全螺栓連接混凝土剪力墻施工技術(shù)的應(yīng)用

張樹海（山西國(guó)峰煤電有限責(zé)任公司，山西 汾陽 032200）

混凝土剪力墻是建筑中最常用的結(jié)構(gòu)類型之一，特別是在地震多發(fā)地區(qū)[1]，混凝土剪力墻具有足夠的抗側(cè)向剛度[2]。李錫洲等[3]對(duì)循環(huán)荷載下的再生混凝土墻體試樣進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，軸向荷載的增加導(dǎo)致鋼筋混凝土剪力墻具有較高的峰值載荷，且存在較低的極限漂移能力；潘晨等[4]研究了低矮超高性能纖維增強(qiáng)混凝土剪力墻抗震行為，研究表明，鋼纖維的存在增強(qiáng)了剪力墻的強(qiáng)度、約束性和裂縫寬度控制能力；李力怡[5]等研究了多預(yù)埋鋼型材復(fù)合剪力墻，研究發(fā)現(xiàn)，在混凝土剪力墻中使用多埋鋼是提高結(jié)構(gòu)延性的有效方法。但上述研究方法所研究的混凝土剪力墻仍具有較低的抗震性能，無法滿足高烈度地震區(qū)的應(yīng)用[6]。而全螺栓連接混凝土剪力墻目前主要應(yīng)用在裝配式混凝土中，較少應(yīng)用在混凝土剪力墻中。

因此，本文進(jìn)一步研究全螺栓在混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，進(jìn)一步將全螺栓連接構(gòu)件擴(kuò)展到剪力墻結(jié)構(gòu)。

1 全螺栓混凝土剪力墻試樣設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中使用的材料包括再生混凝土、箍筋用HPB300鋼筋、縱向鋼筋用HRB335鋼筋、全螺栓連接用Q235鋼材[7]。

再生混凝土抗壓強(qiáng)度為30MPa，再生粗骨料替代率為100%。骨料尺寸范圍為5mm～20mm，所用細(xì)骨料為普通河砂，所用水泥為普通硅酸鹽水泥P·O 42.5，所用外加劑為聚羧酸高效減水劑。骨料的主要物理特性見表1，配合比見表2，該配合比是根據(jù)骨料的性質(zhì)和工程實(shí)際情況設(shè)計(jì)的，強(qiáng)度滿足C30混凝土的要求[8]。根據(jù)試件試驗(yàn)，HPB300鋼筋的彈性模量為2.09×105MPa，屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為505MPa 和630MPa；HPB335 鋼筋的彈性模量為2.13×105MPa，屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為543.3MPa和669.1MPa；Q235鋼的彈性模量為2.0×105MPa，屈服強(qiáng)度為235MPa。

表1 再生骨料材料特性

表2 再生混凝土配合比

1.2 全螺栓連接設(shè)計(jì)

本研究提出采用全螺栓端板連接制作再生混凝土剪力墻，雖然已經(jīng)對(duì)螺栓端板進(jìn)行了大量測(cè)試，但很少有研究將其視為全復(fù)合連接。試樣包括一個(gè)可拆卸的混凝土剪力墻和預(yù)埋端板。可拆卸混凝土墻由縱向鋼筋、橫向箍筋和混凝土組成，端板預(yù)埋在墻內(nèi)。混凝土墻的縱向鋼筋焊接在預(yù)埋工字鋼的翼緣板上。此外，端板上還焊接了一系列剪力螺栓，以確保結(jié)構(gòu)的錨固和抗剪能力。墻端預(yù)埋的端板不僅為全螺栓拆卸提供了足夠的空間，還為剪力墻提供了較高的平面內(nèi)和平面外承載力，符合設(shè)計(jì)原則。端板上的超大孔洞考慮到了全螺栓連接的拆卸和重建公差。在施工過程中，一旦完成上墻和下墻的對(duì)齊，就可以安裝螺栓，并以適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)扭矩將其擰緊在兩個(gè)端板上[9]。然后，在全螺栓連接處涂上適當(dāng)?shù)姆阑鸷头栏g涂層。需要拆除時(shí)，可松開螺栓，進(jìn)行反向施工。

1.3 試件設(shè)計(jì)

