不同軸壓比下榫卯接縫裝配整體式剪力墻受彎性能試驗研究

劉繼良，王寶民，初明進，王 博,4，張鵬飛，安 寧，李祥賓

(1. 大連理工大學土木工程學院，大連 116024；2. 北京建筑大學未來城市設計高精尖創新中心，北京 100044；3. 煙臺大學土木工程學院，煙臺 264005；4. 山東艾科福建筑科技有限公司，煙臺 264005)

剪力墻結構的主要破壞形態有彎曲破壞、彎剪破壞、剪切破壞、剪切滑移破壞、平面外失穩破壞等[1]，其中彎曲破壞是延性破壞，為抗震設計的目標破壞形態。章紅梅等[2]研究結果表明，隨著軸壓比的提高，墻體受彎承載力提高，但根部混凝土壓潰區域增加，變形能力減弱。張云峰、李宏男等[3-4]研究結果表明，剪力墻發生彎曲破壞時具有較好的延性，但峰值荷載后根部混凝土壓潰區域突然增加，墻體喪失承載力。

裝配式剪力墻結構作為建筑工業化的重要結構形式，得到廣泛應用[5-8]。劉繼良等[9]對空心模剪力墻受力性能的研究表明，提高軸壓比墻體的受彎承載力提高，根部混凝土壓潰區域有所增加，耗能能力減弱；朱張峰等[10]對混合裝配式剪力墻進行了試驗研究，結果表明，隨著軸壓比的提高，墻體裂縫分布更加密集，峰值荷載時承載力突然喪失，滯回曲線無下降段；張錫治等[11]研究了復合齒槽U 型鋼筋搭接連接裝配式剪力墻的抗震性能，表明隨著軸壓比的提高，墻體斜裂縫數量增多，根部混凝土剝落面積增大。綜上，軸壓比對墻體受力性能影響顯著，軸壓比較大時，易于造成墻體在峰值荷載時根部混凝土壓潰區域突然增大，承載力喪失。

榫卯接縫裝配整體式剪力墻結構(以下簡稱榫卯剪力墻)是一種新型裝配整體式剪力墻[12]，其以榫卯板為基本裝配單元，榫卯板側邊設置榫卯構造，通過在榫卯構造的橫向凹槽內設置連接鋼筋，然后沿縱向孔洞穿插縱向鋼筋，后澆筑混凝土實現不同裝配單元的連接。軸壓比對榫卯剪力墻受力性能的影響尚未開展研究。為明晰軸壓比對榫卯剪力墻受力性能的影響，設計了4 個不同軸壓比的榫卯剪力墻試件，進行恒定軸力作用下的擬靜力試驗，得到不同軸向荷載下墻體的破壞形態；研究軸壓比對滯回性能、承載力、變形能力以及連接接縫受力性能的影響，以期為后期工程應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設計

設計了4 個現澆邊緣構件的榫卯剪力墻試件，分別為試件PSW2、PSW3、PSW4 和PSW5；截面尺寸及配筋狀況如圖1 所示。試件由上部加載梁、中部墻體和下部地梁3 部分組成，其中上部加載梁截面尺寸為290 mm×300 mm；下部地梁截面尺寸為550 mm×600 mm。中部墻體截面為矩形，尺寸為200 mm×1400 mm，包括中間榫卯板和兩側現澆邊緣構件，其中現澆邊緣構件長度為400 mm。墻體高度為2800 mm，剪跨比為2.0。

圖1 試件幾何尺寸及配筋圖Fig. 1 Dimension and reinforcement layout of specimens

榫卯板尺寸及配筋狀況如圖2 所示。墻板外緣截面尺寸為840 mm×2630 mm，縱向側邊為榫卯構造，由間隔設置的橫向凹槽及靠近墻板側邊的縱向孔洞組成。根據接縫鋼筋構造要求，方便預制構件制作和安裝，橫向凹槽間距為400 mm，從板面方向看為直角梯形，凹槽深度120 mm，外側邊長200 mm，內側邊長168 mm；墻板靠近縱向側邊設置100 mm×120 mm 矩形縱向孔洞，孔洞內側邊與橫向凹槽底面在同一豎向截面內。墻板中線設置直徑100 mm 縱向圓形孔洞，用于布置豎向插筋。墻板下部設置70 mm×120 mm通長水平凹槽。

