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第 33 卷第 8 期 Vol.33 No.8 工 程 力 学 2016 年 8 月 Aug. 2016 ENGINEERING MECHANICS 52 收稿日期2014-11-18；修改日期2016-06-12 基金项目 国家自然科学基金青年基金项目51308289； 江苏省高校自然科学研究面上项目13KJB560005； 江苏省博士后科研资助计划项目1301025A 通讯作者朱张峰1985，男，江苏泰兴人，讲师，博士，主要从事装配式混凝土结构方面的研究E-mail zzfking2210. 作者简介郭正兴1956，男，江苏南通人，教授，硕士，东南大学土木工程施工研究所所长，主要从事大跨空间钢结构与装配式混凝土结构 方面的研究E-mail guozx195608； 汤 磊1977，男，江苏南京人，博士生，主要从事装配式混凝土结构方面的研究E-mail liuyinyin2005. 文章编号1000-4750201608-0052-06 不同无粘结长度新型混合装配式 混凝土剪力墙抗震性能试验 朱张峰 1，郭正兴2，汤 磊2 1. 南京工业大学土木工程学院，江苏，南京 211816；2. 东南大学土木工程学院，江苏，南京 210096 摘 要新型混合装配式混凝土剪力墙综合应用预制墙肢中部设置的无粘结预应力筋及局部无粘结竖向浆锚钢 筋，以进一步提高墙体抗裂性能、改善墙体变形恢复能力及延缓钢筋屈服，从而改善其抗震能力。为验证新型混 合装配式剪力墙的抗震能力，制作足尺试件并进行拟静力抗震性能试验。试件设计考虑了 3 种浆锚钢筋无粘结长 度，以探索无粘结长度设置对墙体抗震能力的影响。试验结果表明相较现浇对比试件，新型混合装配式剪力墙 试件抗裂性能、承载力、刚度均明显提高，位移延性性能接近，耗能能力有所降低；同时，随着无粘结长度增大， 试件屈服强度增大，极限强度降低，开裂荷载与残余变形基本无影响。综合对比来看，无粘结长度为 150 mm 的 装配式试件表现出相对较好的抗震性能。 关键词预制混凝土；剪力墙；混合装配；抗震性能；无粘结长度 中图分类号TU398.2; TU352.11 文献标志码A doi 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.0972 EXPERIMENT ON SEISMIC PERANCE OF NEW HYBRID-ASSEMBLING PRECAST CONCRETE SHEAR WALLS WITH VARIOUS UNBONDED LENGTHS ZHU Zhang-feng1 , GUO Zheng-xing2 , TANG Lei2 1. College of Civil Engineering, Nanjing TECH University, Nanjing, Jiangsu 211816, China; 2. School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing, Jiangsu 210096, China Abstract New hybrid-assembling precast concrete shear wall NHPW, utilizing the combination of partially unboned of grouting-anchoring overlapping reinforcement and unbounded posttensioned connection, has the improved seismic perance by enhancing the crack resistance perance, displacement restoring capacity and yielding property. Low-frequency-cyclic loading experiments were carried out on one cast-in-situ and three NHPW specimens