装配式剪力墙结构新型连接节点的构造与抗震性能研究.pdf

第 47 卷 第 2 期 西安建筑科技大学学报（自然科学版） Vol.47 No.2 2015 年 4 月 J. Xian Univ. of Arch. 装配式剪力墙结构; 连接节点; 抗震性能 中图分类号中图分类号 P315.9 文献标志码文献标志码 A 文章编号文章编号1006-7930201502-0160-05 New node connection mode and seismic perance of precast concrete shear wall structure YU Zhiwu1,2, PENG Xiaodan 1,2, GUO Wei 1, 2, PENG Miaopei 1,2 1.School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China 2.National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China Abstract Precast structures has features of rapid construction, energy saving, and the precast shear wall structure fits the requirements of the housing industrialization perfectly. The connection technology of precast wall is the key constraints to using properties and seismic perance of the structure. This paper proposes a new node connection technology which can be applied to precast concrete shear wall connection. The seismic perance was researched and uated through the nodes statistic test and specimen low cyclic loading test and the new nodes connection was improved on an experimental basis. The results showed that the anchorage of this connection technology is reliable. On the basis of reasonable depth and design selection, the precast shear wall specimens with horizontal or vertical joint using the new node connection technology have equal seismic perance to cast-in-place specimens. Key words Housing industrialization; precast concrete shear wall; node connection; seismic perance 收稿日期收稿日期2014-10-27 修改稿日期修改稿日期2015-04-15 基金项目基金项目 国家自然科学基金项目 （50938008, 51108466） ； 长江学者和创新团队发展计划资助项目 （IRT1296） ； 中铁四局合作开发课题项目 （143010100） 作者简介 作者简介 余志武1955-, 男, 教授. 从事混凝土耐久性、组合结构、装配式剪力墙结构等研究．E-mailzhwyu 在创建“资源节约型、环境友好型”社会的大 背景下，从传统高污染、高能耗的手工作坊式建造 方式向环保节能的工厂化、标准化建造方式的转变 是建筑产业发展的必然要求，装配式结构是实现这 一目标的主力军[1]．装配式剪力墙结构具有装配式 建筑生产效率高、质量好、生态环保的特点，同时 结构竖直和侧向刚度均较大，房间内无梁、柱等突 出，适用于高层住宅建筑，符合“住宅工业化”的 发展要求，国内已经进行相关研究工作并展开了示 范和应用[2-3]． 装配式剪力墙结构中存在较多的水平接缝、竖 向接缝和节点，如何使得预制构件之间牢固连接成 为了制约结构整体性、承载能力、抗震性等性能的 关键．国外对装配式剪力墙连接技术的研究起步较 早， Sami H Rizkalla[4]等对采用抗剪键连接的水平接 缝装配式剪力墙抗剪承载能力的影响因素进行研 究，并根据试验数据归纳出抗剪键的受剪承载力计 算公式； Brian J. Smith[5]提出了采用普通钢筋和无 粘结预应力钢绞线连接的装配式剪力墙结构水平 缝连接方式，并在试验研究[6]中证明这种连接中普 通钢筋耗能，而预应力筋保持结构的承载力和自恢 复能力．相比国外将无后浇混凝土的“干连接”形 式作为研究重点，国内的研究主要集中在需要现场 湿作业拼装的装配式剪力墙结构接缝的“湿连 接”．