钢筋混凝土剪力墙拟静力试验研究

钢筋混凝土剪力墙拟静力试验研究

0装配式大板居住建筑剪力墙结构的应用工业是中国住宅建设的发展趋势。住宅产业化的标志之一是工业化,重要任务之一是开发适合于工业化的以现场装配为基础的建筑结构体系。我国装配式住宅建筑的研究和应用的高峰是在20世纪80年代,北京市建造了上千万平米的装配式大板结构以及内浇外挂剪力墙结构住宅建筑;作为研究成果和工程实践的总结,1991年建设部颁布了JGJ1—91《装配式大板居住建筑设计和施工规程》。由于预制装配式大板居住建筑存在的问题以及其它一些原因,该体系逐渐被现浇钢筋混凝土剪力墙结构所取代。剪力墙结构广泛用于我国多、高层住宅建筑,预制装配整体式剪力墙结构是适合我国国情的住宅产业化建筑体系。北京万科企业有限公司以中粮-假日风景B3、B4号楼剪力墙结构为试点工程,推进住宅产业化进程。B3、B4号楼南北外墙、楼梯、阳台板、空调机板为工厂预制,其余均为现浇。外墙的结构层、保温层、保护层以及外饰面在工厂预制一次成型(图1),减少了现场工作量,保证了保温层和外饰面的施工质量,更重要的是保证了保温层与结构同寿命。为确定B3、B4号楼预制钢筋混凝土剪力墙竖向钢筋的连接方式,完成了1个现浇剪力墙试件和4个预制剪力墙试件的拟静力试验,研究竖向钢筋采用不同连接方式的预制剪力墙的抗震性能。1一般介绍1.1现浇钢筋与地梁的连接方式5个剪力墙试件的编号为SW1～SW5。试件由试验墙体、墙顶的加载梁以及墙底的地梁组成。试验墙体为矩形截面,外形尺寸相同:墙高2800mm,墙厚160mm,墙长1300mm,墙高、墙长分别与实际工程的层高和窗间墙长相同,墙厚符合GB50011—2001《建筑抗震设计规范》规定的一级抗震墙结构最小墙厚的规定。试件立面如图2所示。水平力加载位置距墙底2925mm,试件剪跨比为2.25。剪力墙试件的竖向与水平分布钢筋均为8@100;截面两端设置长200mm的边缘构件,配置416竖向钢筋和8@100箍筋,体积配箍率为0.0136。SW2、SW4、SW5截面尺寸及配筋见图3,其余试件类似。试件的主要区别是试验墙体的加工方法以及剪力墙竖向钢筋与地梁的连接方式(表1)。SW1为现浇试件,墙体、加载梁和地梁浇筑成整体,全部竖向钢筋锚固在地梁中。SW2的墙体预制、边缘构件现浇;边缘构件的竖向钢筋与预埋在地梁中的16钢筋直接搭接,竖向分布钢筋与地梁没有连接;预制墙的两侧面设置连续的键槽,墙的水平钢筋伸进现浇边缘构件(图3a)。SW3～SW5为预制墙试件。SW3边缘构件的竖向钢筋与地梁中预埋的钢筋采用套筒浆锚直接连接,即:预制剪力墙中预埋长为200mm的套筒,墙内边缘构件的竖向钢筋与地梁预埋的钢筋各伸入套筒90mm,套筒内灌注高强灌浆料;竖向分布钢筋与地梁没有连接。SW4边缘构件的竖向钢筋和竖向分布钢筋都与地梁预埋的钢筋采用套筒浆锚连接(图3b,图4a),但竖向分布钢筋采用套筒浆锚间接搭接,即用1根18钢筋代替6根8分布钢筋。1根18钢筋的实测受拉屈服承载力为76.35kN,6根8钢筋的实测受拉屈服承载力为63.42kN。预制墙及地梁中各分别预埋3根18钢筋,套筒长270mm,钢筋伸入套筒的长度为110mm。SW2～SW4预制墙与地梁之间的座浆为厚15mm的水泥砂浆。SW5的预制墙与地梁之间采用高250mm的现浇钢筋混凝土连接,预制墙的竖向钢筋与地梁预埋的钢筋采用套箍连接,即墙内预埋“U”形钢筋,伸出墙底,与地梁预埋的倒“U”形钢筋绑扎连接(图3c,图4b)。表2列出了钢筋屈服强度fy和抗拉强度fu实测值,实测值为3根钢筋的平均值。