水平縫螺栓連接的全裝配式復合墻體受力性能試驗研究

苗欣蔚 黃煒 胡高興 張家瑞 范珍輝

摘 ? 要：提出一種用于全裝配式復合墻體水平接縫的干式連接方法，通過預埋鋼件、L形鋼連接件和高強螺栓來連接預制墻體和上、下層結構. 為研究采用此種干式連接方式綠色裝配式復合墻體的抗震性能和連接件的受力性能，以鋼連接件厚度和高強螺栓規格（直徑和預拉力）為關鍵參數，設計5榀墻體試件進行單調加載試驗，對試件的破壞模式、水平荷載-位移曲線、特征值點、抗震性能指標、連接件的應變、連接件與墻板的相對滑移進行研究. 研究結果表明：水平縫采用螺栓連接的試件變形能力較強，極限位移角達1/25時仍具有較高的承載力;增加鋼連接件厚度可提升試件的承載力和初始剛度，但高強螺栓規格對試件承載力和剛度無明顯影響.

關鍵詞：裝配式復合墻;干式連接;螺栓連接;單調加載;抗震性能

中圖分類號：TU375 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Abstract：A dry connection method for horizontal joints of fully assembled composite walls is proposed in this paper. The prefabricated wall and the upper and lower structure are connected by pre-buried steel parts， L-shaped steel plates and high-strength bolts. In order to study the seismic performance of the composite wall and the mechanical behaviour of the joints， 5 specimens were designed with the thickness of steel plate and the high-strength bolt specifications （diameter and pre-tension） as key parameters. A monotonic loading test was performed to study the failure mode， horizontal load-displacement curve， eigenvalue point， seismic performance index， strain of the joint， and relative slip of the joint and the wallboard of the test piece. The results of experimental research show that the specimens with bolted connections on horizontal joints have strong deformation ability， where the ultimate displacement angle is up to 1/25， and they still have high bearing capacity. Increasing the thickness of jointed steel plates can improve the bearing capacity and initial stiffness of the specimens， but the specifications of the high-strength bolt have no obvious influence on the bearing capacity and rigidity of the specimen.

Key words：assembled composite wall;dry connection;bolted connection;monotonic loading;seismic performance

綠色裝配式復合結構體系是一種耗能減震、生態環保、節能保溫的裝配式建筑結構新體系. 預制構件內填生態材料可有效緩解原材料的消耗和部分建筑廢棄物的循環利用問題，同時由于其特殊的材料及結構形式構造，使其承力體系具有明確的三道抗震防線. 綠色裝配式復合結構是由預制復合墻板通過現澆邊緣連接構件與疊合樓板及其他預制構件等整裝而成的承重結構體系. 其中，裝配式復合墻體是預制復合墻板與連接柱、豎向現澆連接帶及約束暗梁組合形成的墻體[1-3].

近年來，國內外學者對裝配式墻體結構墻體邊界連接技術、結構抗震性能等展開了多方位的研究，已取得較多成果. 陳文等[4]設計了2棟縮尺2層干式連接裝配式墻體結構（PPSDC），分別采用螺栓連接和焊接2種干式連接方法，進行了低周往復加載試驗，分析了該結構破壞模式、抗震性能等，并提出PPSDC結構的延性節點設計原則. 孫建[5]提出一種通過鋼構件和高強螺栓連接上下層預制剪力墻的干式連接方法，擬靜力試驗結果表明：此種裝配式剪力墻變形能力和耗能能力均不遜色于現澆剪力墻結構. 楊帆[6]提出在裝配式剪力墻水平拼縫采用部分U形鋼板螺栓連接，將U形鋼板通過錨筋預埋至下層墻體，再將上部墻體卡至U形鋼板槽內，并通過螺栓將U形鋼板與墻體實施連接. 通過低周反復荷載試驗研究，分析試件破壞機理及抗震性能，得出水平拼縫采用部分U形鋼板螺栓連接的裝配式剪力墻具有良好延性及抗倒塌能力. 芬蘭Peikko公司[7]研發了一種預制混凝土構件的豎向連接件“Wall Shoe”，該連接件的優勢在于可使上下層鋼筋連續傳力，結構整體性能好，且根據結構需要可在連接件上增設鋼筋網片應用于中高層結構. VIMMR等[8]通過試驗給出Wall shoe用于齒槽接觸面時的受剪承載力公式. Soliman等[9]通過螺紋鋼和套筒進行剪力墻水平向和豎向連接，試驗表明，由于接縫處鋼件的屈服，該墻體具有較好的變形性能，表明連接處的鋼錨栓可以設計成結構延性保險絲. 黃煒等[10]對豎向采用不同連接方式的裝配式剪力墻進行擬靜力試驗，對比分析破壞模式和抗震性能，結果顯示：豎向采用焊接連接試件多為彎剪破壞，預埋焊板可較好地傳遞應力，其抗剪承載力優于坐漿連接. 黃昌輝[11]、Sun等[12]將鋼板通過螺栓連接或焊接的形式來連接剪力墻，試件受力時通過鋼板的塑性變形消耗能量，試驗證明：采用此類連接方式的試件均具有優越的耗能性能.