圖2 預制墻板截面尺寸及配筋圖Fig. 2 Dimension and reinforcement layout of precast concrete slabs

試件按照強剪弱彎的原則設計，邊緣構件縱向鋼筋為6 14，其中2 根設置于預制墻板縱向孔洞內；橫向凹槽內設置2 8 箍筋與縱向鋼筋綁扎在一起。墻體水平分布鋼筋和豎向分布鋼筋配置于預制墻板內，分別為 8@170/230 和 8@200，豎向分布鋼筋在墻板上端伸出長度280 mm，伸入加載梁內。

試件的變化參數為軸壓比，試件PSW2、PSW3、PSW4、PSW5 的試驗軸壓比分別為0.10、0.15、0.25、0.30，對應的設計軸壓比分別為0.18、0.27、0.45、0.54[13]，相應的軸向荷載分別為701 kN、1057 kN、1692 kN 和1814 kN。

1.2 材料強度

1.2.1 鋼筋

鋼筋實測屈服強度平均值fy、抗拉強度平均值fu及斷后伸長率δ，如表1 所示。

表1 鋼筋基本力學性能Table 1 Tested strength of reinforcements

1.2.2 混凝土

榫卯板和后澆混凝土的強度設計等級均為C30。制作試件時預留150 mm×150 mm×150 mm 的標準立方體試塊，試驗當天測得其抗壓強度，如表2所示。

表2 混凝土基本力學性能Table 2 Test compressive strength of concrete

1.3 加載和測量方案

1.3.1 加載裝置和加載制度

試驗為恒定軸力作用下的擬靜力試驗，軸向荷載和水平荷載分別通過3000 kN 和1500 kN 千斤頂施加。試驗時，首先施加50%的軸向荷載進行預壓，5 min 后卸載至0，然后施加100%的軸向荷載，在試驗中保持穩定。

水平荷載采用荷載-位移混合控制，初始階段采用荷載控制，加載級差為150 kN，每一控制荷載循環1 次；待最外側邊緣構件縱向鋼筋達到受拉屈服應變后，采用該級荷載對應的位移為屈服位移，進行位移控制加載，以屈服位移的整數倍為控制位移，每一控制位移循環2 次，直至加載結束。

1.3.2 測量方案

試件的位移和應變測點布置如圖3 所示。位移計測點MD1 設置于加載梁高度中間位置，用于測量墻體加載點水平位移；測點HD3～HD6 處布置水平張開相對變形測量裝置，其中測點HD3、HD4 分別設置于墻體東、西兩側距墻底500 mm高度位置處的橫向凹槽底部，用于測量橫向凹槽底部新舊混凝土結合面的水平張開相對變形；測點HD5～HD6 分別設置于墻體東、西兩側距墻底300 mm 高度位置處的橫向凸起端部，用于測量橫向凸起端部新舊混凝土結合面的水平張開相對變形。

圖3 位移和應變測點布置圖Fig. 3 Layout of measurement points of specimens

布置了11 個電阻應變片用于測量不同位置處鋼筋應變，其中測點ES1、ES2 和測點WS1、WS2 分別測量東、西兩側邊緣構件縱向鋼筋應變；測點EV1、WV1 測量豎向分布鋼筋應變；測點MS1 測量豎向插筋應變；測點EH2、WH2 測量水平分布鋼筋端部應變；測點EH02、WH02 測量箍筋應變。測點ES1、ES2、EV1、MS1、WV1、WS1、WS1 在同一橫截面內，距墻底高度200 mm，用于研究不同狀態下，同一截面高度位置處的應變分布情況；測點EH2、EH02 以及WH2、WH02分別在相同豎向平面內，用于研究水平鋼筋的應變傳遞狀況。