with different unbonded length of grout-anchored overlapping reinforcements. Compared with cast-in-situ specimen, the NHPW specimens have improved anti-cracking ability, strength and stiffness while the displacement ductility is similar, and the energy-dissipating capacity decreases. With the increase of unbounded length, the specimen’s yield strength increases, the ultimate strength decreases while the anti-crack force and residual displacement remain unchanged. In general, the NHPW specimen with 150 mm unbonded length shows relatively better seismic perance. Key words precast concrete; shear wall; hybrid assemble; seismic perance; unbonded length 工 程 力 学 53 装配式混凝土剪力墙结构具备了预制混凝土 技术与剪力墙结构的多种优点，尤其适用于我国面 大量广的住宅建筑中。在我国建筑工业化的大力推 动下，国内涌现了多种装配式混凝土剪力墙技术体 系，形成了多种剪力墙构件连接节点，同时，考虑 到我国为地震多发国家，装配式混凝土剪力墙构件 的抗震性能成为当前主要的研究内容，国内针对竖 向钢筋套筒浆锚连接、半装配式工字形截面剪力墙 抗震性能、预制混凝土插入式预留孔灌浆钢筋搭接 性能、装配整体式双向孔空心模板剪力墙抗剪性能 及基于金属波纹管浆锚钢筋搭接连接的装配式混 凝土剪力墙构件及剪力墙、连梁组合的平面模型抗 震性能开展了大量相关试验及理论研究，积累了大 量成果和经验[1 6]。 Kurama等[7 9]基于PRESSS研究计划推荐的 “后 张有阻尼干性连接技术” ，提出了混合装配式剪力 墙，试验证明其良好的耗能能力与变形恢复能力。 参考混合装配式剪力墙理念，基于我国现行 “等同现浇”理念，综合应用预应力压接技术、局 部无粘结浆锚钢筋间接搭接连接技术以及扣接封 闭箍筋技术，形成新型混合装配式混凝土剪力墙 New hybrid precast concrete shear wall，以下简称 NHPW[10]，其基本构造见图 1。 开展 NHPW 模型拟静力抗震性能试验，并将 NHPW 试件与现浇试件对比， 从强度、 刚度、 延性、 耗能能力及残余变形等方面综合评价 NHPW 的抗 震能力。试件设计考虑了浆锚钢筋无粘结长度的变 化，初步探讨该参数对其抗震能力的影响规律。 图 1 NHPW 构造简图 Fig.1 Structural sketch of NHPW 1 试验概况 1.1 试件制作 对 1 个现浇、3 个 NHPW 足尺试件进行试验， 试件制作均采用 C35 强度等级混凝土， 试件配筋均 a XJ1 试件设计详图 54 工 程 力 学 30 600 640 Lub600-Lub 3300 4260 1170 320 3203300 3300 320 17010140 640 150 290290 600 Lub600-Lub 27010360 640 30 150 Lub 600 600-Lub 200 3313433 b NHPW 试件设计详图 图 2 试件设计详图 Fig.2 Design details of specimens 采用 HRB400 钢筋。试件均为“一”字形剪力墙， 墙厚 200 mm，墙长 1700 mm，墙高 3300 mm，并按 照一级抗震8 度构造要求进行配筋设计，边缘构件 竖向钢筋 8 16， 箍筋 8100， 竖向分布钢筋 8 10， 水平钢筋 10200。