本文在課題組前期成果的基礎上，將綠色裝配式復合墻結構與新型墻體邊界連接技術有機結合，以實現綠色裝配式復合結構的全裝配干式連接技術. 提出一種水平接縫干式連接方式：通過高強螺栓、預埋鋼件和鋼連接件實現裝配式復合墻體與上下部結構干式連接的方法. 本文通過試驗檢驗了此種干式連接墻體試件的可行性和可靠性，并研究了試件的受力性能、連接件應力分布和滑移規律，以及改變關鍵參數對試件和連接件的影響. 為下一步裝配式復合墻體的豎向接縫干式連接提供理論研究基礎.

1 ? 試驗方案

1.1 ? 設計概況

螺栓連接方案的核心思路是在預制構件邊緣預埋鋼連接件，通過L形鋼連接件和高強螺栓將預制墻體與下部構件連接. 鑒于復合墻體的特殊構造，設計時在肋柱底部布置連接件，選擇C30混凝土依據規范[13]計算出墻體的抗剪強度設計值約為80 kN，螺栓和鋼板的設計保證連接件的強度超過了墻體的抗剪強度設計值[14]，滿足安全性. 同時符合“強連接，弱墻肢”的設計準則，此種連接方式適用于低層及多層裝配式復合墻結構.

眾所周知，高強螺栓在滑移前后受力機理不同，滑移前，由預埋件與鋼連接件接觸面上的摩擦力來傳遞內力（高強螺栓上施加預拉力）;滑移后，變為由摩擦力和螺桿壁承壓共同傳力.

由于接縫受剪力與彎矩的影響，滑移時會使墻板產生微旋轉，受壓側墻板與底梁、鋼連接件與底梁的間隙會閉合，這在一定程度上有助于荷載的傳遞;同時墻體通過自重及軸向荷載抵抗地震時產生的不利彎矩[15].

分析水平縫螺栓連接的傳力路徑有2條：1）墻板底部接觸面直接傳遞于底梁;2）墻體預埋件→高強螺栓→鋼連接件→底梁螺栓→底梁. 前者主要傳遞壓力，后者主要傳遞拉力、剪力和彎矩.

1.2 ? 試件設計

試驗共設計了5榀1/2縮尺復合墻體試件，試件編號GPCWH-5～GPCWH-9，分別由底梁、預制復合墻板、加載梁三部分組成. 5榀墻體尺寸、配筋形式、材料強度均相同，肋格形式為3 × 3，墻體尺寸為1 330 mm×950 mm×100 mm，預制底梁尺寸為2 000 mm×500 mm×500 mm，現澆加載梁尺寸為1 150 mm ×200 mm×200 mm，墻體底部有10 mm坐漿層，砌塊為MU5加氣混凝土砌塊，混凝土強度等級C30，底梁預埋高強螺栓M16，連接鋼件均采用Q235B，預埋鋼件采用焊接方式連接鋼管和鋼板，設計軸壓比依據文獻[13]取為0.2，其計算式為μ = N/（Ac ?fc），其中 Ac代表混凝土的截面面積，fc代表混凝土的軸心抗壓強度，N代表豎向荷載;加載點高度為加載梁中部;因考慮安裝問題對連接鋼板上部開設槽孔，并進行高強螺栓的抗滑移承載力驗算[16].試件尺寸及配筋和連接件構造如圖1、圖2所示. 試件制作過程如圖3所示.

