竖向分布钢筋单排连接的预制剪力墙抗震性能试验.pdf

第 41 卷 第 2 期2011 年 2 月建筑结构Building StructureVol.41 No.2Feb.2011竖向分布钢筋单排连接的预制剪力墙抗震性能试验*张微敬1，钱稼茹2，陈康1，秦珩3，刘国权3，李建树3(1 北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124;2 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京 100084;3 北京万科企业有限公司，北京 100125)摘要 通过 3 个试件的拟静力试验，研究竖向分布钢筋与连接钢筋间接搭接、连接钢筋单排布置且数量少于竖向分布钢筋的预制剪力墙的抗震性能。试验结果表明，预制墙以水平裂缝及水平缝延伸的斜裂缝为主，墙底与地梁之间产生了较宽的水平通缝，破坏形态为压弯破坏;可采用规范公式计算预制剪力墙的受压承载力;试件的极限位移角达到 1/60。竖向钢筋与连接钢筋间接搭接是可行的，能有效传递钢筋应力。关键词 预制剪力墙;竖向分布钢筋;连接钢筋;间接搭接;拟静力试验中图分类号:TU375文献标识码:A文章编号:1002-848X(2011)02-0012-05Tests on seismic behavior of pre-cast shear walls with vertical distributed reinforcementsspliced by a single row connecting rebarsZhang Weijing1，Qian Jiaru2，Chen Kang1，Qin Heng3，Liu Guoquan3，Li Jianshu3(1 Beijing University of Technology，Key Lab of Urban Security and Disaster Engineering，MOE，Beijing 100124，China;2 Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry，Tsinghua University，Beijing 100084，China;3 Beijing Wanke Co.，Ltd.，Beijing 100125，China)Abstract:To study seismic behavior of the pre-cast reinforced concrete shear wall which the vertical distributedreinforcements indirect spliced with the connecting reinforcements，quasi-static tests of three specimens were performed.The connecting reinforcements were arranged in a single row and its number was less than the number of the verticalreinforcement of the wall.The test results indicate that horizontal cracks and extended diagonal cracks are the main cracksof the wall.Wide horizontal crack runs through the interface between wall and base beam.All specimens fail incompression-bending mode.The ultimate drift ratio of all specimens is 1/60.The current code formulas are suitable forcalculating the compressive strength of pre-cast shear walls.The stresses of the vertical reinforcements of pre-cast shearwalls can be transferred effectively by indirect splicing of reinforcements.Keywords:pre-cast shear wall;vertical distributed reinforcement;connecting reinforcement;indirect splicing;quasi-statictest*北京市科技计划课题(批准号:Z10110602231003)。作者简介:张微敬，博士，教授，Email:zhangweijing 。