不同抗震技术的预制建筑混凝土墙的力学性能.pdf

崔贵玲:不同抗震技术的预制建筑混凝土墙的力学性能抗震研究KANGZHENYANJ IU 工程与建设 年第 卷第期 收稿日期:;修改日期:作者简介:崔贵玲(),女,山东青岛人,硕士,讲师不同抗震技术的预制建筑混凝土墙的力学性能崔贵玲(青岛黄海学院,山东 青岛 )摘要:为了研究具有不同连接类型的垂直钢筋的预制混凝土墙的抗震性能,对五个混凝土剪力墙(包括预制剪力墙和现浇剪力墙)进行了拟静力试验.试验结果表明,预制混凝土墙的破坏模式与现浇混凝土剪力墙的破坏模式几乎相同.在剪力墙底部的边界单元中,垂直钢筋在受拉状态下屈服,混凝土被压碎.在压缩下,竖向钢筋的应力可通过套筒砂浆接头有效传递;带箍筋接缝的标本在预制区域和现浇区域之间具有面内刚性滑动,其最终漂移比和能量耗散能力最低.所有样品的最终漂移率均大于.根据结果和分析,提出了预制剪力墙结构实用设计的建议.关键词:抗震;预制建筑;混凝土;力学性能中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:()引言与现浇混凝土结构相比,预制混凝土结构更环保,因为混凝土构件产生的废水和废气在预制工厂可以得到更好的控制和处理,而且施工过程中没有木框架,所以可有效节约木质材料.目前,工业化是我国住宅建设的发展趋势,因此需要发展预制混凝土结构,其主要优点是预制混凝土构件质量高、施工速度快、施工噪声低.在住宅建筑中,与框架结构相比,钢筋混凝土剪力墙的应用更为频繁,具有优异的抗震性能.特别是在发达国家和地区,美国、俄罗斯和欧洲的预制混凝土结构数量占新建建筑结构总量的比例 分 别为、和 .基于此,本文采用多种连接预制剪力墙竖向钢筋的结构和方法,包括垂直方向和水平方向的节点.为了研究预制剪力墙的抗震性能,寻找合适的连接结构和连接预制剪力墙竖向钢筋的方法,对五块完整的混凝土剪力墙进行了准静态试验.试验材料及方法 试件设计本试验共 设 计 和 制 作 五 个 混 凝 土 剪 力 墙,设 定 编 号 为S W SW.每个试件由混凝土底座、混凝土剪力墙和混凝土承载梁组成.混凝土剪力墙高度为 mm,截面尺寸为 mm mm,如图所示.加载点与试件底部之间的距离为 m,因此混凝土剪力墙的纵横比(高宽比)约为 .混凝土剪力墙中间距为 mm的水平和垂直分布的钢筋直径均为mm.混凝土剪力墙有一个矩形墙腹板和两个方形边界元件.在截面末端的每个边界单元中,放置了四个直径为 mm的纵向钢筋和间距为 mm的直径为mm的钢筋.图混凝土剪力墙试件的高程视图(单位:mm)试件SW 为现浇混凝土剪力墙,剪力墙纵向钢筋全部锚固在基梁中.试件SW S W 为预制混凝土剪力墙,这些试件的主要区别在于剪力墙竖向钢筋与基础梁的连接方式.试件SW 中,混凝土剪力墙的边界单元现浇,边界单元中的竖向钢筋采用搭接接头连接到基梁中的钢筋,墙腹中的竖向钢筋未锚固在基梁.为了使预制墙腹板与现浇边界单元之间获得良好的连接质量,在墙腹板表面制作阶梯槽.在试件S W 中,边界单元和基础梁中的竖向钢筋连接采用灌入高强砂浆的钢套,墙腹 板中 分布 的 竖向 钢 筋 也 未 锚 固 在 基 梁 中.在 试 件SW 中,边界单元和墙腹板中的所有竖向钢筋均使用带有高强度砂浆的钢套锚固在基础梁中.对于编号为S W SW 的试件,预制墙和基础梁之间存在 mm的垂直空间,以便浇注高强度砂浆.在试件S W 中,预制剪力墙与基础梁之间为抗震研究KANGZHENYANJ IU崔贵玲:不同抗震技术的预制建筑混凝土墙的力学性能 工程与建设 年第 卷第期 mm高混凝土现浇,预制剪力墙与基础梁的竖向钢筋通过箍筋连接.测试设置和加载程序采用最大承载能力为 k N的立式千斤顶对试件顶部施加轴向载荷,并在试件承载梁旁边设置液压伺服执行器,以产生循环水平力.