螺栓連接墻板預埋件構造如圖2所示，墻板預埋件由無縫鋼管兩端焊接開孔鋼板呈工字形（如圖2（b）所示），鋼板外露于墻表面，底梁預埋M16高強螺栓高出混凝土面40 mm，墻板吊裝定位后，通過高強螺栓穿過鋼連接件和工字型預埋件連接墻體和底梁，并按規范對高強螺栓施加預拉力. 其中構件GPCWH-8兩邊外側連接高強螺栓使用M16，內側使用兩根M12高強螺栓，連接件參數見表1.

1.3 ? 材料性能

各試件混凝土強度等級均為C30，試件墻板同次澆筑，預留3組100 mm×100 mm×100 mm立方體標準試塊. 實測立方體抗壓強度35.4 MPa，加砌塊實測抗壓強度4.6 MPa，鋼構件均采用Q235B低屈服點鋼，高強螺栓性能等級為8.8s，箍筋采用HPB300，縱筋采用HRB400，進行材性試驗，結果見表2.

1.4 ? 加載方案

本試驗在西安建筑科技大學結構實驗室進行，豎向荷載由1 000 kN油壓千斤頂施加，水平向荷載由美國MTS 公司1 000 kN液壓伺服作動器施加;按照軸壓比0.2計算，豎向恒載作用200 kN，通過分配梁均勻分布于墻頂部加載梁;先進行預加載，待檢查測量裝置正常后正式加載，水平荷載通過反力墻，借助液壓作動器對墻體頂部施加. 由于屈服荷載不易捕捉，水平向采用位移控制法進行單調加載，加載裝置見圖4. 開裂前每級加載0.25 mm，開裂后每級加載0.5 mm，屈服后滑移段開始前以1 mm為一級，滑移段開始后以2 mm為一級;直至承載力下降至85%或變形較大時，視為墻體破壞，試驗結束.

1.5 ? 測試內容

測點布置如圖5所示，Z1～Z12為肋柱鋼筋應變片，L1～L12為肋梁鋼筋應變片，編號依左至右增大，從上至下增大;H1 ～ H4為鋼連接件應變花;DT1～DT5為YHD型位移傳感器，DT5號位移計測量底梁剛體滑移，DT2～DT4號位移計測量墻體沿不同高度的水平位移，DT1號位移計測量墻板相對底梁的滑移;L-1～L-6為拉線位移計，L-1～L-4測量鋼連接件相對墻板的豎向滑移，L-5和L-6測量墻體兩側豎向位移.

2 ? 試驗現象描述和破壞形態

試件GPCWH-6：首先施加豎向荷載，通過千斤頂加在分配梁上，一次加到200 kN，在豎向加載過程中，試件未出現可見裂縫. 頂點側移達到1.25 mm時，墻體受壓端砌塊出現第一條肉眼可見微斜裂縫. 頂點側移達到2.3 mm時，中間列砌塊均出現斜裂縫，墻體底部與地梁開裂. 隨著頂點側移繼續增大，砌塊裂縫繼續發展、延伸，并且部分裂縫延伸至肋梁. 頂點側移達到8 mm時，受壓側肋梁開裂，受拉側肋梁無裂縫，此時荷載-位移曲線上出現明顯拐點，認為此時荷載已經達到屈服荷載. 隨著頂點側移的增大，受拉側砌塊裂縫增多，且向肋梁延伸. 頂點側移達到16 mm時，受壓側肋梁中部出現斜裂縫，中間列肋梁兩端裂縫貫通，此時荷載-位移曲線已經出現較為明顯平緩段. 頂點側移達到22 mm時，水平荷載達到最大. 頂點側移達到25 mm時，中間兩肋柱出現貫通水平裂縫，隨著側移的增加，肋梁、肋柱節點處出現斜裂縫，砌塊表面也逐漸脫落，受拉端墻板底部與地梁的裂縫也逐漸增大. 頂點側移達到53.2 mm時，墻體受壓端角部混凝土壓碎，此時試件位移過大，層間位移角達1/25，停止加載.