0引言竖向钢筋采用套筒浆锚连接的预制剪力墙具有很好的抗震性能，其受压承载力、弹塑性变形能力与现浇剪力墙相同，其弹性刚度和耗能能力与现浇剪力墙接近 1。剪力墙竖向分布钢筋的数量多，直径小，如果每根竖向分布钢筋都用套筒浆锚连接，不但成本高，而且施工难度大。针对此，预制剪力墙的竖向分布钢筋可采用间接搭接的方式进行连接，即预制剪力墙设置附加竖向连接钢筋，上下层预制墙的连接钢筋采用套筒浆锚连接，竖向分布钢筋与连接钢筋之间有一定的距离，形成间接搭接。剪力墙的厚度不大时，其竖向分布钢筋一般为双排，附加的连接钢筋可以沿预制墙截面的中线单排布置，以单排连接钢筋代替预制墙的双排分布钢筋;预制墙竖向分布钢筋的间距不大于 300mm，连接钢筋的间距可大于预制墙竖向分布钢筋的间距。采取上述方式布置连接钢筋，使连接分布钢筋的套筒数量减少一半以上，降低造价，方便施工。每根连接钢筋的截面面积应大于被搭接的竖向分布钢筋截面面积之和，连接钢筋的屈服强度可高于竖向分布钢筋的屈服强度，使连接钢筋的受拉承载力大于被搭接的分布钢筋的总受拉承载力，不降低预制墙的受压承载力。为研究竖向分布钢筋采用间接搭接的预制墙的抗震性能，进行了全预制剪力墙试件的拟静力试验。1试验概况1.1 试件设计与制作共制作了 3 个试件，编号分别为 YW1-1，YW1-2和 YW1-3。试件的几何尺寸相同:墙高2 650mm，墙截面长1 200mm，厚 180mm。墙顶设置加载梁，其截面尺寸为 240mm 250mm(宽 高)，与预制墙整第 41 卷 第 2 期张微敬，等.竖向分布钢筋单排连接的预制剪力墙抗震性能试验图 1预制墙试件尺寸及配筋图浇;墙底设置预制地梁，其尺寸为 500mm 500mm 2 400mm(宽 高 长)，地梁与墙连接的表面凿毛，露出粗骨料。试件尺寸及配筋见图 1。各试件预制墙配置的竖向钢筋相同:双排配筋，两端为 412，分布钢筋为 68，间距 200mm。各试件预制墙底部附加竖向连接钢筋，连接钢筋与预制墙的竖向钢筋之间有间距，为间接搭接。3 个试件连接钢筋的直径和数量不全相同:YW1-1 的两端为 218，中间为单排314，钢筋间距 270mm;YW1-2 的两端为 125，中间为单排 314，钢筋间距 270mm;YW1-3 的两端为 125，中间为单排 216，钢筋间距 360mm。表 1 列出了预制墙竖向钢筋的受拉承载力以及连接钢筋的受拉承载力，连接钢筋受拉承载力为预制墙竖向钢筋受拉承载力的 1.05 1.57 倍。预制墙竖向钢筋和连接钢筋的受拉承载力表 1试件编号两端钢筋中间钢筋配筋受拉承载力/kN配筋受拉承载力/kNYW1-1YW1-2YW1-3预制墙钢筋412206.068128.6连接钢筋218227.9314201.6预制墙钢筋412206.068128.6连接钢筋125233.1314201.6预制墙钢筋412206.068128.6连接钢筋125233.1216187.8注:钢筋受拉承载力=钢筋数量 1 根钢筋截面面积 实测屈服强度。墙内附加的连接钢筋与伸出地梁顶面的钢筋采用直螺纹套筒浆锚连接。直螺纹套筒一端为直螺纹，另 一 端 为 圆 筒。套 筒 材 料 的 屈 服 强 度 为355MPa，抗拉强度不小于 600MPa。墙内的连接钢筋与套筒的直螺纹一端连接，预埋在地梁的钢筋伸进套筒另一端的圆筒，圆筒内浇筑灌浆料。预制墙在地梁上就位时，与地梁之间留 20mm 高的间隙，也用灌浆料填实，试件墙体的实际高度为2 670mm。与文 1 竖向钢筋套筒浆锚连接的试件相比，本文试件竖向钢筋连接方式的主要区别为:连接钢筋与墙 的 竖 向 钢 筋 之 间 有 间 距，为 间 接 搭 接;除YW1-1 的两端为 2 根连接钢筋外，其余连接钢筋都为单排;连接钢筋的数量少于墙的竖向钢筋，但总受拉承载力大于墙的竖向钢筋;墙内连接钢筋与地梁预埋钢筋采用直螺纹套筒连接。1.2 材料性能预制墙的水平钢筋和竖向钢筋都采用 HRB400级钢。表 2 列出了钢筋的实测屈服强度 fy和极限强度 fu，实测值为 3 根钢筋材性试验的平均值。屈服应变 y按弹性模量 Es=2.0 105N/mm2计算得到。试件混凝土立方体抗压强度 fcu、灌浆料立方体抗压强度 fcu，m实测值见表 3。钢筋强度实测值及屈服应变表 2钢筋81214161825fy/MPa427.4455.4436.5467.1447.7474.9fu/MPa626.7608.4640.2639.5606.1653.6y/10 62 1372 2772 1832 3352 2382 375混凝土、灌浆料强度实测值及竖向压力与轴压比表 3试件编号fcu/MPafcu，m/MPaN/kNndYW1-139.089.24500.13YW1-235.289.24000.13YW1-337.189.24000.1331建筑结构2011 年1.3 加载制度与量测内容首先采用2 500kN 液压千斤顶在试件顶施加竖向压力，试验过程中保持不变;然后采用1 000kN 液压千斤顶施加往复水平力，先加推力，后加拉力，分别称为正向加载和反向加载。