朱张峰等[7]研究了预制装配式剪力墙结构中 间层边节点，包括墙板节点、墙梁节点、梁板节点 的抗震性能，并对节点钢筋连接进行探讨；姜洪斌 等[8,9]提出预制混凝土结构插入式预留孔灌浆钢筋 连接，在试验数据基础上给出了锚固长度的建议公 式，并对采用浆锚连接的预制剪力墙子结构进行拟 静力试验，研究其变形能力及刚度退化．钱稼茹等 [10]对预制墙体钢筋灌浆套筒连接的试件进行低周 反复荷载试验，结果表明结构耗能能力强，抗震性 能与传统现浇墙体相当．国内也有学者[11]进行了 第 2 期 余志武，等装配式剪力墙结构新型连接节点的构造与抗震性能研究 161 “干连接”的初步研究． 综合本文关于装配式剪力墙连接节点的调研， 目前提出的连接方式还存在着一些缺陷和不 足． “干连接”在国外应用较广泛，但在施工现场 需要张拉预应力筋，对操作精度要求高，质量较难 把控， 国内较少采用． 国内装配式剪力墙多采用 “湿 连接” ，包括灌浆套筒连接、浆锚搭接、预留孔连 接等，存在着施工操作复杂、施工成本高、对不同 受力条件的构件适应性差的不足．本文提出一种装 配式剪力墙新型连接节点U 型套箍连接， 属于 “湿 连接”的范畴，具有施工操作便捷、成本低、能适 用于不同条件下装配式剪力墙结构的特点．U 型套 箍连接的 U 型钢筋是由预制构件预留纵筋或分布 钢筋外露形成， 预制构件 U 型钢筋错位搭接形成套 箍，并在套箍平面内四角穿插垂直于平面的通长钢 筋，并浇筑混凝土实现预制剪力墙墙体的连接，节 点构造如图 1 所示． 图 1 装配式剪力墙新型连接节点构造 Fig.1 New connection node structure of precast concrete shear wall 1 装配式剪力墙中新型连接节点抗拔 性能试验 制作单个节点试件进行静力拉拔试验，获得节 点试件的抗拔力、U 型钢筋及混凝土的破坏形态， 据此来评价采用这种新型连接节点的装配式剪力 墙结构抗震性能，试件如图 2 所示．节点试件混凝 土块体尺寸为 330 mm200 mm300 mm， 实测混 凝土抗压强度 30.94 MPa，U 型钢筋弯折长为 130 mm．试验变量为钢筋型号及 U 型钢筋在混凝土块 中的埋深，试验所用钢筋 B8、B10、C14 为三种， U 型钢筋埋深变化范围为 40 mm 到 270 mm． 图 2 U 型套箍连接抗拔试验试件 Fig2 U-shaped ferrule connection pullout test specimens 试件的抗拔力[12]主要由 U 型钢筋竖直段与混 凝土的粘结力和水平段钢筋与混凝土块的挤压力 形成，由于试件水平段钢筋埋置长度相同，钢筋直 径对挤压力的影响较小，试件抗力主要由受埋深影 响的粘结力决定．试验开始时，混凝土内靠近表面 处钢筋应力值最大，应力随深度增加而减小；荷载 增加，近试件表面钢筋混凝土的粘结力首先发生破 坏，并沿 U 型钢筋竖直段发展．根据试验现象，节 点试件的破坏主要可分为 U 型钢筋外露段拉断和 混凝土拉裂 U 型钢筋拔出两种破坏形态， 如图 3 所 示． 若 U 型钢筋两根竖直钢筋的极限荷载小于试件 抗拔力，试件发生 U 型钢筋外露段拉断破坏，此时 钢筋发生颈缩现象，属于延性破坏；反之，则发生 不利于结构抗震的混凝土块拉裂的脆性破坏，U 型 钢筋没有显著屈服耗能，U 型钢筋被拔出．不同直 径钢筋试件对应的埋深破坏力试验曲线如图 4 所 示．据图 4 可得，在忽略个别试件因加载装置造成 错误的前提下， 增加 U 型钢筋的埋深能增加试件的 抗拔力，但当埋深增加到一定程度后，抗拔力的增 长曲线趋于平缓，这也启发我们在实际工程应用中， 要寻找一个经济合理的 U 型钢筋埋深． a 钢筋拉断破坏 b 钢筋拔出破坏 图 3 节点试件不同破坏形态 Fig.3 Different failure modes of node specimens 162 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报（自然科学版） 第 47 卷 a B8 钢筋试件抗拔力曲线 b B10 钢筋试件抗拔力曲线 c C14 钢筋试件抗拔力曲线 图 4 不同钢筋直径试件对应埋深-抗拔力曲线 Fig.4 Depth-pullout force curve of specimens with different reinforcements diameter 2 装配式剪力墙结构新型连接试件抗 震性能试验 在装配式剪力墙结构新型连接节点试验抗拔 力研究的基础上，为解决预制剪力墙连接技术问 题，分别对采用新型连接技术的水平缝剪力墙试件 和竖直缝剪力墙试件进行低周反复荷载试验，根据 试验结果对 U 型套箍连接方法的抗震性能进行评 价．试验制作试件共 3 个，原型为实体工程底部剪 力墙墙体，分别记为 SW1现浇试件、SW2带水平 缝试件、SW3带竖直缝试件．预制构件混凝土强 度等级为 C30，水平缝和竖直缝混凝土采用加入水 泥用量 5的膨胀剂的微膨胀混凝土，强度等级为 C35． 试验用荷载-位移双控制加载， 试件屈服前由荷 载控制加载，屈服后由位移控制加载，试件轴压比 为 0.3，试验加载装置如图 5 所示．试验研究的内 容包括试件的裂缝发展及试件破坏机理、试件内钢 筋应变的分布和位移分布、试件的变形能力及刚度 退化分析． 