其他4榀試件的破壞過程與試件GPCWH-6 基本相同，由于各組設計參數的不同，墻體裂縫開展及各部件之間的協同工作性能有所差異. 試件GPCWH-5的開裂位移較試件GPCWH-6增大20%，GPCWH-7的開裂位移與試件GPCWH-6基本相同，最終破壞時砌塊部分脫落，GPCWH-5、GPCWH-6、GPCWH-7呈現出砌塊脫落從輕到重，墻板受壓區肋柱柱腳混凝土破壞從重到輕;加載結束時，5個試件螺栓連接部位的混凝土有一定開裂或表皮剝落現象，連接部位整體較為完好，表明螺栓連接方式能夠有效傳遞豎向應力. 試件最終破壞情況如圖6所示，局部破壞如圖7所示. 根據試件破壞情況、試件裂縫的分布及鋼連接件變形情況分析可知：

1）由試驗現象和力-位移曲線可知各試件均經歷了彈性、彈塑性及破壞3個階段，由“砌塊—肋梁—肋柱”依次破壞，均為剪切破壞.

2）最終破壞時連接件除受拉端連接鋼板（4 mm、6 mm）輕微屈服外（對承載力無明顯影響），受壓端鋼連接件、底梁預埋螺栓和墻板連接高強螺栓均未發生塑性變形，可見連接件不僅能有效傳遞豎向應力和剪應力，還能保證上下層構件的可靠連接.

3）鋼連接件厚度越小，墻體受拉端鋼連接件越早發生屈服，墻板受拉端被“拉起”，受力集中在受壓端. 鋼連接件厚度最小的GPCWH-5受壓端破壞最嚴重，受拉端只有砌塊上有少量裂縫，肋梁肋柱均未破壞;GPCWH-7（鋼板最厚）受拉端與受壓端裂縫均衡（見圖6（a）（b）（c））;其他3組試件裂縫分布情況介于二者之間. 因此為使構件合理受力，鋼連接件厚度不宜設計得過小. 改變螺栓規格對墻體破壞形態并無明顯影響（見圖6（b）（d）（e））.

3 ? 試驗結果分析

3.1 ? 荷載-頂點側移曲線及特征點

各試件的骨架曲線如圖8所示，特征點處位移和荷載見表3. 其中開裂點以墻體出現第一條肉眼可見明顯斜裂縫，且骨架曲線上有明顯的拐點來判定，屈服荷載通過能量等效法計算而得，對應的位移為屈服位移，骨架曲線上峰值荷載85%所對應的點為破壞點，取加載正反向各特征點均值進行對比分析，可得以下結論：

1）各試件荷載-位移曲線規律相似，試件在開裂前曲線發展趨勢基本相同，開裂后各試件剛度下降速率有所差異，部分試件下降段不明顯，部分試件在位移角達到1/25時承載力仍未出現明顯下降趨勢.

2）墻體的極限承載力隨鋼連接件厚度的增加而增長，但鋼板厚度對開裂點和屈服點無明顯影響;在相同鋼連接件厚度前提下，高強螺栓規格對試件的剛度和對承載力無明顯影響.

3.2 ? 位移延性系數

位移延性系數反映了構件在強震作用下承受塑性變形而不破壞倒塌的能力，計算時取峰值荷載下降到0.85Pu時相對應位移值與屈服位移值的比值，本文屈服點用能量等值法確定，計算結果見表3，經分析，可得以下結論：

1）試件GPCWH-5～GPCWH-9的延性系數均大于3.9，平均值達到5.5，而一般認為鋼筋混凝土結構對其抗震要求的延性系數為3～4[15]，可見水平縫采用螺栓連接的裝配式復合墻體的延性性能較好.

2）對比試件GPCWH-5、GPCWH-6、GPCWH-7可知位移延性系數隨鋼連接件厚度的增加而增長;但對比試件GPCWH-6、GPCWH-8、GPCWH-9，發現位移延性系數與螺栓規格無明顯關系.