各试件施加的竖向压力 N 及对应的轴压比设计值 nd列于表 3。试件屈服前，采用水平力控制并分级加载，每级水平力往复一次;试件屈服后，采用水平位移控制加载，每级位移往复两次。YW1-1 力控制的水平力为 50，150 和200kN，位移控制的水平位移为 11，15，20，25，30 和46mm;YW1-2 和 YW1-3 的加载制度相同，力控制的水平力为 50，150 和 200kN，位移控制的水平位移为15，20，25，30 和 46mm。主要测量内容包括:竖向力、水平力、水平位移和钢筋应变。各试件位移计的布置相同，在墙体中轴线从上至下共布置了 7 个位移计(图 2)。最高处的位移计布置在加载梁的中线上，距墙底2 795mm，其实测值为位移控制加载的目标位移;地梁上设置了 1 个位移计，与墙体的位移计布置在同一条直线上，用以测量地梁的平动。用应变片测量竖向钢筋的应变:YW1-1 和 YW1-3 地梁顶面上方 20mm 布置应变片;YW1-2 每个套筒的上下两根钢筋上都布置了应变片，分别位于地梁顶面上方 20mm 和套筒上方 20mm，竖向分布钢筋距地梁顶面 520mm 布置应变片。用 IMP 数据采集系统采集、记录试验数据;同时测绘裂缝分布。图 2试件位移计布置图2破坏过程和破坏形态各试件的破坏过程相似。力控制的第 2 级加载(最大水平力 150kN)过程中，水平力为 80kN 左右时，距墙底 700mm 左右位置出现水平裂缝;力控制的第 3 级加载(最大水平力 200kN)过程中，水平力为 110kN 左右时，墙底与地梁上的座浆之间开裂，预制墙出现新的水平裂缝，原有水平缝延伸，并斜向发展;位移控制的第 1 级加载(最大水平位移YW1-1为 11mm，YW1-2 和 YW1-3 为 15mm)过程中，墙底图 3试件破坏后的照片及裂缝分布水平缝发展为通缝;最大水平位移为 25mm(位移角1/112)级加载过程中，预制墙根部两端出现竖向裂缝;最大水平位移为 46mm(位移角 1/61)级加载过程中，3 个试件墙底与座浆之间裂缝宽最大分别达5，3 和 10mm;试验结束时，墙底两端混凝土轻微压碎脱落。试件破坏后照片和裂缝分布如图 3 所示。与文 1 试件破坏后的裂缝相比有所不同:文 1 试件墙底两端套筒高度范围内混凝土压碎，套筒上方的水平裂缝为主要裂缝;本文试件墙底两端混凝土压坏不严重，墙底与座浆之间的水平裂缝为主要裂缝。各试件的破坏形态为压弯破坏，预制墙以水平裂缝及水平缝延伸的斜裂缝为主，裂缝宽度不大，墙底与座浆之间的水平裂缝贯通墙长，裂缝较宽。3试验结果及分析3.1 滞回曲线和骨架曲线试件的顶点水平力 F-位移 滞回曲线和骨架曲线 见 图 4(水 平 位 移 测 点 距 基 础 梁 顶 面 2 795mm)。3 个试件的滞回曲线均较饱满，捏拢不严重。除 YW1-3 反向加载外，其余在试验结束前，随位移增大能稳定地保持水平力。从骨架曲线可见，各试件初始刚度基本相同，YW1-1 和 YW1-3 的骨架曲线基本 重 合，YW1-2 的 最 大 水 平 力 略 小 一 些。除YW1-3 反向加载外，试验结束时水平力尚未下降。3.2 承载力表 3 为各试件开裂水平力 Fcr、屈服水平力 Fy41第 41 卷 第 2 期张微敬，等.竖向分布钢筋单排连接的预制剪力墙抗震性能试验图 4试件顶点水平力 F-位移 滞回曲线及骨架曲线试件不同状态时的水平力/kN表 3试件编号FcrFyFp正向反向平均正向反向平均正向反向平均FmYW1-180.9108.794.8201.2150.7176.0271.5213.9242.7204.1YW1-280.270.175.2179.2165.3172.3225.1204.3214.7197.1YW1-379.8106.493.1204.3179.6192.0262.5220.5241.5194.7和峰值水平力 Fp。开裂水平力为试验观察到的第 1条裂缝对应的水平力;屈服水平力为名义屈服点对应的水平力，名义屈服点采用几何作图法从水平力-位移骨架曲线上确定;峰值水平力为最大水平力。表 3 还 列 出 了 按混 凝 土 结 构 设 计 规 范(GB500102002)2计算得到的试件受压承载力所对应的水平力 Fm。计算时，钢筋取实测屈服强度，混凝土轴心抗压强度取 0.76 fcu。试件峰值水平力试验值为计算值的 1.1 1.2 倍，说明竖向钢筋采用直螺纹套筒浆锚连接的预制剪力墙的受压承载力可以采用规范的公式计算。3.3 变形与延性定义顶点位移角 =/H，为试件顶点水平位移，H 为测点高度2 795mm;位移延性系数用=u/y计算，y和 u分别为试件名义屈服位移和极限点对应的顶点水平位移，由于水平力未下降，取试验结束时为极限点。表 4 列出了试件的开裂位移 cr(位移角 cr)、屈服位移 y(位移角 y)、峰值位移 p(位移角 p)、极限位移 u(位移角 u)和位移延性系数。