试验当天进行实测,5个试件的混凝土立方体抗压强度分别为40.9MPa、40.5MPa、40.8MPa、40.0MPa、38.5MPa,SW5墙根部现浇混凝土的立方体抗压强度为39.9MPa。1.2荷载及变形布置试验加载装置示意图如图5所示,采用2500kN液压千斤顶施加轴压力、1000kN液压千斤顶施加往复水平力。千斤顶端部装有力传感器,量测施加的力的大小。首先施加轴压力,试验过程中保持不变。按轴压比设计值0.3、混凝土强度等级C40和分项系数1.2,计算得到施加的轴压力为950kN。然后施加往复水平力。先加推力,为正向加载,后加拉力,为反向加载(图5)。试件屈服前,采用荷载控制,分4级加载,分别为50kN,100kN,200kN和300kN,每级荷载反复一次;试件屈服后,采用测点W-1(图6)的水平位移控制加载,试件SW2～SW4的位移增量为5mm(位移不大于20mm时)和10mm(位移不大于20mm时),其它两个试件的位移增量略有区别,每级位移反复两次。试件屈服荷载采用实际施加的轴压力和实测钢筋屈服强度以及混凝土抗压强度由计算得到,定义边缘构件靠内侧的竖向钢筋屈服为试件屈服。各试件的位移计布置相同,共9个位移计(图6)。墙体平面内从上至下布置了6个位移计,间距为500mm,最高处的位移计距墙底为2650mm。地梁上布置了3个位移计,其中2个布置在两侧,量测地梁的转动,另外1个位移计与墙体的位移计布置在同一条直线上,量测地梁的平动。用应变片量测竖向钢筋的应变:SW1边缘构件的竖向钢筋和竖向分布钢筋上,距地梁顶面20mm处布置应变片;SW2的边缘构件的竖向钢筋上,距地梁顶面20mm和420mm处布置应变片;为研究SW3与SW4边缘构件套筒浆锚连接钢筋的传力情况,在同一个套筒的上下两根钢筋上布置应变片,位置分别在套筒上方20mm和地梁上方20mm;为研究SW4竖向分布钢筋间接套筒浆锚连接的效果,在竖向分布钢筋及18浆锚钢筋上布置应变片,距地梁顶面约290mm。SW5地梁的预埋套箍上和墙体的套箍上布置应变片,分别距地梁顶面20mm和230mm。2试验结果与分析2.1土墙和地梁的交界面裂缝深化变化水平力为190kN时,SW1的墙底与地梁的交界面出现水平裂缝。随水平力增大,剪力墙从下至上出现多条水平裂缝。水平位移为9mm时,边缘构件的竖向钢筋受拉屈服,部分裂缝斜向发展,大致呈45°。水平位移为18mm时,剪力墙底部两端出现受压竖向裂缝。水平位移为23mm时,在原裂缝周围出现一些小的裂缝,墙底与地梁交界面的水平裂缝宽度近1mm,墙底边缘出现新的竖向裂缝。水平位移为33mm时,墙底水平裂缝宽4mm,底部边缘混凝土保护层剥落严重。水平位移达81mm(位移角接近1/30)时,水平力降至峰值的93%,距墙底10cm、30cm处各有一条宽12mm的水平裂缝,两端混凝土压溃,试验结束。试件破坏后的照片及裂缝分布见图7a。SW2的第一条裂缝出现在墙底与地梁交界面。水平位移为10mm时,边缘构件竖向钢筋受拉屈服,墙上出现多条水平裂缝,部分斜向发展,墙底与地梁交界面的裂缝贯通。水平位移为15mm时,交界面的裂缝宽度增大至3mm,成为主要裂缝。水平位移为20mm时,预制墙与边缘构件交界面出现竖向裂缝,墙底部出现受压竖向裂缝。水平位移为30mm时,墙底与地梁交界面的裂缝宽10mm,墙底部两端混凝土碎裂,水平力达到峰值。水平位移为40mm时,部分水平裂缝发展成斜裂缝,沿键槽的竖向裂缝基本连通。水平位移为50mm时,混凝土剥落严重,水平力开始下降。水平位移达60mm(位移角为1/44)时,墙底裂缝宽度已达15～20mm,两端混凝土压溃,水平力下降约50%,试验结束(图7b)。SW3出现第一条水平裂缝的水平力为190kN。