本文共設(shè)計(jì)四種全螺栓連接的再生混凝土剪力墻，分別為低矮剪力墻（LW）、全螺栓低矮剪力墻（DLW）、細(xì)長(zhǎng)高剪力墻（HW）和全螺栓細(xì)長(zhǎng)高剪力墻（DHW）。主要參數(shù)為長(zhǎng)寬比和裝配方式，如表3所示。

表3 試件設(shè)計(jì)

長(zhǎng)寬比為3的細(xì)長(zhǎng)墻的抗彎能力小于抗剪能力，而長(zhǎng)寬比為1.25 的低矮剪力墻的抗剪能力小于抗彎能力。此外，還制作了兩個(gè)全螺栓連接的現(xiàn)澆試件，以比較在相同長(zhǎng)寬比條件下現(xiàn)澆試件和全螺栓連接試件的力學(xué)性能。

剪力墻截面為工字形截面，兩端設(shè)置了端柱。截面總寬度為800mm，端柱寬度為100mm，墻體厚度為130mm，端柱厚度為200mm。端柱的縱向配筋率為2.45%，箍筋體積率為0.89%，混凝土墻的配筋率為0.47%，符合現(xiàn)行混凝土剪力墻規(guī)范的要求[10]。

1.4 測(cè)試方法

本研究軸壓比設(shè)置為0.2，據(jù)此在剪力墻頂部施加692.8kN的恒定垂直荷載，并通過專門設(shè)計(jì)的裝置將荷載傳遞到試件上，該裝置與高強(qiáng)度鋼制成的垂直千斤頂相匹配，試驗(yàn)采用了潤(rùn)滑劑以減少摩擦，試驗(yàn)期間垂直千斤頂可隨墻壁在水平方向自由移動(dòng)。同時(shí)，水平滾柱支架用于連接垂直千斤頂和墻壁，確保加載方向始終與墻面垂直。采用法向荷載-位移雙控制加載系統(tǒng)來獲得剪力墻的抗震性能。然后使用高液壓推桿提供側(cè)向荷載，荷載通過一個(gè)定制的荷載傳遞支架施加到試件上。該支架由兩塊厚鋼板和六根直徑為32mm的鋼筋組成。全螺栓連接試樣的拆卸性通過試驗(yàn)校準(zhǔn)。首先，在3mm 和5mm 位移加載循環(huán)中，通過拆卸螺栓的方法探討了不同數(shù)量螺栓對(duì)剪力墻剛度的影響。在3mm 位移荷載循環(huán)中，分別測(cè)試拆卸2 個(gè)螺栓和4個(gè)螺栓的情況；在5mm位移荷載循環(huán)中，分別測(cè)試拆卸2個(gè)螺栓、4個(gè)螺栓和6個(gè)螺栓的情況。

2 結(jié)果分析

2.1 骨架曲線

以峰值荷載和相應(yīng)位移為標(biāo)準(zhǔn)獲得無量綱荷載-位移曲線，即標(biāo)準(zhǔn)化骨架曲線，如圖1 所示。由圖可以看出，DHW 和HW 試樣的標(biāo)準(zhǔn)化骨架曲線基本重合。在達(dá)到峰值荷載后，承載力緩緩下降，這表明試樣具有良好的延性。試樣LW和DLW的標(biāo)準(zhǔn)化骨架曲線則截然不同。DLW 試樣的最大承載力明顯小于LW 試樣，峰值載荷對(duì)應(yīng)的位移也小于LW 試樣。同時(shí)，DLW 試樣的剛度也小于LW試樣。DLW的承載力在達(dá)到峰值荷載后有急劇下降的趨勢(shì)。因此，DLW 試件的抗震性能略低于LW試件。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)化骨架曲線

表4 為各試樣不同階段的荷載和相應(yīng)位移。由表4 可以看出，DHW 的屈服位移最大（18.61mm），HW、LW、DLW 的屈服位移分別下降12.09%、76.30%、72.65%。此外，LW試樣在地震過程中達(dá)到峰值載荷后荷載下降較快。由于DLW 試件采用全螺栓連接，中間部分約占總體積20%的混凝土被端板取代，這部分剛度遠(yuǎn)小于實(shí)心混凝土的剛度，導(dǎo)致DLW 試樣在初始階段的剛度相對(duì)較小。LW 試件最大峰值載荷為453.5kN，而DHW 的最大峰值載荷僅為217.6kN。而當(dāng)達(dá)到峰值荷載時(shí)，試件DLW 邊緣的混凝土損壞，縱向鋼筋與端板之間的焊接失效。在水平荷載作用下，試樣發(fā)生了較大變形，而荷載主要由底部鋼筋承受。因此，DHW和HW試樣的力學(xué)性能相似，但HW的抗震性能優(yōu)于DHW，而DLW 試樣的剛度和延性略低于其他試樣。