结果表明:试件的极限位移角都远大于建筑抗震设计规范(GB500112010)3规定的剪力墙结构大震作用下的弹塑性位移角限值 1/120，试件的弹塑性变形能力满足规范要求。3.4 钢筋应变图 5 为试件 YW1-2 水平力 F-竖向钢筋应变 关系曲线。图 5(a)的应变为预埋在地梁的钢筋、地梁顶以上 20mm 处的应变，图 5(b)的应变为套筒上方 20mm 处预制墙内钢筋的应变，2 根钢筋通过直螺纹套筒浆锚连接。由图可见，两条滞回曲线形状基本相同;屈服后，两者拉应变均迅速增大，塑性变形发展充分;地梁顶以上 20mm 处的应变大于套筒上方 20mm 处的应变。说明竖向钢筋采用直螺纹套筒浆锚连接能有效传递应力。图 5(c)为预制墙内8 竖向分布钢筋、距地梁试件的变形能力表 4试件编号cr/mm(cr)y/mm(y)p/mm(p)u/mm(u)正向反向平均正向反向平均正向反向平均正向反向平均正向反向平均YW1-11.1(1/2 540)1.8(1/1 553)1.5(1/2 047)7.7(1/363)3.8(1/733)5.8(1/548)25.3(1/110)25.1(1/110)25.2(1/110)46.2(1/60)46.1(1/60)46.2(1/60)6.012.19.1YW1-21.0(1/2 795)1.0(1/2 795)1.0(1/2 795)6.8(1/411)7.8(1/358)7.3(1/385)20.0(1/140)30.1(1/93)25.1(1/117)46.1(1/60)46.2(1/60)46.2(1/60)6.85.96.4YW1-31.0(1/2 795)1.6(1/1 747)1.3(1/2 271)7.4(1/304)6.1(1/333)6.8(1/319)25.1(1/111)30.1(1/93)27.6(1/102)46.4(1/60)46.5(1/60)46.5(1/60)6.37.67.0图 5YW1-2 水平力 F-竖向钢筋应变 关系曲线51建筑结构2011 年图 6YW1-1 和 YW1-3 墙底截面竖向钢筋应变分布顶面 520mm 处的应变。该钢筋与图 5(a)，(b)所示的钢筋为间接搭接。该应变片与墙底截面的距离较大，钢筋未屈服，但滞回曲线的形状与图 5(a)，(b)弹性部分相似，可见，竖向分布钢筋采用间接搭接能有效传递应力。图 6 为 YW1-1 和 YW1-3 不同状态时墙底截面(距地梁顶面 20mm)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;屈服后，两端受拉竖向钢筋应变发展快，位移达 2 倍屈服位移时钢筋应变已不符合平截面假定。3.5 刚度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 K，图 7 为试件顶点水平位移与等效刚度关系曲线，即等效刚度退化曲线。结果表明，各试件的等效刚度退化曲线基本重合，名义屈服前等效刚度下降快，随位移的增大等效刚度衰减趋缓。表 5 列出了各个试件开裂等效刚度 Kcr、屈服等效刚度 Ky、峰值等效刚度 Kp和极限等效刚度 Ku实测值。试件等效刚度/kN/mm表 5试件编号KcrKyKpKuYW1-159.939.710.75.7YW1-266.926.66.84.6YW1-364.629.37.34.5图 7试件等效刚度-水平位移关系曲线3.6 耗能能力图 8 为试件耗能和等效粘滞阻尼系数与水平位移 4关系图。由图 8(a)可见，随着水平位移的增图 8试件耗能和等效粘滞阻尼系数与水平位移关系曲线大，试件耗能均有所增大;YW1-3 的耗能略大于YW1-1 和 YW1-2。从图 8(b)可见，屈服前各试件等效粘滞阻尼系数随水平位移的增大而减小，屈服后随位移的增大而增大;试件的等效粘滞阻尼系数为 0.2 0.5。表 6 为试件在墙顶位移为 46mm 时的耗能 E 及等效粘滞阻尼系数 he。总体上，YW1-2 的耗能和等效粘滞阻尼系数最小。试件的耗能能力表 6试件编号E/kNmheYW1-114.900.44YW1-213.520.40YW1-315.550.454结论由连接钢筋为单排、竖向分布钢筋与连接钢筋间接搭接的预制剪力墙试件的拟静力试验得到如下结论:(1)预制墙以水平裂缝及水平缝延伸的斜裂缝为主，墙底与座浆之间产生较宽的水平裂缝。试件的破坏形态为压弯破坏。(2)试件的峰值水平力试验值大于现行规范的计算值，可采用现行规范计算预制剪力墙的受压承载力。(3)试件的极限位移角达到 1/60。(4)预制剪力墙竖向分布钢筋采用本文建议的方法进行连接是可行的。参考文献1 钱稼茹，彭媛媛，张景明，等.竖向钢筋套筒浆锚连接的预制剪力墙抗震性能试验J.建筑结构，2011，41(2):1-6.2 GB500102002 混凝土结构设计规范S.北京:中国建筑工业出版社，2002.3 GB500112010 建筑抗震设计规范S.北京:中国建筑工业出版社，2010.4 JGJ10196 建筑抗震试验方法规程S.北京:中国建筑工业出版社，1996.61