图 5 试验加载装置 Fig. 5 Loading device 3.1 试件裂缝发展及破坏形态 试验中，装配试件的裂缝开展情况及破坏形态 与现浇试件基本相同，3 个试件加载完成后的裂缝 分布如图 6 所示．3 个试件都经历了开裂阶段、屈 服阶段、塑性阶段及破坏阶段．加载初期，试件残 余变形小，处于线弹性阶段，装配试件的开裂荷载 要比现浇试件小，墙体与地梁连接处有微裂缝出 现．在往复荷载作用下，墙体屈服，从墙底往上出 现多条水平裂缝，剪力墙约束边缘构件钢筋屈 服．塑性阶段，试件损伤累积，裂缝不断出现，已 有裂缝斜向发展并逐步贯通形成主裂缝．破坏阶段， 都伴随墙体底部混凝土压溃，装配试件后浇带混凝 土裂缝分布密集，部分裂缝与预制构件裂缝相互贯 通，现浇试件破坏荷载大于装配试件．总的来看， 剪力墙试件边缘钢筋的屈服先于混凝土的压溃破 坏，试件的破坏形态都属于塑性破坏，具有较好的 延性． 比较 3 个试件裂缝分布，现浇试件 SW1 相对 于装配试件 SW2、SW3，其裂缝在底部墙高 1/2 的 范围内分布，而装配试件的裂缝分布范围主要集中 于底部墙高 1 /3 的范围内，形成了贯通的斜裂缝， 损伤累积效应不如现浇试件显著．装配试件破坏时， 由于新老混凝土结合面抗剪性能不佳，后浇缝处产 生贯通裂缝．实际使用应考虑在预制墙体的拼装面 设置剪力键或由人工凿毛改为水射流凿毛等方式 改善结合面抗剪性能． 3.2 装配试件钢筋应变分布和位移分布 试验时， 在后浇缝两端对应位置 U 型钢筋上布 置钢筋应变片，研究水平接缝处钢筋应变的传递情 况．图 7 为试件作动器作用对侧钢筋的应变曲线， 水平缝装配试件 SW2 接缝处上下钢筋应变变化趋 势相同，与现浇试件相似，差值基本恒定，说明 U 型套箍连接在试件屈服前能有效传递钢筋应力，传 力效果与现浇试件相近．图 8 为试件在开裂阶段、 屈服阶段、荷载峰值阶段位移沿墙高的分布图，在 开裂及屈服阶段，试件 SW2 的侧向位移较试件 SW1、SW2 大，由于水平接缝的存在使得试件刚度 减小；在荷载峰值阶段，试件 SW2、SW3 的侧向 位移均大于现浇试件 SW1； 装配试件各阶段位移沿 第 2 期 余志武，等装配式剪力墙结构新型连接节点的构造与抗震性能研究 163 墙高分布曲线基本呈线性，与现浇试件趋势相同，说明预制试件间协同变形能力良好，连接可靠． a 试件 SW1 b 试件 SW2 c 试件 SW3 图 6 试件裂缝分布 Fig.6 Crack distribution figures of the specimens a 现浇试件外侧钢筋应变 b 装配试件 SW2 外侧钢筋应变 图 7 试件钢筋应变的传递 Fig.7 Strain propagate of reinforcements in specimens a 开裂阶段位移分布 b 屈服阶段位移分布 c 极值阶段位移分布 图 8 试件位移沿墙高分布 Fig.8 The displacement distribution of specimens along the wall height 3.3 试件的变形能力和刚度退化比较 表 1 列出了试件正向加载时对应的屈服位移 1 、屈服位移角 2、极限位移 3 、极限位移角 4 和 位移延性系数 5 ，其中极限位移 3 和极限位移角 4 为试件加载到承载力最大值后，试验力下降至最大 承载力的 85时所对应位移及转角．结果表明装 配试件的延性比现浇试件差，但延性系数均大于 2.5，延性较好，极限位移角 4 均大于规范[13]限值， 符合规范要求．图 9 为试件的等效刚度退化曲线， 装配试件与现浇试件有相同的刚度退化趋势，但初 期裂缝出现较早，初始刚度低，前期刚度退化曲线 较陡，刚度退化块，后期刚度退化曲线与现浇试件 曲线基本重合，刚度性能表现与现浇试件接近． 表 1 剪力墙试件变形能力比较 Tab.1 Comparison of deation capacity of the shear wall specimen 试件编号1 2 3 4 5 SW1 11.051/261 42.8 1/71 3.68 SW2 13.7 1/211 35.9 1/84 2.62 SW3 11.9 1/254 41.8 1/72 3.53 4 新型连接节点的改进 由试验结果及图 9 对于试件刚度的分析，U 型 套箍连接应用于装配式剪力墙水平缝与现浇试件 表现相近，而用于装配式剪力墙竖直缝，试件的初 164 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报（自然科学版） 第 47 卷 始刚度显著降低，这是由于竖直缝后浇混凝土不密 实， 而 U 型套箍连接不能抵抗预制墙体之间挤压使 得接缝处混凝土开裂较早所致．为此，提出一种基 于 U 型套箍连接改进的新型连接方法，如图 10 所 示． 预制构件工厂化生产时将外露纵筋或分布钢 筋加工成 U 型， 在平行于 U 型水平段钢筋对应位置 处焊接水平加强钢筋，起限制穿插通长钢筋相对移 动的作用，具体尺寸依据后浇缝宽度及结构受力情 况拟定．预制构件吊装就位，外露 U 型钢筋相互搭 接形成套箍，穿插垂直于套箍平面的通长钢筋．改 进型 U 型套箍连接在不影响施工便捷性， 不明显增 加成本的前提下，提高了节点连接性能，节点能较 好地抵抗预制构件之间的挤压力． 