表4 荷載-位移曲線特性

2.2 能量消耗

圖2 為墻體各荷載等級(jí)的能耗與相應(yīng)漂移比之間的關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn)，DHW和HW試樣的能耗-漂移比曲線基本相同，表明這兩種試樣的能耗性能非常接近。同時(shí)，兩個(gè)試樣的能耗隨漂移比的增加呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)試樣漂移比達(dá)到1.4%時(shí)，曲線的斜率突然發(fā)生變化并大幅增加，這個(gè)突變點(diǎn)與剪力墻的屈服點(diǎn)基本一致。說明鋼筋屈服后，這兩個(gè)剪力墻的能耗急劇增加。當(dāng)漂移比為2.5%時(shí)，HW、DHW、LW、DLW 的最大能量耗散分別為20kJ、17kJ、13kJ、9kJ。而DLW 和LW試件的能耗曲線有一定的變化，DLW 與LW 試樣在漂移比0.8%后，LW 能耗變化幅度較大，直至能耗達(dá)到13kJ。LW 試件的曲線為兩折線，與細(xì)長(zhǎng)墻的曲線相似。鋼筋屈服后，墻體的能耗急劇增加。然而，DLW的能耗曲線基本呈線性，沒有明顯的突變，表明屈服后墻體的能耗沒有顯著增加，這主要是由于DLW 試樣中的全螺栓連接損壞所致。在試驗(yàn)過程中，該墻體上部的變形在屈服后呈現(xiàn)平移特征，整個(gè)墻體的能耗沒有明顯改善。

圖2 能量消耗變化

2.3 施工建議

在全螺栓連接混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)施工過程中，應(yīng)注意板柱翻筋保護(hù)層的厚度，一般為15mm和25mm，可采用同等強(qiáng)度的混凝土墊塊，合理布置，并在中間部位設(shè)置捆線，保證墊塊能均勻分布在鋼筋表面。為保證墻與梁的交接部位完全閉合，采用網(wǎng)篩對(duì)其進(jìn)行表面處理，并留下20mm～45mm 的岔口，為螺栓支護(hù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。采用夾具對(duì)鋼筋的間距進(jìn)行合理的控制。當(dāng)建筑環(huán)境許可時(shí)，應(yīng)采用角鐵制造夾具，并確保邊緣尺寸等級(jí)、圓柱接口尺寸、內(nèi)部邊緣尺寸等與保護(hù)層的厚度一致。

為了提高全螺栓連接混凝土剪力墻的工程質(zhì)量，必須對(duì)施工過程中的質(zhì)量進(jìn)行控制，特別是對(duì)施工工藝的控制。在以往的建設(shè)項(xiàng)目中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生開裂和坍塌等質(zhì)量問題，為了避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，必須掌握好施工的關(guān)鍵，充分利用其在施工中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此，在施工前，要對(duì)施工人員進(jìn)行全螺栓連接混凝土剪力墻施工技術(shù)知識(shí)的培訓(xùn)，明白施工要點(diǎn)和施工中需要注意的問題，按照流程和計(jì)劃把各個(gè)階段的施工做好，達(dá)到正確運(yùn)用施工技術(shù)的目的。

3 結(jié)語

當(dāng)漂移比為2.5%時(shí)，HW、DHW、LW、DLW 的最大能量耗散分別為20kJ、17kJ、13kJ、9kJ。所提出的全螺栓連接對(duì)大長(zhǎng)徑比剪力墻的承載力和傳遞方式影響有限，而長(zhǎng)徑比則顯著改變了小長(zhǎng)徑剪力墻的抗剪能力。對(duì)于長(zhǎng)寬比較大的剪力墻，墻體仍以彎曲為主。然而，對(duì)于長(zhǎng)徑比較小的剪力墻，由于全螺栓連接實(shí)際上改變了重復(fù)使用試件的長(zhǎng)寬比，因此，剛度和延展性略低于其他試件，且HW 試件抗震性能優(yōu)于DHW、LW、DLW。