水平位移为10mm时,边缘构件竖向钢筋受拉屈服,墙上出现多条水平裂缝,墙底与地梁的交界面形成通缝。水平位移为15mm,墙底部出现竖向裂缝,位置在浆锚套管处。水平位移为30mm时,墙底与地梁交界面的裂缝宽度为4～5mm,发展为主要裂缝,另一条主要裂缝出现在距墙底约220mm高度(套筒上方)处,并斜向延伸与墙底的裂缝连在一起。之后,主裂缝宽度增加,出现更多的竖向裂缝,套筒处的竖向裂缝向上延伸,套筒之间的混凝土有少量剥落。水平位移为50mm时,墙端混凝土剥落加重。水平位移为60mm时,墙底与地梁交界面的裂缝宽度达10mm,两端混凝土均被压溃,套筒向平面外倾斜,试验结束(图7c)。SW4出现第一条水平裂缝时的水平力为170kN。水平位移为10mm时,墙底与地梁的交界面开裂。水平位移为15mm时,墙上的水平裂缝斜向发展,大致成45°角延伸。水平位移为20mm,墙根部出现细微的竖向受压裂缝,墙底与地梁交界面的裂缝贯通。水平位移为30mm时,水平力达到峰值,交界面的裂缝宽度为3mm,逐渐发展成为主要裂缝。正向水平位移为40mm时,受拉区交界面的裂缝及距墙底220mm高度(套筒上方)处一条水平裂缝加宽,受压区套筒高度范围内的混凝土保护层压溃掉落。水平位移为50mm时,主裂缝的宽度达6mm。最后一级加载,正向至60mm,反向至70mm,交界面的裂缝宽度达10mm,墙两端混凝土均被压溃,试验结束(图7d)。SW5施加轴力后,预制墙与现浇混凝土的交界面(距地梁顶面250mm高度)出现细微的水平裂缝。水平力为200kN时,交界面形成通长的水平裂缝。水平力为240kN时,交界面以上50mm高度处出现第一条水平裂缝,定义此荷载为开裂荷载。水平位移为13mm时,交界面以下现浇混凝土开始出现水平裂缝。水平位移为19mm时,预制墙与现浇混凝土之间有2mm的面内错动,墙两端底部出现多条竖向裂缝。水平位移为26mm时,水平力开始下降,交界面以下出现大致呈45°角的斜裂缝。水平位移为60mm时,交界面的裂缝宽度达5mm,预制墙与现浇部分之间面内错动约20mm,两端现浇混凝土大量压溃掉落,“U”形钢筋外露,试验结束(图7e)。各试件的破坏形态基本相同,为边缘构件竖向钢筋受拉屈服、底部混凝土压碎剥落的压弯破坏,但套箍连接试件SW5的预制墙与现浇混凝土之间发生面内错动,且4个预制墙试件的裂缝分布不同,SW4的裂缝分布与现浇试件SW1最为接近。SW2的现浇边缘构件的水平裂缝多,但向预制墙上发展的裂缝比较少,原因是预制墙与现浇边缘构件的交界面开裂、出现竖向裂缝,且预制墙的竖向分布钢筋与地梁没有连接;SW3的裂缝数量比SW1略少、斜裂缝的长度短一些,原因是预制墙的竖向分布钢筋与地梁没有连接;SW4的裂缝数量多,较多的水平裂缝发展为斜裂缝,且裂缝比较长;SW5的裂缝数量明显比SW1少,不利于耗能。2.2试验结果的分析2.2.1滞回曲线分析试件的顶点水平力-位移关系滞回线和骨架线见图8。现浇试件SW1的滞回曲线饱满,边缘构件现浇的预制墙试件SW2以及套筒浆锚连接试件SW3、SW4的滞回曲线也比较饱满,水平力达到峰值后,随位移增大能稳定地保持水平力,或水平力缓慢下降;套箍连接试件SW5的滞回曲捏拢明显,水平力达到峰值点后,随位移增大水平力很快下降。2.2.2地梁与竖向分布钢筋连接表3为各试件的开裂水平力Fcr、屈服水平力Fy和峰值水平力Fp。以峰值水平力作为试件压弯承载力。SW2和SW3的承载力最小,原因是这两个试件的竖向分布钢筋与地梁没有连接;SW4和SW5与SW1的承载力接近,说明竖向分布钢筋采用间接浆锚连接或套箍连接均对剪力墙的压弯承载力有贡献。