填充墻對裝配式剪力墻結構抗震性能的影響研究

遇春超 （龍口市城鄉建設投資發展有限公司，山東 龍口 265716）

相對于傳統的現澆混凝土結構，裝配式結構具備安裝方便、資源保護和綠色施工等優勢，已逐漸在建筑中得到廣泛應用。剪力墻在高層建筑中得到了越來越多的使用，其中聯肢剪力墻是目前最常用的裝配剪力墻結構形式[1]。由于填充墻是一種非結構性墻體，在設計階段，僅根據墻體自身重量，采用周期性折減法來反映墻體對抗震性能的增強效應，而未考慮墻體對結構剛度的影響，導致墻體的層間變位及總體變形較大。如果填充墻設置不合理，則易產生短柱或薄弱層，或導致結構產生扭曲[2]。

本文基于3 組不同類型的擬靜力試驗對裝配式剪力墻結構的抗震性能進行了研究，并分析了采用不同連接方式的填充墻對結構抗震性能的反應機理。

1 試驗概況

1.1 試件制作

試驗試件分別含有填充墻（SW-F/R）和不含填充墻（SW-N）兩種，其中，含有填充墻的試件分為柔性連接（SW-F）和剛性連接（SW-R）。試件的組成部分主要有填充墻、剪力墻和梁，并使用套筒將梁和墻結合在一起。柔性連接采用彈性節點方式，在填充墻和剪力墻間預留50mm 縫隙，采用擠塑板進行填充，將填充墻中的縱向鋼筋錨固在梁上，錨固長度為210mm；剛性連接采用嵌巖錨固的方式，將填充墻兩端的鋼筋錨固剪力墻上，錨固長度為210mm，錨固間隔為500mm；SW-F、SW-R 試件的底面與梁沒有接頭，并留有50mm 的縫隙。

1.2 加載試驗

首先，采用2 臺2000kN 的液壓千斤頂對其進行垂直加載，再利用布置在墻頂上的剛度分布梁將其荷載平均分布在剪力墻上，并分三次依次進行軸向加載，同時在實驗期間維持荷載不變，軸壓比為0.3。試驗采用2500kN 液壓隨動式MTS 加載方式對其進行橫向往復加載，并在反力梁和千斤頂間布置小滑車，以確保其與被測對象的運動一致。基于相關規范要求，試驗使用荷載-變形雙重控制法。在試件未屈服之前，通過壓力控制分段加載，每個階段一個周期，各階段荷載相差100kN；待試件接近屈服后，荷載差值降低至50kN；在試件屈服后，使用變形控制加載法，將最大變形量的倍增量作為增加幅度，每個階段三個周期。在極限承載能力降低到85%或有顯著破壞時，測試終止[3]。

1.3 裂縫分布情況及破壞形態

在荷載作用下，三組試件的第一道裂紋都發生在梁的左端位置，并在剪力墻左端墻肢交叉處斜向向上擴展。試驗結果表明：SW-N試件的開裂從連梁的端部開始，然后逐漸向墻底延伸；連梁和剪力墻上產生的第一道裂紋均為彎曲豎向和水平裂縫。在此過程中，由于荷載逐漸變大，連梁的豎向和橫向裂縫均呈現傾斜的趨勢，最終產生了彎剪斜裂縫；在連梁及連梁與墻之間的節點位置，其開裂發展速度要大于墻底。當加載到極限時，由于連梁端部已經出現塑性鉸區，其彎矩傳遞逐漸減弱，連梁的承載力也隨之減小，最終達到了極限狀態。SW-N 試件最終呈現在連梁處發生剪切破壞和墻肢區域的彎剪破壞形式。

針對SW-F 試件，在填充墻與剪力墻間預留50mm長的縫隙，采用擠塑板進行填充，削弱了其對剪力墻的限制效應。在受荷時，墻體內的裂紋擴展形態與SW-N試件基本相同，表現為墻體端部的剪切破壞及墻肢區域的彎剪破壞。然而，填充墻會與主要建筑構成一體，在受荷時，填充墻、連梁和剪力墻交叉部分的墻肢區域裂縫較SW-N 試件要多，但其墻肢整體開裂相對較少，填充墻自身僅在上部與連梁相接處有少量開裂。

針對SW-R試件，由于剛性連接是將填充墻兩端的鋼筋錨固在剪力墻上，所以其與主體結構形成了一個整體。在荷載作用下，墻體下部出現了彎剪破壞，同時，出現了梁末端與墻體的剪切破壞。相較于SW-N和SW-F 試件，SW-R 試件表面的裂紋情況明顯要好于SW-N和SW-F試件。此外，構件組成部分的相交位置的裂紋要多于SW-F試件。填充墻上產生了斜裂縫，呈對角狀，兩側與剪力墻連接區域產生裂縫并導致了相對位移，其破壞程度大于SW-F試件。

2 結果分析

2.1 滯回曲線

由試驗結果可知，三個試件在加載前期均為彈性階段，這時的滯回線近似為梭型，且圍成的面積很少；在試件逐漸出現裂縫后，剛度逐漸減小，但滯回曲線圍成的面積變大；在構件逐漸屈服時，滯回曲線隨著縱筋間的粘結滑移而發生明顯的“搓拉”效應，表現為“弓狀”，且滯回曲線圍成的面積不斷擴大，耗能能力也逐漸增加；當到達極限承載力時，其滯回捏縮效果更為顯著，滯回曲線從“弓型”變為“S”型，其承載力和能量消耗性能均有所降低[4]。