3）結合試驗現象可以得出墻板的頂部側移由多部分組成，包括：墻板底部剛體位移產生的頂部側移、墻板自身彎曲變形和剪切變形產生的頂部側移、受拉端墻板底部被拉起時產生的頂部側移三部分，其中第三部分又包括底部鋼連接件的豎向變形和鋼連接件與墻板的豎向相對滑移.

3.3 ? 剛度退化

圖9所示為各試件的割線剛度退化曲線，經分析，可得以下結論：

1）試件GPCWH-5～GPCWH-9的割線剛度退化曲線規律相似，退化趨勢基本一致，隨頂點側移的增大呈現出非線性下降趨勢. 加載初期抗側剛度退化速度較快，加載后期退化曲線趨于平緩.

2）試件GPCWH-5、GPCWH-6、GPCWH-7相比，在彈性階段，試件剛度呈現GPCWH-7> GPCWH-6> GPCWH-5，表明在彈性階段，采用螺栓連接的裝配式復合墻體的剛度隨鋼連接件厚度的增加而增大，但差異并不太大.

3）試件GPCWH-6、GPCWH-8、GPCWH-9相比，試件的剛度隨頂點側移的增大而減小，退化規律基本一致，說明試件的剛度退化規律與螺栓規格無明顯關系.

4）鋼連接件會對墻板整體性能有一定影響，連接鋼板越厚，墻板抵抗水平接縫破壞，即墻板抵抗底部被“拉起”的能力越強;相反當鋼連接件較薄時，鋼板受到較小的拉力就會超過其彈性極限發生變形，從而引起墻板頂部側移，導致計算剛度降低.

3.4 ? 鋼筋應變

圖10所示為試件肋柱縱向鋼筋應變和頂點水平側移關系曲線[17]. 經分析，可得以下結論：

1）試件GPCWH-5、GPCWH-7、GPCWH-9，受拉區鋼筋應變隨著頂點側移增加而增加，鋼筋Z7加載初期受壓（試件GPCWH-7的Z7全程受拉），加載后期轉為受拉，受壓區鋼筋Z8全程受壓，可知破壞時試件中和軸位于Z7和Z8之間. 而試件GPCWH-6的Z7、Z8全程受壓，Z6在接近破壞時由受拉變為受壓，可見改變連接件參數會影響試件中和軸位置.

2）試件GPCWH-5、 GPCWH-6、 GPCWH-8、GPCWH-9，均為中肋柱鋼筋應變較大，而邊肋柱鋼筋應變較小，與試驗中各肋柱裂縫分布情況吻合（見圖6）;受壓區的邊肋柱壓應力主要由混凝土承擔，縱筋承擔壓應力很小，所以應變也很小，而受拉區邊肋柱被“拉起”，首先由于其縱筋與下部不貫通，且沒有邊緣構造柱對其約束，縱筋未能很好地進入受力狀態，此處荷載主要由墻板混凝土承擔，鋼筋受力較小. 對于中肋柱，兩側砌塊與邊肋柱對中肋柱形成類似“邊緣構造柱”的作用，對其產生約束，使中肋柱縱筋進入受力狀態發揮其作用，因此中肋柱縱筋應變普遍大于邊肋柱縱筋應變. 而試件GPCWH-7受拉端邊肋柱出現裂縫較多，監測顯示此處鋼筋最先達到屈服，二者結果吻合.

3.5 ? 鋼連接件應變分布

在試驗中采用應變花監測鋼連接件的應變狀態. 各試件的鋼連接件的豎向正應變隨頂點側移的關系如圖11所示，經分析，可得以下結論：

1）所有試件在施加豎向軸壓力后，鋼連接件全截面受壓，隨著頂點側移的增加，受拉端鋼連接件正應變表現出持續增長的趨勢，應變-頂點側移曲線上均出現一段較平緩的階段，這是因為鋼連接件與螺栓、螺栓與預埋件之間的間隙使得鋼連接件在加載過程中出現與墻板的相對滑移.