試驗數據采用靜態應變采集系統DH3816N 采集，通過計算機實時記錄。

2 試件破壞過程和破壞狀態

試件發生彎曲破壞，峰值荷載時邊緣構件縱向鋼筋受拉屈服；破壞時根部混凝土輕微剝落，未出現較大面積的根部混凝土壓潰現象。隨著軸壓比的提高，墻體根部混凝土受壓破壞區域沒有增加。

2.1 試件PSW3

試件PSW3 的試驗軸壓比為0.15，軸向荷載為1057 kN。試件破壞過程見圖4。

圖4 試件PSW3 裂縫開展狀況及墻體破壞過程Fig. 4 Crack development and failure process of specimen PSW3

水平荷載達到2+295 kN、3-308 kN(試驗先推后拉，“推”為“+”；“拉”為“-”；“2”表示循環)時，墻體兩側根部出現細微水平裂縫；水平荷載3-298 kN、3+315 kN 時，兩側邊緣構件出現水平裂縫；水平荷載4-440 kN、4+486 kN，位移角1/373、1/354 時，橫向凹槽底部新舊混凝土結合面開裂；水平荷載4-475 kN、4+433 kN 時，邊緣構件水平裂縫延伸形成斜裂縫；水平荷載達到4+496 kN、4-485 kN 時，墻體兩側榫卯接縫多處橫向凸起根部位置出現短細斜裂縫；水平荷載4-516 kN、4+486 kN 時，榫卯板中間豎向孔洞位置出現兩方向相交的短細斜裂縫；水平荷載達到4-524 kN、4+542 kN 時，位移角1/217、1/262，最外側邊緣構件縱向鋼筋受拉屈服。邊緣縱筋屈服前，榫卯剪力墻表現出與鋼筋混凝土剪力墻相似的裂縫開展特征[11]。

位移角達到1/115 時，榫卯接縫所有橫向凸起根部均出現短細斜裂縫，橫向凹槽底部新舊混凝土結合面開裂，但裂縫上下并未連通，墻體出現沿橫向凹槽底部截面的宏觀豎向裂縫，此時墻體根部混凝土出現細微豎向裂縫。位移角達到1/77 時，橫向凸起根部和橫向凹槽底部裂縫開展位置開始出現起皮、掉渣現象，此時水平荷載達到峰值荷載5-567 kN、5+635 kN，根部水平裂縫寬度約為2.25 mm，墻體兩側根部出現多條豎向裂縫。

峰值荷載后，橫向凸起根部和橫向凹槽底部混凝土剝落現象逐漸增多，加載點水平位移角達到1/58 時，混凝土剝落區域基本連通，形成沿橫向凹槽底部截面的豎向裂縫，墻體兩側混凝土輕微剝落，水平荷載下降至峰值荷載的85%左右；隨著墻體變形繼續增加，沿宏觀豎向裂縫的混凝土剝落區域逐漸增大；位移角達到1/46 時，邊緣構件根部縱向鋼筋壓曲，保護層混凝土剝落，水平荷載下降至峰值荷載的73%，試驗結束。

2.2 軸壓比變化試件

圖5 為各試件在峰值荷載、破壞狀態時裂縫開展狀況。試件PSW2、PSW4、PSW5 的破壞過程與試件PSW3 基本相似，均出現了根部水平裂縫、邊緣構件水平裂縫、斜裂縫、橫向凹槽底部豎向裂縫以及橫向凸起根部斜裂縫等典型裂縫，但在裂縫出現荷載、裂縫出現順序、局部破壞特征等方面差異性顯著。