首先,在试件的负载梁上施加恒定的垂直压缩载荷.然后在试件顶部施加循环水平力,以模拟地震荷载.基于具有延展性的结构构件的弹塑性行为,试件的变形相对较小,因此当载荷低于试验过程中从载荷位移曲线可以观察到的屈服载荷能力时,力控制法使用,在每个负载级别都有一个加载循环.随着水平载荷的增加,出现载荷位移曲线的屈服点.由于试件的延展性,破坏前试件顶部存在较大的位移,因此选择位移控制方法,在每个位移载荷水平下重复加载两次循环,以研究试件的强度退化特性.实验结果分析 损坏和失效模式所有试件的破坏方式相似:首先是边界单元压缩区垂直钢筋产生破坏,然后是破碎底部混凝土,对应结构构件弯曲破坏方式如图所示,剪力壁表面的裂纹分布是SW S W 编号试件的主要差异.试件S W 的现浇边界构件存在水平裂缝,预制剪力墙表面很少形成裂缝,这是由于预制剪力墙与现浇边界构件界面上的垂直裂缝.对于试件S W,预制剪力墙中的垂直钢筋没有与基梁中的钢筋相连接,因此与试件SW 相比,试件S W 表面出现的裂缝较少.试件SW 的 裂纹 与 试件S W 相似,沿边界元水平方向和壁板对角线方向较长.然而,预制剪力墙与现浇混凝土之间存在着水平相对刚性位移.图试件的失效模式和裂纹分布 S W 当水平力达到 k N时,基梁与剪力墙底部的界面出现水平裂缝.随着水平力的增加,可观察到更多的水平裂纹.当顶部位移达到mm时,边界单元中的钢筋屈服,裂缝沿对角线方向扩展.然后剪力墙底部附近的裂缝宽度扩大到mm,顶部位移达到 mm,混凝土保护层因高压缩应力而被压碎.然后顶部位移达到 mm(漂移比是 ),反作用力减小到加载过程中最大力的,底部边界单元中的混凝土被完全压碎.S W 第一条裂缝出现在基梁与剪力墙底部的界面处.当顶部水平位移达到 mm时,边界单元中的竖向钢筋屈服,沿对角截面出现许多裂缝并扩展.基梁与剪力墙底部的界面存在贯通裂缝.随着顶部位移增加到 mm,界面上的裂缝宽度扩大到mm.当顶部位移达到 mm时,底部受压区混凝土部分压碎,阶梯槽界面出现竖向贯通裂缝.在最后的加载阶段,底部裂缝宽度增加为 mm,顶部壁的剪切能力降低了最大力的.S W 当顶部位移达到 mm时,边界单元中的竖向钢筋屈服,剪力墙表面出现大量水平裂缝,包括基梁与剪力墙界面处的贯通裂缝.随着顶部位移增加到 mm,钢套附近的表面形成垂直裂纹.当顶部位移达到 mm时,主要出现两处裂缝:一处在靠近钢套顶部的截面处,一处位于基梁与剪力墙的界面处.随后竖向裂缝从剪力墙底部沿竖向扩展,边界单元受压区混凝土被压碎.最后,顶段位移达到了 mm,基梁与剪力墙界面上的裂缝宽度扩大到 mm,导致边界单元受压区混凝土破碎,钢套屈曲.S W 当顶部水平力达到 k N时,试件S W 表面出现第一个水平裂纹.基梁与剪力墙的界面随着顶部位移增加到 mm而开裂,水平裂缝沿 方向扩展.当顶截面位移增加到 mm时,达到峰值荷载,并伴有基梁与剪力墙界面处的主贯通裂缝.当位移顶截面增加到 mm时,主贯通裂缝宽度扩大到 mm,边界单元受压区混凝土被压碎,对应于试件的极限状态.S W 当S W 试件施加轴向压缩力时,剪力墙预制区与现浇区交界 处 出 现 微 小 的 水 平 裂 缝.此 时 顶 部 水 平 位 移 达 到 mm,剪力墙现浇混凝土表面出现水平裂缝.当顶部位移增加到 mm时,剪力墙预制区和现浇区之间发生水平相对刚体运动.顶断面位移超过 mm后,墙体的抗剪承载力逐渐下降,剪力墙表面出现宽大的交叉斜裂缝.当顶部水平位移达到 mm时,受压区大量混凝土被压碎,由于弯矩和轴力引起的高竖向压应力,可以观察到底部边界单元中竖向钢筋的明显屈曲变形.在试件SW 中,采用箍筋拼接连接方法连接竖向钢筋.