表中还列出了按现行规范计算得到的压弯承载力对应的水平力Fm,计算时,钢筋取实测屈服强度,混凝土轴心抗压强度取0.76fcu;计算SW2和SW3的压弯承载力时,不考虑竖向分布钢筋的作用。承载力试验值均大于计算值。2.2.3极限状态的确定定义顶点位移角θ=Δ/H,Δ为测点W-1的水平位移,H为测点高度2650mm;位移延性系数用μ=Δu/Δy计算,Δy为试件屈服时测点W-1的水平位移,Δu为试件极限状态对应测点W-1的水平位移。定义水平力下降至峰值水平力的85%时为极限状态,若未下降至峰值水平力的85%,取试验结束为极限状态。表4列出了试件的开裂位移Δcr(位移角θcr)、屈服位移Δy(位移角θy)、峰值位移Δp(位移角θp)、极限位移Δu(位移角θu)和位移延性系数μΔ。结果表明:5个试件的极限位移角均大于1/100;预制墙试件中,边缘构件竖向钢筋和竖向分布钢筋采用套筒浆锚连接的试件SW4的极限位移角最大,套箍连接的试件SW5的极限位移角最小。2.2.4地梁钢筋应变分析试件SW3边缘构件的竖向钢筋采用套筒浆锚连接。图9为SW3水平力-边缘构件竖向钢筋应变关系曲线,图9a示意地梁的钢筋测点的应变(地梁顶面以上20mm处),图9b示意墙内钢筋测点的应变(套筒上方20mm,距地梁顶220mm高度处),两根钢筋为同一套筒浆锚连接的钢筋,图9c为滞回曲线的骨架线。由图9可见:弹性阶段,两者应变大小接近,预埋在地梁的钢筋应变略大;试件屈服后,两者拉应变均迅速增大。说明竖向钢筋采用套筒浆锚连接能有效传递钢筋应力。试件SW4的竖向分布钢筋采用间接套筒浆锚连接。图10为SW4水平力-竖向分布钢筋应变关系曲线,图10a、10b的钢筋应变分别为竖向分布钢筋和间接浆锚连接钢筋上的两个应变片测得的应变,应变片的高度位置相同,在套筒上方20mm、距地梁顶面290mm高度处。从图10可以看到,达到峰值水平力前,两根钢筋应变相近。说明间接浆锚钢筋能有效传递钢筋应力。图11为SW5水平力-边缘构件竖向钢筋应变关系曲线,图11a示意预埋在地梁的套箍(距地梁顶面20mm高度处)的应变,图11b示意预埋在墙体的套箍(距地梁顶面230mm高度处)的应变,两个套箍在同一位置且互相搭接。结果表明,墙体套箍钢筋的应变明显大于地梁套箍钢筋的应变,前者塑性变形充分,而后者的塑性变形不大,套箍连接的钢筋传力不理想。图12a、12b分别为SW4在不同力水平作用下墙底截面(距地梁顶面20mm高度处)和距墙底约300mm高度处截面的竖向钢筋应变分布图。可以看出,屈服前平截面假定基本成立;套筒浆锚间接搭接的竖向分布钢筋参与试件整体受力。2.2.5循环峰值点分析将往复水平力作用下每次循环最大位移的割线刚度定义为等效刚度Ki,其计算式为:Ki=|Fi|+|−Fi||Δi|+|−Δi|(1)Κi=|Fi|+|-Fi||Δi|+|-Δi|(1)式中,Fi为第i次循环峰值点水平力,Δi为第i次循环峰值点水平位移。正号代表正向加载,负号代表反向加载。表5为各试件割线刚度比较。现浇墙试件开裂时的割线刚度最大,套箍连接试件开裂时的割线刚度最小。图13为试件割线刚度与位移(以位移与屈服位移的比值即Δ/Δy表示)关系曲线,随Δ/Δy值增大,试件割线刚度下降。2.2.6能量耗散系数e值根据JGJ101—96《建筑抗震试验方法规程》的规定采用能量耗散系数E计算试件的耗能能力。表6列出了5个试件的能量耗散系数E值。可以看出,现浇试件SW1的E值最大,耗能最好;套箍连接试件SW5为SW1的62%,耗能能力最小;其它预制或部分预制试件的耗能能力为SW1耗能能力的80%以上。两个套筒浆锚连接的试件,SW4的耗能能力略大于SW3。3结论和建议3.1向钢筋采用