮效應較其他試件較為明顯.分析認為，該現象主要由于PW1塑性變形更多由水平拼縫的張開引起，從而導致試件加、卸載初期剛度較低，表現為滯回曲線的捏縮.

2.3 強度與剛度

各試件骨架曲線如圖6所示，各試件曲線走勢基本接近，屈服后直至試驗結束荷載均未發生明顯下降，試件在大變形狀態下仍能保持穩定的承載力.

各試件在加載過程中均經歷了開裂、屈服及破壞等主要階段，各階段荷載列于表1.與現澆試件相比，裝配式試件除開裂荷載較小外，屈服荷載相當，峰值荷載更高.分析認為，由于水平拼縫的存在，混凝土抗裂強度不能發揮作用，導致裝配式試件開裂較早，而PW2由于端部存在2道拼縫，因此，開裂荷載最低.由于各試件鋼筋強度均充分發揮，加載后期的屈服荷載、峰值荷載則未受水平拼縫的明顯影響.

以加載過程中第1次循環的峰點割線剛度表征試件剛度，具體計算方法參考文獻[12].各試件在整個加載過程中剛度變化如圖7所示.裝配式試件初期由于水平拼縫的影響，試件剛度偏低，加載后期，與現澆試件基本接近，具有良好的剛度特性.

2.4 位移延性

以試件破壞時的位移與試件屈服時的位移的比值計算試件的位移延性系數.本次試驗中，試件屈服位移按受拉鋼筋首次屈服時對應的位移確定.各試件的位移延性計算結果見表2.裝配式試件的極限變形甚至優于現澆試件，位移延性性能相同，表現出良好的變形能力和延性.

2.5 耗能能力

試件能量耗散能力一般用等效黏滯阻尼系數來表征，計算方法同樣見文獻[14].各試件在加載過程中的等效黏滯阻尼系數變化曲線如圖8所示.各試件耗能能力均隨水平位移的增大穩定提高，裝配式試件具有與現澆試件基本相當的等效黏滯阻尼系數.而由于混凝土破壞的相對集中，混凝土塑性耗能能力未充分發揮，PW1耗能能力相對最低.

2.6 試件抗震性能比較

從前述數據比較可看出，PW1和PW2試件在強度、剛度、延性、耗能等各方面的表現均基本接近，且與XJ試件基本相當，均表現了良好的抗震性能.

與PW1試件對比，PW2試件由于邊緣構件混凝土局部現澆，一定程度上降低了水平拼縫對構件整體性能，尤其是耗能能力的影響，表現為滯回曲線捏縮效應減弱（比較圖5（b）（c）），耗能能力有所提高（見圖8），但效果并不十分明顯.同時，由于PW2試件的構造與工藝特點，造成其抗裂荷載較低，且施工工藝復雜，混凝土的澆筑質量較難得到保障，現澆區頂部混凝土尤其容易發生混凝土不密實問題，該部分混凝土更易破壞（見圖4（c））.因此，不建議PW2試件采用的干、濕混合連接技術應用于實際工程.

3 結 論

對1個現澆試件、1個鋼筋漿錨搭接連接的干式節點試件與1個局部現澆的混合連接節點試件開展了抗震性能試驗，試驗結果表明：

1）干式節點與混合連接節點在強度、剛度、延性及耗能能力等方面均可達到與現澆試件相當，2種不同連接構造的裝配式剪力墻具有良好的整體性與抗震能力，可認為達到“等同現澆”性能.

2）干式連接中鋼筋漿錨搭接連接與混合連接中鋼筋在局部現澆混凝土內搭接，均能保證剪力墻豎向鋼筋強度的充分發揮.

3）混合連接試件由于邊緣構件部位局部混凝土現澆，一定程度上消除了干式連接試件水平拼縫對試件性能的顯著影響，表現為滯回曲線捏縮效應減弱，耗能能力提高，但同時也帶來了試件抗裂性能的降低.

4）由于施工工藝復雜，混合連接試件現澆區域頂部混凝土容易受到澆筑質量的影響而發生較嚴重的破壞，將顯著影響試件抗震性能，因此，不建議將其應用于實際工程.

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