专家解读北京工业大学张建伟教授为您解读边缘配置高强纵筋装配式中高强再生混凝土剪力墙抗震性能

我国建筑垃圾产生量巨大，资源化率远低于发达国家，协同工程规划、设计、施工、运维、拆除和建筑垃圾收运、处置、再利用等各个环节，将减量与大量利用高度结合，根据建筑垃圾特点和适宜的利用方向，开展适合工业化生产与规模化应用的关键技术研究，形成基于全寿命周期的建筑垃圾高效利用技术体系，实现物尽其用，是推动建筑垃圾资源化利用的必然趋势。

为此，课题组依托于国家重点研发计划项目（2017YFC0703300），开展了建筑垃圾资源化全产业链高效利用关键技术研究，图1为该项目中C30再生混凝土装配式墙板、楼梯等构件制备技术研发与工程示范，图2为C45清水再生混凝土装配式看台板制备技术研发与北京冬奥速滑馆工程应用。

在建筑结构中推广应用中高强再生混凝土和高强钢材具有显著的环境友好、节能减排效果，对我国的社会、经济、环境协调发展意义重大。2019年5月开始实施JGJ/T 443—2018《再生混凝土结构技术标准》，推动再生混凝土工程应用；2018年11月开始实施的GB/T 1499.2—2018《钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》中增加了HRB600钢筋，推动用高强钢材替代目前大量使用的低中强钢材。

建筑结构的安全性、抗震能力以及震后可修复性能在业内受到广泛关注。在提高钢材与混凝土力学性能的同时，增强其协同工作性能是提高建筑结构安全性和抗震能力的关键，减小其残余变形是提高建筑结构震后可修复性能的关键。

在进行建筑结构抗震减灾设计时，应根据构件的受力特点、混凝土强度等级、抗震能力需求以及施工要求等因素，合理选择钢材的强度等级，达到优化设计、节约钢材、降低建造与震后修复成本的目的；应采取有效技术措施，减小关键竖向承重构件在水平地震作用下的残余变形和裂缝宽度，提高可恢复性能。

目前，我国关于高强钢筋混凝土构件及结构的研究成果主要集中在梁柱构件及其组成的框架结构上，剪力墙的研究成果较少，尤其缺乏高强钢筋再生混凝土剪力墙研究成果，而剪力墙是建筑结构中广泛采用的抗震构件，也是再生混凝土应用于建筑结构的适宜构件，研发具有良好抗震韧性的再生混凝土剪力墙，尤其是适用于工业化生产的高性能装配式再生混凝土剪力墙，揭示其抗震机理与性能，给出相关结构的性能化设计与评估方法，为高强钢材和中高强再生混凝土在建筑结构中推广应用奠定基础，已成为行业发展需求。

为此，课题组针对使用废弃混凝土加工生产的II、III类再生粗骨料，开展了装配式高强钢筋中高强再生混凝土剪力墙抗震性能试验研究。相关研究成果发表于《建筑结构学报》2022年第4期。

对于装配式剪力墙结构构件，采用灌浆套筒连接时，存在施工难度大、连接可靠性不易保证、底部坐浆层易形成薄弱面导致结构整体性差等工程问题，而采用环筋扣合连接则有利于提高节点整体性和抗震性能，且已有相关研究成果 ^[1] 表明，采用环筋扣合连接方式的装配式混凝土剪力墙，其抗震性能与整体现浇剪力墙基本相同。为了能在装配式剪力墙结构中充分利用高强钢筋与中高强再生混凝土的性能优势，使其合理匹配应用，提高装配式再生混凝土剪力墙的抗震能力与震后可修复性能，设计试验模型时，对边缘构件采用了环筋扣合连接方式并配置高强或超高强纵筋。

同时，为进一步提高装配式剪力墙的整体工作性能，避免较大水平地震作用下预制墙板与边缘构件发生竖向剪切错动，预制墙板与后浇边缘暗柱结合面制作成了“马牙槎”状，如需更加可靠的保证预制墙板底部结合界面的抗剪能力，也可在预制墙板底部设置“马牙槎”。

预制混凝土墙体分布钢筋采用U形筋形式，水平U形分布钢筋端部两角内侧布置边缘纵筋，水平U形分布钢筋与边缘箍筋交错布置，并与纵筋绑扎浇筑形成边缘暗柱；竖向U形分布钢筋在墙体底部与基础上下连接节点处，采用交错搭接连接方式，交错搭接的U形筋上下四角内侧配置4根水平插筋，绑扎浇注形成暗梁，如图3所示。图4为试验模型加工制作现场。试验加载方式采用水平低周反复荷载，图5为试验测试的加载装置及加载制度。

在此研究基础上，为给该类型剪力墙结构的抗震分析提供科学依据，进一步建立了边缘构件配置高强纵筋装配式中高强再生混凝土剪力墙的恢复力模型 ^[2] 。同时，基于本项研究结果，为进一步提升装配式中高强再生混凝土剪力墙的抗震韧性，减小其地震作用下的残余变形和裂缝宽度，实现结构大震后可恢复功能，进行了拓展性边缘构件配置弱黏结超高强纵筋再生混凝土剪力墙抗震性能试验。

基于试验所观测到的剪力墙试件破坏过程和采集的试验数据，分析了不同再生粗骨料取代率、混凝土强度、边缘构件纵筋强度及搭接位置等因素对装配式中高强再生混凝土剪力墙的破坏形态、滞回性能、承载力、延性、刚度退化规律、耗能能力等抗震性能指标以及可恢复性能的影响，并给出了边缘构件配置高强纵筋装配式中高强再生混凝土剪力墙水平承载力计算方法。

通过试验研究发现，在装配式中高强再生混凝土剪力墙的边缘构件中配置高强或超高强纵筋，可以有效减轻剪力墙的损伤程度（图6），显著提升其抗震韧性。

边缘构件配置HRB600级高强纵筋，可以明显提高剪力墙的承载力、耗能能力和可恢复性能，有效地控制墙体裂缝宽度，减缓损伤发展（图7）。

边缘构件配置弱黏结超高强纵筋，剪力墙水平抗侧刚度衰减缓慢，当位移角小于2%时，剪力墙水平承载力随位移增加持续增大，且残余变形和裂缝宽度均小于可修复限值（图8），能够实现结构震后不需修复或稍加修复即可快速恢复其预定使用功能。

对于相同混凝土强度等级的边缘构件配置HRB600级高强纵筋装配式中高强再生混凝土剪力墙，再生粗骨料取代率变化对其承载力、延性、耗能能力等抗震性能指标及可恢复性能影响不大，均可满足抗震设防要求。基于试验建立的边缘构件配置HRB600级高强纵筋装配式中高强再生混凝土剪力墙的恢复力模型（图9），具有较好的计算精度（图10），可供结构抗震分析参考。

图9  边缘配置HRB600纵筋再生混凝土剪力墙的恢复力模型

该种类型的装配式中高强再生混凝土剪力墙整体工作性能与抗震韧性良好，工业化预制生产再生混凝土墙板质量可控，墙体连接现场施工方便、质量易控，具有良好的工程推广应用前景。

参考文献

[1] 焦安亮, 张鹏, 李永辉, 等. 环筋扣合锚接连接预制剪力墙抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2015, 36(5): 103-109.

[2] 李宜达. 边缘配置高强纵筋装配式再生混凝土剪力墙抗震性能研究[D]. 北京：北京工业大学，2021