其中，NHPW 墙肢及底座中部 预埋 75PVC 管，穿入 4 根 1860 级 15.2 钢绞线， 并通过特制锚具进行张拉、锚固；浆锚钢筋通过包 裹塑料薄膜的方式分别设置 150 mm、200 mm 及 250 mm 长无粘结段图 2b中 Lub；边缘构件采用 8100 扣接封闭箍筋。试件设计详图见图 2。 按照试件类型不同及浆锚钢筋无粘结长度递 增顺序， 各试件编号依次为 XJ1、 NHPW1NHPW3。 1.2 试件加载 试件与试验室地面之间通过8根施加了200 kN 预紧力的 32 精轧螺纹钢进行压紧锚固。试件竖向 荷载通过张拉试件两侧体外钢绞线束实现，实测张 拉力为 946.3 kN，换算轴压比为 0.2。试件水平荷 载通过 1000 kN 液压伺服控制系统MTS施加。试 件两侧增设 4 片三角形型钢支架， 并设置限位滑轮， 防止试件倾斜或扭转。 试验加载简图及照片见图 3。 图 3 试验加载简图及照片 Fig.3 Loading diagram and site photo 试验加载采用力和位移双控的加载制度，力加 载阶段每级循环 1 次，确定试件开裂及竖向钢筋首 工 程 力 学 55 次屈服的屈服荷载；位移加载阶段每级循环 3 次， 并按位移增量 23 mm 进行加载， 以便于数据对比分 析；规定 MTS 外推为正、内拉为负。 2 试验结果分析 2.1 试验关键数据 试验实测试件的开裂、屈服及峰值荷载及位移 加载等级情况见表 1。 表 1 试验关键数据 Table 1 Key data of test 项目 XJ1 NHPW1 NHPW2 NHPW3 开裂荷载/kN 225 300 300 300 屈服荷载/kN 475 500 550 575 峰值荷载/kN 685 864 839 794 位移加载等级情况 4 4 4 4 从表 1 可以看出，由于预压应力作用，NHPW 试件较现浇试件开裂延迟，同时由于预应力筋贡 献，峰值荷载明显提高。无粘结长度增大，试件屈 服荷载逐渐提高，开裂荷载及位移循环变化不明 显，极限荷载则逐渐降低，说明增大无粘结长度可 有效延缓钢筋屈服，但在同等级位移荷载作用下， 无粘结长度越长，钢筋进入强化段程度越低，钢筋 应力越小，表现为试件极限荷载越低。 2.2 滞回曲线与骨架曲线 各试件都以受拉侧钢筋拉断导致承载力降低 而破坏，其破坏形态见图 4。其中，XJ1 表现为弯 剪破坏形态，而 NHPW 试件虽在墙肢端部出现了 较短的水平裂缝，但由于墙肢中部无粘结预应力筋 的设置及预应力施加提供的附加竖向压力作用，使 NHPW 试件墙体竖向应力增加， 使其主应力方向更 为偏离水平方向，形成了更明显的斜裂缝，造成试 件整体稍倾向于剪切破坏形态。同时，由于 NHPW 试件浆锚钢筋设置了无粘结段，裂缝整体远离拼 缝，但由于混凝土材料的离散性及制作误差的影 响，偏移距离与浆锚钢筋无粘结长度之间没有明显 的规律性。 a XJ1 b NHPW1 c NHPW2 d NHPW3 图 4 试件破坏形态 Fig.4 Failure modes of specimens 各试件滞回曲线与骨架曲线见图 5，各试件滞 回环形状基本相同，均为有轻微捏缩的反“S”型。 NHPW 试件承载力均较 XJ1 试件有所提高， 且残余 变形也较 XJ1 试件小，因而捏缩效应也稍明显。各 试件骨架曲线走势基本接近，屈服后曲线基本接近 水平，加载后期试件承载力降低缓慢。 a 滞回曲线 b 骨架曲线 图 5 试件滞回曲线与骨架曲线 Fig.5 Hysteretic curves and skeleton curves of specimens 2.3 刚度退化 试件刚度采用割线刚度表征，各试件在开裂、 屈服及各位移加载阶段的刚度退化情况见图 6。从 中可以看出，在各加载阶段，由于预应力钢绞线提 供的刚度及预压力的有利作用，NHPW 试件较 XJ1 试件刚度均有所提高，屈服后直至 2阶段由于 NHPW1NHPW3 设置了不同无粘结长度，其刚度 存在离散， 进入 2阶段后， 无粘结长度的影响基本 消失，各 NHPW 试件表现出非常接近的刚度特性。 