圖5 各試件不同狀態時裂縫開展狀況Fig. 5 Crack development of specimens in different states

1)裂縫出現荷載：隨著軸壓比的提高，邊緣構件水平裂縫、斜裂縫、橫向凹槽底部豎向裂縫以及橫向凸起根部斜裂縫的出現荷載顯著提高。

2)裂縫出現順序：各試件橫向凸起根部短細斜裂縫均不早于橫向凹槽底部豎向裂縫出現，且隨著軸壓比的提高，兩種裂縫出現間隔逐漸縮短。

3)局部破壞特征：隨著軸壓比的提高，橫向凸起根部短細斜裂縫與水平軸夾角逐漸減小；當位移角為1/100 左右時，橫向凸起根部斜裂縫與橫向凹槽底部豎向裂縫形成宏觀豎向裂縫，且局部混凝土出現起皮、掉渣現象；隨后橫向凸起根部預制混凝土剝落；提高軸壓比使預制混凝土的剝落現象加重，剝落區域加大(如圖6 所示)，較早形成豎向裂縫。

圖6 榫卯接縫位置混凝土剝落對比(θ=1/100)Fig. 6 Comparison of concrete spalling at mortise-tenon joints (θ=1/100)

4)根部混凝土壓潰：豎向裂縫的形成減弱了根部混凝土壓潰區域，增強了墻體的變形能力；隨著軸壓比的提高，根部混凝土壓潰區域沒有擴大，且沒有出現由于混凝土壓潰導致墻體承載力喪失的現象，即使試驗軸壓比達到0.30，墻體依然具有良好的變形能力。軸壓力對榫卯剪力墻與鋼筋混凝土剪力墻呈現不同的影響規律[2]。

3 試驗結果分析

3.1 水平荷載-位移關系曲線

圖7、圖8 分別為水平荷載-水平位移滯回曲線和骨架曲線。通過曲線對比可以看出：

圖7 各試件水平荷載-水平位移滯回曲線Fig. 7 Top lateral force-horizontal displacement hysteretic curves of specimens

圖8 各試件水平荷載-水平位移骨架曲線Fig. 8 Skeleton curve of horizontal load-horizontal displacement

1)滯回曲線較為飽滿，墻體表現出良好的耗能能力；與鋼筋混凝土剪力墻不同[2]，榫卯剪力墻的水平荷載-水平位移骨架曲線具有明顯下降段。

2)軸壓比對滯回曲線和骨架曲線影響顯著，隨著軸壓比的提高，受彎承載力逐漸提高，峰值荷載前剛度顯著增加，但峰值荷載后承載力下降加快。

3)試件PSW4、PSW5 的滯回曲線和骨架曲線基本重合，表明當軸壓比超過0.25 時，其對承載力、剛度和變形能力的影響有減弱跡象。

3.2 承載力及變形能力

各試件主要試驗結果詳見表3。屈服點采用能量法確定[14]；破壞點為骨架曲線上水平荷載下降至峰值荷載85%時對應的狀態點；位移延性系數μ為破壞點位移與屈服位移的比值。通過對比可以看出：

表3 各試件主要試驗結果Table 3 Test result of specimens

1)隨著軸壓比的提高，位移延性系數有所降低，但均大于6.5，延性良好[14]。

2)破壞點位移角為1/47～1/61，顯著大于《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2011)[15]規定的罕遇地震下剪力墻的彈塑性層間位移角1/120 的限值，榫卯剪力墻具有良好的變形能力。

3)與試件PSW2 相比，試件PSW3、PSW4、PSW5 的峰值荷載分別提高了19.3%、38.4%、38.9%，表明提高軸壓比可提高受彎承載力，但試驗軸壓比大于0.25 時，增幅減小。