2）隨著頂點側移的增加，各試件受壓端鋼連接件正應變表現出加載初期增大，加載后期增加較為緩慢. 這是因為加載初期鋼連接件與墻板之間具有較好的連接，墻板與鋼連接件變形協調，當達到一定變形后，由于鋼材與混凝土的材性差異使得鋼連接件出現相對滑移，這時墻體的受壓端壓應力主要依靠混凝土來傳遞.

3.6 ? 鋼連接件的滑移

所有試件中的連接件滑移量與頂點側移的關系如圖12所示，圖中橫坐標代表試件頂部水平位移，縱坐標表示各鋼連接件與墻體的豎向相對滑移量，試件荷載-位移曲線的屈服點和峰值點位置如圖12所示. 經分析，可得以下結論：

1）施加豎向荷載后，由于墻板全截面承受壓力，因此加載初期各連接件相對墻板產生少量負滑移，隨著頂點水平側移增大，受拉端滑移值變為正值，并逐漸增大.

2）各試件除L-3處鋼連接件滑移量較小或基本無滑移外，預埋件與鋼連接件的豎向滑移均隨著頂點側移的增大而增大，與鋼連接件的豎向正應變的變化基本保持一致，說明試件受拉端連接件由于高強度螺栓與螺孔之間的間隙，使得高強度螺栓與預埋件、鋼連接件產生滑移，在這過程中，預埋件與鋼連接件通過摩擦進行傳力;峰值位移以后，相對滑移-位移曲線上表現出平緩段，表明此時螺桿與鋼連接件、預埋件接觸，受力表現為螺桿的承壓.

3）受拉端滑移曲線和試件骨架曲線趨勢相似，加載初期試件處于彈性階段，連接件滑移量較小，進入彈塑性階段后滑移增速明顯加快，屈服點過后滑移增速進一步加快，接近峰值點時滑移平緩，直至最終試驗結束. 相對于受拉端而言，受壓端預埋件增長速率明顯較緩慢.

4 ? 結 ? 論

本文針對低、多層裝配式復合墻結構，提出一種采用高強螺栓和連接鋼件連接裝配式復合墻體與下層結構的干式連接方法，通過試驗對試件的破壞模式、受力性能、剛度、連接件的應變和滑移等進行了研究和分析，結論如下：

1）從試驗結果看出螺栓連接復合墻體均為墻肢破壞，預埋件及連接基本完好，符合“強連接，弱墻肢”的設計準則;雖然4 mm厚鋼板輕微屈服，但未對試件受力性能造成明顯影響，考慮鋼連接件在設計時不宜過薄.

2）各試件均經歷了明顯的彈性、彈塑性及破壞3個階段，墻體破壞過程符合“砌塊—肋梁—肋柱”的破壞順序，破壞模式均為剪切破壞. 各試件承載力、剛度、延性等抗震指標均滿足規范要求，極限位移角均在1/37～1/25之間，位移延性系數均大于3.9，具有較好的變形性能.

3）隨鋼連接件厚度的增加，試件的承載力和剛度提升，但對模型滑移段出現的早晚無明顯影響;高強螺栓規格越小試件越早出現滑移，但對試件承載力、剛度影響較小，軸壓比越大極限承載力越高，且軸壓比越小，模型滑移越早.

4）加載過程中墻體與鋼連接件之間發生相對滑移現象，滑移量隨試件頂點側移增加而增長，受拉端鋼連接件與鋼連接件的豎向正應變基本保持一致，且滑移主要集中在試件的屈服點和峰值點之間.

5）墻體最大頂部水平位移為53.2 mm，除墻板自身變形外主要是螺栓孔間隙和墻板相對底梁的水平滑移造成的，可采取剛性材料填孔，并采取增大混凝土接觸面摩擦力的措施，以提高試件的剛度.

6）各試件頂部均經歷了較大的水平側移，結合試驗現象可以得出墻板的頂部側移是由三部分組成的，包括：墻板底部剛體位移產生的頂部側移、墻板自身彎曲變形和剪切變形產生的頂部側移、受拉端墻板底部被拉起時產生的頂部側移.

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