2.2 骨架曲線

從圖1可以看出，SW-F試件與SW-N試件相比，其初始剛度基本相同，但其最大承載能力要高于SW-N試件；SW-R試樣比SW-F、SW-N試樣具有更高的初始剛度和最大承載力。由此說明，填充墻的加入使結構的最大承載力得到提高，在使用剛接節點時，填充墻對其初始剛度有明顯的影響，因此，在抗震性能分析時，應該充分考慮這種效應。

圖1 骨架曲線

2.3 剛度分析

由圖2 可以看出，在載荷開始階段，SW-R 試件的初始剛度較SW-N 試件提高了175%，SW-R 試件的初始剛度較SW-N試件提高了20%，這表明填充墻的存在提高了結構的剛度；剛性連接對初始剛度有明顯的影響，而柔性連接雖能改善初始剛度，但提升幅度不大。SW-R試件具有最大的初始剛度，但其剛度衰減速率很大，且在其屈服后，其剛度與SW-N、SW-F 型試件趨于一致。

圖2 剛度曲線

在載荷前期階段，SW-F試件的填充墻和剪力墻處于分離狀態，所以其初始剛度與SW-N試驗結果相近；SW-R試件的填充墻與剪力墻的兩個側面相連，在受荷早期即開始工作，所以其初始剛度要比SW-N、SW-F試件大；在荷載作用的末期，填充墻逐漸出現裂紋，同時，墻與墻之間出現相對位移及裂紋，此時，填充墻慢慢脫離整體工作狀態，進而導致其與其他兩個試件的剛度曲線逐漸趨于一致。

從表1 可以看出，當連接方式為柔性時，填充墻對于結構的剛度影響較小，試驗結果幾乎相同；當連接方式為剛性時，填充墻的加入使結構剛度增大1.55倍，相應的周期折減因子在0.8 左右。填充墻屬于一種不承重的墻體，一般都是局部設置的，在使用柔性連接時，可以參照砌體墻體的周期折減因子選取0.9～1之間；對于柔性連接，其周期折減因子取值范圍在0.8～1。因此，建議在填充墻與主體結構的連接形式有差異的情況下，對墻體進行周期性折減時，要考慮填充墻具體布置形式及數量[5]。

表1 試件剛度結果表

2.4 耗能性能

耗能性能指的是試件在荷載作用中每一次循環產生的滯回曲線圍成的面積，是評估抗震性能的一個關鍵參數。從計算結果可以看出，由于填充墻的加入，使得結構的耗能性能得到改善；在初始階段，SW-R 試件的耗能性能比SW-F 試件稍大，但當載荷逐漸變大時，其耗能性能逐步提高，在其處于屈服階段時，SW-F 試件的耗能性能逐步大于SW-R試件。總體而言，柔性連接比對應的剛性連接具有更大的耗能性能，這是因為柔性連接采用在墻體上預留縫隙、填充彈性填料等措施，使其具有良好耗能性能。

2.5 位移和延性

延性是反映構件發生塑性變形的程度，是評估結構抗震性能的一個關鍵參數，其概念是構件在極限狀態下的水平位移。根據試驗結果可知：

（1）填充墻增大了裝配式剪力墻的承載能力。與SW-N 試件比較，SW-F 試件的最大承載力增加了7.9%，SW-R 試件的最大承載力增加了36.53%。剛性連接比柔性連接對構件最大承載力的作用更大。

（2）SW-F試件的正向開裂荷載及裂縫變形與SWN試件相似，但其反向開裂荷載較SW-N試件大；SW-R試件裂紋數量少于SW-N 試件，但其開裂荷載要大于SW-N 試件；當荷載逐漸變大的時候，SW-F 試件比SW-N 試件的屈服荷載提高了15.8%，SW-F 試件比SW-N 試件的屈服荷載提高了37.92%。在加載前期，當連接方式為柔性時，墻體之間的填充物沒有受到壓縮，因此，填充墻不會對結構產生太大的影響；當連接方式為剛性時，填充墻與結構形成一體，從而提高了結構的剛度和承載能力。

（3）填充墻會對剪力墻的延性產生一定的作用。試驗結果表明，SW-F試件較SW-N試件在不同方向的延性系數降低了2.9%；SW-R試件較SW-N試件在不同方向的延性系數降低了12.5%。當連接方式為柔性時，填充墻被等效為梁，進而使梁的高度變大，導致梁塑性能力降低；當連接方式為剛性時，填充墻對結構的變形有很大的約束作用，同時對結構的延性也有很大的作用。

3 結語

（1）填充墻可以改變建筑物的損傷模式，減少建筑物的損害程度。當連接方式為柔性時，其破壞狀態與不含填充墻的情況基本一致，均為梁的剪切破壞及墻的彎剪破壞，但因為加入了填充墻，梁的破壞情況有所改善；當連接方式為剛性時，剪切破壞是梁和墻最大的破壞形式，但在實際工程中，填充墻則與剪力墻組成為整體結構，既可以提高其承載能力，又可以減少連梁和剪力墻的破壞。

（2）填充墻對剪力墻的受力性能和抗側剛度均有明顯的提高。當連接方式為柔性時，其承載力較不含填充墻的試件增加了7.9%；當連接方式為剛性時，其承載力較不含填充墻的試件增加了36.53%；其初始剛度分別增加了20%和175%。

（3）當剪力墻結構無填充墻時，其耗能性能明顯降低。填充墻能夠消耗地震產生的能量，進而增加剪力墻的抗震性能；此外，針對耗能性能而言，柔性連接要優于剛性連接。

（4）由于填充墻的存在，剪力墻延性系數會出現一定程度的下降。不管連接方式為柔性還是剛性，均會對構件水平位移的發展有一定的限制作用，進而對其延性產生一定的影響；比較而言，柔性連接作用不明顯，而剛度連接的影響要大得多。