但在本次试验中可以发现,在极限状态下,由于箍筋拼接法的连接强度不够,预制区和现浇区的竖向钢筋在循环荷载作用下逐渐分离,与其他试件相比,导致裂缝宽度大,混凝土破坏严重.然后,混凝土被严重压碎,无法对竖向钢筋提供足够的约束,导致破坏时的屈曲响应大.此外,S W 的裂纹分布与其他试件有很大不同.可以看出,在SW 中,预制混凝土与现浇混凝土之间存在距离基梁顶部 mm的连接界面,弱于墙体其他部分.当在墙顶施加横向荷载时,由于压缩力和剪力的共同作用,一些斜向裂缝从底部出现,然后沿对角线方向扩展.当斜向裂缝到达预制混凝土崔贵玲:不同抗震技术的预制建筑混凝土墙的力学性能抗震研究KANGZHENYANJ IU 工程与建设 年第 卷第期 和现浇混凝土之间的表面时,由于界面较弱,裂缝向水平方向扩展,导致连接界面处的裂缝宽度较大.然而,在其他试件中,连接界面存在于基础梁的顶部.耗能比在抗震分析中,等效耗能因子是评价结构构件抗震能力的重要参数,因此根据试验结果计算所有试件的等效耗能因子,见表.表试件的耗能比样本EE/ES W S W S W S W S W 从表我们可以观察到,完整的现浇剪力墙具有最佳的消能能力.在预制剪力墙中,带箍筋的试件SW 的耗能能力最低.试件S W 的等效能量耗散因数仅为试件SW 的约.但试件S W、SW 和S W 的等效耗能因子与试件S W 的等效耗能因子的百分比均大于,说明采用砂浆连接法的钢套预制墙体仅出现小幅衰减.变形为了研究试件的变形特性,将混凝土剪力墙的位移值定义为/H,其中为顶截面位移,H为剪力墙高度.位移延性系数定义为u/y,其中y为顶部屈服位移,u为顶部极限位移.根据 抗震建筑试验方法规范,混凝土剪力墙的屈服点可以根据墙体边界单元中的钢筋全部屈服时的状态来确定.试件的横向位移和延性见表,试件横向漂移见表.表试件的横向位移和延性c r/mmy/mmp/mmu/mmuA v e A v e A v e A v e A v e S W S W S W S W S W 表试件横向漂移c rypuA v e A v e A v e A v e S W S W S W S W S W 表和表说明了开裂位移c r和漂移c r、屈服位移y和漂移y、峰值位移p和漂移p、极限位移u和漂移u,以及位移延性因子.从表、表可以看出,所有试件的漂移值均大于,因此预制剪力墙的变形能力也很好.在预制试件中,预制试件的极限位移最小,最大的极限位移出现在SW 试件采用钢套加砂浆连接墙腹板和边界单元竖向钢筋的情况下.本试验中高宽比较高、配筋率适宜的混凝土剪力墙具有良好的延性,因为弯曲变形是主要变形,配筋在最终状态下混凝土被压碎前可以保持较长的屈服阶段,所以该测试中墙壁的延展性值很高.结论通过对五种混凝土剪力墙的准静态试验结果和分析,包括完整的现浇剪力墙和竖向钢筋采用各种连接技术的预制剪力墙,可以得出主要结论:()预制混凝土剪力墙与完全现浇混凝土剪力墙具有相似的破坏模式:边界单元中的竖向钢筋屈服,底部受压区的混凝土被压碎.()预制墙的边界单元和墙腹中的竖向钢筋的拉应力可以有效传递到带有填充砂浆的钢套中,墙腹中分布钢筋连接的预制剪力墙的承载能力和变形能力均高于其他预制剪力墙.()预制剪力墙底部与基梁顶部的交界面应使用具有微胀大性能的高强砂浆,以免交界面出现过早开裂.参考文献龚厚松,孙金坤,汪小平,等预制装配式剪力墙结构接缝的研究现状J四川建筑,():张广泰,鲁海波,李雪藩,等钢聚丙烯混杂纤维混凝土剪力墙抗剪承载力计算J工程抗震与加固改造,():蒋庆,王啸威,冯玉龙,等含屈曲约束支撑铰支墙抗震有限元分析J合 肥工业大学学 报(自然 科学版),():,万怡秀,徐自国,纪晓东,等拉压变轴力下小剪跨比预应力混凝土墙往复受剪试验研究J建筑结构学报,():