图 9 试件等效刚度退化曲线 Fig9 Equivalent stiffness degradation curve of specimens 图 10 改进 U 型套箍连接构造图 Fig.10 Structure diagram of improved U-shape ferrule connection 5 结论 本文提出一种装配式剪力墙结构的新型节点 连接构造-U 型套箍连接， 通过节点连接的静力试验， 研究钢筋、混凝土及钢筋混凝土粘结破坏的形态， 分析 U 型钢筋直径及埋深对试件抗拔力的影响； 通 过试件的低周反复荷载试验，研究试件裂缝发展及 破坏形态、钢筋应变分布及试件位移分布、变形能 力及刚度退化，据此评价新型节点连接的抗震性能， 并基于试验结果提出了一种改进型的 U 型套箍连 接，得到如下结论 1 U 型钢筋锚固破坏形态主要有两种 钢筋拉 断和混凝土块拉裂． 2 适当增加 U 型钢筋的埋深能显著提高节点 抗拔力， 避免混凝土拉裂； 当埋深达到一定程度后， 节点发生钢筋拉断， 抗拔力将转由 U 型钢筋型号决 定度． 3 采用新型节点连接的装配试件发生破坏形 态为弯曲或近于弯剪的塑性破坏；在钢筋屈服前， 钢筋间传力效果良好；装配试件具有与现浇试件相 当的整体性、变形能力及耗能能力，连接的抗震性 能可靠． 参考文献 References [1] 秦亮, 王蕴. 适于建筑工业化的装配式结构体系[J]. 工 业建筑, 2006 S1518-1521. QING Liang, WANG Yun. Precast structure systems suitable for industrial construction. [J]. Industrial Construction, 2006 S 1518-1521. [2] 黄小坤, 田春雨. 预制装配式混凝土结构的研究进展 [J]. 住宅产业, 2010 9 28-32. HUANG Xiaokun, TIAN Chunyu. Research progress of precast concrete shear wall [J]. Journal of Housing Industry, 20109 28-32. [3] 张锡治, 李义龙, 安海玉. 预制装配式混凝土剪力墙结 构的研究与展望[J]. 建筑科学, 2014, 301 26-31. ZHANG Xizhi, LI Yilong, AN Haiyu, Present Research and Prospect of Precast Concrete Shear Wall Structure[J]. Building Science, 2014, 301 26-31. [4] RIZKALLA Sami H, SERRETTE Reynaud L, HEUVEL J Scott. Multiple Shear Key Connections for Preeast Shear Wall Panels[J]. PCI Journal, 1989, 342 104-120. [5] SMITH Brian J, KURAMA Yahya C. Design of Hybrid Precast Concrete Walls for Seismic Regions [J]. Journal of Structure Engineering, 2003, 129 3 286-296. [6] SMITH Brian J, KURAMA Yahya C, MCGINNIS Michael J. Behavior of Precast Concrete Shear Walls for Seismic Regions Comparison of Hybrid and Emulative Specimens [J]. Journal of Structural Engineering, 2013, 13911 1917-1927. [7] 朱张峰, 郭正兴. 预制装配式剪力墙结构节点抗震性 能试验研究[J]. 土木工程学报, 2012, 451 69-76. ZHU Zhangfeng, GUO Zhengxing. Seismic test and analysis of joints of new precast concrete shear wall structures [J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45 1 69-76. [8] 姜洪斌, 张海顺, 刘文清, 等. 预制混凝土结构插入式 预留孔灌浆钢筋锚固性能[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2011, 434 28-31. JIANG Hongbin ,ZHANG Haishun, LIU Wenqing et al. Experimental study on plug-in filling hole for steel bar anchorage of the PC structure[J]. JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY, 2011, 434 28-31. （下转第 191 页）