3.3 剛度分析

圖9 為各試件剛度退化曲線，通過對比可以看出：

圖9 剛度退化曲線Fig. 9 Stiffness degradation curve

1)位移角小于1/85 時，提高軸壓比有助于提高墻體剛度，這是由于軸壓比的提高限制了裂縫開展，對提高墻體剛度產生有利作用。

2)隨著加載點位移增加，試件剛度逐漸降低，但提高軸壓比加快了剛度退化速率。

3)試件PSW4、PSW5 剛度退化曲線基本重合，表明當軸壓比達到一定限值后，提高軸壓比對墻體剛度影響不明顯。

3.4 軸壓比對榫卯接縫連接性能的影響

榫卯接縫位置處存在新舊混凝土結合面，在橫向凹槽底部和橫向凸起端部新舊混凝土結合面位置分別設置測點HD4、HD6，用于測量新舊混凝土結合面兩側墻體水平張開相對變形，測點布置詳見圖3，測量結果如圖10 所示。榫卯接縫內還設置鋼筋應變測點EH02、EH2、WH02、WH2，用于測量水平鋼筋和箍筋應變，測點布置見圖3，測量結果如圖11 所示。通過對比可以看出：

圖10 水平位移角-水平張開相對變形關系曲線Fig. 10 Relation curves of horizontal displacement anglehorizontal relative deformation

圖11 水平鋼筋應變測量結果Fig. 11 Strain of horizontal reinforcement

1)位移角為1/1000 時，測點HD4、HD6 的水平張開相對變形為0，而測點WH02、WH2 的鋼筋應變均小于100 με，在正常使用階段榫卯接縫保持整體性；位移角為1/780～1/560 時，測點HD4、HD6 處水平張開相對變形為0.10 mm，測點WH02、WH2 的鋼筋應變均小于200 με，榫卯接縫仍保持整體性。

2)峰值荷載前，測點EH02 與EH2、測點WH2與WH02 的水平鋼筋應變測量結果基本重合，表明榫卯接縫能夠有效傳遞鋼筋應力。

3)加載點位移角小于1/100 時，軸壓比對測點HD4 處水平張開相對變形無顯著影響規律；但對測點WH2 處水平鋼筋應變影響規律明顯，隨著軸壓比的提高，鋼筋應變有所增加。

4)加載點位移角大于1/100 時，隨著軸壓比的提高，測點HD4 處水平張開相對變形以及水平鋼筋應變逐漸增加，與墻體破壞現象一致。

5)與橫向凹槽底部所在豎向界面相比，橫向凸起端部新舊混凝土結合面位置處的破壞現象明顯減弱，測點HD6 處的水平張開相對變形明顯小于測點HD4，而軸壓比對這一位置處水平張開相對變形影響規律并不顯著。

6)試件PSW4 在測點HD4 處水平張開相對變形和水平鋼筋應變的測量結果與試件PSW5 基本相當，表明軸壓比達到一定值后，對榫卯接縫受力性能影響較小。

4 結論

通過對4 個不同軸壓比的榫卯剪力墻試件開展恒定軸向荷載下的擬靜力試驗，研究了軸壓比對墻體破壞形態和接縫連接性能的影響，主要結論如下：

(1)榫卯剪力墻均發生彎曲破壞，破壞時榫卯板橫向凸起根部預制混凝土剝落；墻體未發生因根部混凝土壓潰區域突然增加而喪失承載力的破壞現象。

(2)提高軸壓比可提高墻體受彎承載力和剛度，但位移延性系數有所降低，剛度退化速率有所增加；當試驗軸壓比由0.25 增至0.30 時，影響減弱。

(3)榫卯接縫整體性良好。位移角為1/1000 時，接縫處鋼筋拉應變小于100 με；位移角1/780～1/560時，榫卯接縫未見裂縫，兩側墻體水平張開相對變形小于0.10 mm，鋼筋應變均小于200 με。

(4)試驗軸壓比由0.10 提高到0.30，榫卯剪力墻根部混凝土壓潰區域并未增大，榫卯接縫處的預制混凝土剝落區域增加。

(5)位移角大于1/100 時，隨著軸壓比的提高，榫卯接縫兩側墻體水平張開相對變形逐漸增加，鋼筋應變逐漸增大，但軸壓比超過一定限值后，這一現象明顯減弱。