螺栓连接装配整体式混凝土剪力墙低周反复试验研究

引言
装配整体式混凝土剪力墙是指全部或部分预制墙体在工厂制作并运至施工现场，通过后浇混凝土可靠连接后形成整体的剪力墙[1]。它具有施工速度快、预制构件质量高、大量节约现场支撑与模板、节能环保效益显著等优点，但也存在室内空间较为零散、分隔固定、布置不够灵活的不足[2-3] 。


鉴于此，为了扩展装配整体式混凝土剪力墙体系的应用范围，同济大学、上海市建工设计研究院有限公司和美国Spancrete Group, Inc.合作开发了一种大开间装配整体式混凝土剪力墙体系。该体系中，上下层剪力墙的竖向连接采用螺栓连接构造，楼板采用大跨度SP叠合楼板。


本文拟通过足尺模型的低周反复试验，对螺栓连接装配整体式混凝土剪力墙的抗震性能进行研究。本文的研究成果将为该剪力墙体系在抗震区的推广与应用提供参考。


1、试验设计
1.1 试件设计
设计了3个带楼板的剪力墙足尺模型试件，其中2个为中跨和边跨装配整体式混凝土剪力墙试件(编号分别为PCW-1和PCW-2)，1个为现浇混凝土剪力墙对比试件(编号为SCW)。3个试件的楼板厚度均为200mm，其中2个装配整体式混凝土剪力墙试件的SP板厚150mm、后浇叠合层厚50mm；SP板的端部搁置长度为50mm；3个试件的尺寸均为2900mm(高)X 1800mm(宽)X 200mm(厚)，3个试件的设计轴压比均为0.5混凝土强度等级均为C30，水平和竖向钢筋的强度等级均为HRB400。竖向连接螺栓的面积和强度等级与竖向钢筋相同。表1为3个试件的详细参数，图1和图2所示分别为试件施工图和上下层装配整体式混凝土剪力墙的竖向连接构造详图。由图1可见，2个装配整体式混凝土剪力墙试件中，中间分布钢筋区域的剪力墙采用预制墙体，两端约束边缘构件区域均采用后浇混凝土构造。



















1.2 加载方案
3个试件均采用在剪力墙顶部同时施加按设计轴压比计算得到的恒定竖向荷载以及水平低周反复荷载的加载方案，如图3所示。


试验加载装置采用同济大学建筑结构实验室的10000kN大型多功能结构试验机系统。当剪力墙在水平低周反复荷载作用下产生侧向变形时，该试验机系统的竖向加载作动器可跟随剪力墙顶部无阻滑动，从而较好地模拟竖向荷载的P-⊿效应。






1.3 测试内容
试验的测试内容主要包括：①墙体顶部、底部以及墙身沿高度的侧向位移；②墙体剪切变形；③剪力墙关键部位钢筋应变；④连接钢筋应变；⑤墙体裂缝开展情况；⑥预制构件间以及预制构件与后浇混凝土间的相对滑移。


2、主要试验结果与分析
2.1试件的破坏形态
3个剪力墙试件均发生弯曲破坏，试件的最终破坏形态如图4所示。其中，装配整体式混凝土剪力墙中跨试件PCW-1的破坏以约束边缘构件的竖向钢筋拉、压屈服、受压区剪力墙体和叠合楼板混凝土压碎为标志，如图4(a)所示；边跨试件PCW-2的破坏则以受压区剪力墙体挑耳处混凝土提前压碎、竖向钢筋压屈为标志，如图4(b)所示。






2.2 滞回曲线
基于荷载与侧移测试结果，得到了3个剪力墙试件的荷载一墙顶侧移滞回曲线，如图5所示。由滞回曲线分析可知：


（1）剪力墙试件的滞回曲线有4个特征点，分别为开裂点、屈服点(根据能量法确定)、峰值点和极限点。


（2）与装配整体式混凝土剪力墙中跨试件PCW-1相比，现浇试件SCW和边跨试件PCW-2的破坏较突然，其滞回曲线仅在破坏时出现较为急剧的下降段。


（3）总体而言，装配整体式混凝土剪力墙的滞回曲线比现浇剪力墙的滞回曲线更为饱满，抗震性能较好。其中，中跨试件PCW-1比边跨试件PCW-2表现出更好的耗能能力。这与PCW-2的挑耳处混凝土较早压碎、竖向钢筋压屈有关。










2.3 位移延性
基于3个剪力墙试件的滞回曲线，可计算得到相应的位移延性系数，如表2所示。通过表2中数据分析可知：


（1）3个剪力墙试件的位移延性总体良好。其中，中跨装配整体式混凝土剪力墙的位移延性好于现浇混凝土剪力墙，这与已有的装配整体式混凝土剪力墙相关研究成果基本一致[4-6]。


（2）装配整体式混凝土剪力墙中跨试件PCW-1的位移延性系数达到3.15，为边跨试件PC W-2的1.68倍。这表明，当墙体两侧均设置SP叠合板时，叠合板对板高范围内的混凝土和剪力墙竖向钢筋形成了良好的约束，增强了其在反复荷载作用下的受力性能。


因此，为保证此类剪力墙具有良好的抗震性能建议加强板高范围内剪力墙的约束构造，尤其应加强边跨剪力墙无楼板侧的约束构造。此外，针对边跨挑耳部分混凝土提前压碎的现象，建议将剪力墙与挑耳的接缝设计为柔性连接。























结论
提出了一种竖向采用螺栓连接、楼板采用大跨度SP叠合板的大开间装配整体式混凝土剪力墙体系，并基于3片剪力墙足尺模型的低周反复试验，对螺栓连接装配整体式混凝土剪力墙的抗震性能进行了较为系统的研究。主要结论如下:


（1）螺栓连接装配整体式混凝土剪力墙和现浇混凝土剪力墙均发生受弯破坏，最终破坏形态为墙体拼缝处受压侧混凝土压碎，竖向钢筋压屈。


（2）总体而言，螺栓连接装配整体式混凝土剪力墙的滞回曲线比现浇剪力墙的滞回曲线饱满，抗震性能较好。其中，中跨试件PCW-1比边跨试件PCW-2表现出更好的耗能能力。


（3）3个剪力墙试件的位移延性总体良好。其中，中跨螺栓连接装配整体式混凝土剪力墙的位移延性总体好于现浇混凝土剪力墙。


（4）螺栓连接装配整体式混凝土剪力墙与现浇混凝土剪力墙均具有较高的抗弯、抗剪和接缝抗剪安全性。

（5）建议加强SP叠合板高范围内剪力墙的约束构造，尤其应加强边跨剪力墙无楼板侧的约束构造。此外，针对边跨挑耳部分混凝土提前压碎的现象，建议将剪力墙与挑耳的接缝设计为柔性连接。

本文发表于2014年8月《土木工程学报》。

作者简介如下：
薛伟辰，同济大学，博士，教授。主要从事预制混凝土结构、现代预应力结构、土木工程FRP材料应用等研究。

古徐莉，同济大学，上海市建工设计研究院有限公司，硕士。主要从事预制混凝土剪力墙抗震性能研究。

胡翔，同济大学，博士研究生，实验师。主要从事预制混凝土结构抗震性能、结构试验技术研究。

栗新，上海市建工设计研究院有限公司，学士，教授级高级工程师。主要从事预制混凝土结构设计研究。