56 工 程 力 学 图 6 刚度退化曲线 Fig.6 Stiffness degradation curve 2.4 耗能能力 试件能量耗散能力采用等效粘滞阻尼系数来 表征，计算方法见文献[11]，各试件在位移加载阶 段的等效粘滞阻尼系数变化曲线见图 7。从中可以 看出，直至 1 阶段，NHPW 试件耗能能力与 XJ1 试件基本相当。进入 2 阶段后，NHPW 试件耗能 能力较现浇试件逐渐降低，且差距不断增大，相对 而言无粘结长度最小的 NHPW1 表现较好。分析认 为，试验加载后期主要靠普通钢筋屈服耗能， NHPW1 由于钢筋无粘结长度最小，钢筋应力变化 最接近 XJ1 试件，因此，NHPW1 在加载后期较其 他 NHPW 试件耗能表现稍优。 图 7 试件等效粘滞阻尼系数 Fig.7 Equivalent viscous coefficients of specimens 2.5 残余变形 各试件在屈服及位移加载阶段的残余变形变化 曲线见图 8。从中可以看出，NHPW 试件曲线均被 XJ1 试件包络，实现了残余变形减小效果，且随着 位移加载等级增大，预应力钢绞线的弹性变形增大， 其回弹力逐渐增大，因而，其位移恢复效应越明显。 3 浆锚钢筋无粘结长度对 NHPW 抗震能力影响 在 NHPW 试件设计与制作中，通过改变浆锚 钢筋的局部无粘结长度， 探讨无粘结长度对 NHPW 图 8 试件残余变形 Fig.8 Residual displacement of specimens 试件刚度、强度及变形恢复能力的影响。为便于分 析，同时将 XJ1 试件的相关数据进行比较。 3.1 对刚度的影响 对于开裂刚度及屈服刚度，各试件的对比情况 见图 9。从中可以看出，由于 NHPW 试件预应力钢 绞线的贡献及预压力的有利作用，其弹性刚度较 XJ1 试件明显提高，同时，由于无粘结段的设置， 有效延缓了钢筋屈服， 使其屈服刚度高于XJ1试件。 但无粘结长度对弹性刚度与屈服刚度的影响规律不 一致，随着无粘结长度增大，弹性刚度先增后降， 而屈服刚度则始终呈下降趋势。 图 9 试件刚度对比 Fig.9 Comparison of specimens’ stiffness 3.2 对强度的影响 将各试件相关荷载数据进行比较并绘制到图 10 中，从中可以看出，NHPW 试件开裂、屈服及 峰值荷载均较现浇试件明显提高。随着无粘结长度 增大，开裂荷载没有影响，屈服荷载逐渐增大，而 极限荷载逐渐降低。 图 10 试件强度对比 Fig.10 Comparison of specimens’ strength 工 程 力 学 57 3.3 对变形恢复能力的影响 根据图 8 各阶段试件残余变形， 求出各试件正、 反向残余变形绝对值之和的平均值的最大值，并将 其示于图 11 中。从中可以看出，NHPW 试件最大 残余变形明显小于 XJ1 试件，无粘结长度对残余变 形基本无明显影响，说明变形恢复能力主要取决于 预应力钢绞线的弹性力。 图 11 试件残余变形对比 Fig.11 Comparison of specimens’ residual displacement 4 结论 对 1 个现浇试件与考虑不同无粘结长度的 3 个 NHPW 试件进行了拟静力抗震性能试验， 根据试验 结果，得出以下主要结论 1 NHPW 试件的开裂荷载、屈服荷载、峰值 荷载及弹性刚度分别较现浇试件最小增大 33、 5、16和 9。各试件滞回环形状基本相同，但 破坏形态有所差异，NHPW 试件更偏向于剪切破 坏，其耗能能力较现浇试件有所降低，各加载阶段 等效粘滞阻尼系数最小为现浇试件的 74。NHPW 试件残余变形小于现浇试件，最大可降低为现浇试 件的 43，具有良好的变形恢复能力。 2 对于设置了不同无粘结长度的 NHPW 试 件，随着无粘结长度增大，试件屈服荷载增大，峰 值荷载降低，开裂荷载与残余变形基本无影响。 3 根据无粘结长度对抗震性能各方面特性的 影响规律分析，可以发现 NHPW1 试件较其他 NHPW 试件表现出较优的承载力、刚度及耗能特 性，可作为推荐方案。 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, 412 16. 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