装配式双钢套管内置高强混凝土组合剪力墙及其试验验证
时间：2023-06-16 21:20:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
补国斌, 齐超文, 周 靖, 文 俊, 王 颖, 汪 恒
(1. 湖南工业大学, 湖南 株洲 412007; 2. 华南理工大学, 广东 广州 510640)
传统装配式混凝土(Precast Concrete,PC)剪力墙的受力和抗震性能取决于其竖向钢筋的连接形式、构造以及具体的施工方法与质量,因其施工难度高、形式复杂、施工质量控制不易、建造的高度受到限制,已经不能完全满足现代大中型城市快速发展的要求。在城市建设进程中,高层建筑结构体系的发展是社会进步和经济飞速发展的趋势,解决建筑的预制装配化已经成为目前高层建筑发展的必然要求。据统计,新加坡、日本等发达国家装配式结构的发展无论是在建造水平还是建造规模上已经达到了很高的水平,其中日本混凝土建筑的装配式层高已达58层,美国、德国等国家有接近三成的高层建筑是装配式。钢管混凝土组合剪力墙在不断创新中发展进步,逐渐成为一种新型剪力墙形式,因其具有较高承载力和抗震性能受到众多学者的关注,但目前主要是以现场浇注的方式出现在高层建筑结构中,尚未被完全装配化和大规模应用。世界各地的学者虽然对各种传统形式的混凝土剪力墙的力学和变形特性及其抗震性能做了大量研究工作[1-4],但针对钢管混凝土组合形成的剪力墙的抗震响应和设计方法研究工作相对较少[5]。Dan等[6]、钱稼茹等[7]、纪晓东等[8]通过试验研究了约束边缘构件和墙肢内置高强混凝土芯组合而成的剪力墙的抗震能力。方小丹等[9]研究了钢管内置高强混凝土剪力墙试件的推覆试验,发现钢管混凝土剪力墙的强度和延性对于高轴拉力工况的反应并不敏感。任重翠等[10]针对剪力墙的拉-弯-剪滞回性能进行试验,发现试件的破坏模式对于轴拉力的改变比较敏感。
综上所述,研发能有效提升PC结构抗震性能、具有施工便捷性和良好经济性的新型装配式组合剪力墙是当前PC结构研究领域的前沿问题之一。本研究在传统现浇钢管混凝土组合剪力墙的基础上,提出一种新型的装配式双钢套管内置高强混凝土(Fabricated Double Steel Tube-encased and High Strength Concrete-filled,FDSHC)组合剪力墙构件,并通过压-弯-剪和拉-弯-剪滞回性能试验系统地验证其抗震性能,发现其与传统的PC剪力墙结构构件相比,具有“易装配、高承载、低成本”的优势,有望为建筑工业化和装配式建筑结构体系的发展进步提供新技术。
1.1 FDSHC组合剪力墙及其装配方法
FDSHC组合剪力墙包括带内外双钢管的预制混凝土墙体、管内高强混凝土、叠合楼板等几个主要部分(图1)。其中,预制混凝土墙体内预设外钢管和内钢管,外钢管部分伸出混凝土墙的底部和顶部,内钢管为多层贯通式。其装配过程为:(1)将首层预制混凝土墙下部外钢管的伸出部分埋入钢筋混凝土基础内,让混凝土墙体固定于基础;(2)将上层预制混凝土墙下部伸出的外钢管套入贯通的内钢管,引导安装上层墙体,上下层外钢管接合处可焊接,也可不焊接;(3)将环向螺栓贯穿于两层墙体之间的内外钢管,防止钢管的轴向和环向相对运动;(4)将预制楼板与预制墙体进行连接,在楼板与上层墙体的间隙间浇筑混凝土,完成坐浆层施工;(5)每完成2～3层,向内钢管浇筑高强混凝土;(6)依此进行循环,完成多层预制混凝土墙体的安装。
图1 FDSHC组合剪力墙的构造Fig.1 Structure of FDSHC composite shear wall
1.2 FDSHC组合剪力墙的特点与优势
易装配:“部分现浇”内嵌的钢管及其内置的高强混凝土(砼)芯连接上下两层预制普通混凝土墙体,是连续无削弱的主体,也可以作为预制普通混凝土墙体的定位和安装引导;钢管可以代替部分竖向连接钢筋,极大地简化施工建造流程,并且可以保障预制混凝土剪力墙的施工质量。
高承载:内嵌钢管混凝土(砼)芯不仅能够极大地增强剪力墙水平接缝连接的抗剪和抗拉能力,还能够有效提升混凝土墙体的整体装配性能和面外的抗压稳定性,确保装配式混凝土剪力墙具有良好的延性和变形能力。这使得混凝土预制墙体的强度和刚度不出现突变,同时能够有效利用内置钢管高强混凝土芯柱剪力墙强度大的优点,提高装配式剪力墙结构的建造高度。
低成本:易装配的特性与连接方式使得该新型组合剪力墙结构构件的施工效率得到极大提高,施工和建造成本得到快速降低;高承载则意味着建造过程可以不拘泥于现在使用的砼剪力墙设计标准或规程,即实现了对高厚比、轴压比等抗震性能指标的适当放松,并且可以有效减轻自身重力,降低构件在地震作用下的抗震需求。同时,一定程度上还可以减小房屋内墙体的面积占用比例,有效提高实际得房率。
按试验标准[11]设计6个两层FDSHC组合剪力墙试件,编号依次为CW1～CW6。各试件的构造、尺寸、施工方法均相同,墙体为矩形截面,截面宽度720 mm,厚度120 mm,层高1 000 mm。一、二层墙体的广义剪跨比分别为2.86和1.65,配筋和构造的基本情况如图2所示。试件CW1～CW6考虑5个参数的变化:轴压比nc、钢管混凝土截面含量比ξ、截面含钢率ρs(%)、平面外偏心距e、外钢管是否焊接。试验加载制度如图3所示。测试轴压比保持不变,一、二层加载点按1∶2的比例施加水平荷载,当试件达到屈服后(以首层墙体底部外侧受拉钢筋或钢管屈服为判据),位移加载则以屈服位移的倍数按逐级递增的方式进行,每个位移循环3次,直到双层钢管剪力墙遭到破坏。
试验结果表明,破坏主要集中在首层,二层墙体无明显的裂缝和破坏情况,因此仅给出首层墙体的破坏形态(图4)。由图4可知,墙体的失效模式表现为弯剪型复合破坏形式,当水平裂缝充分发展后墙体出现由于剪切产生的斜裂缝,裂缝发展充分且分布广。由于钢管混凝土芯柱的连接约束作用明显,且实验中所有试件均在平面内工作,未观察到预制混凝土墙体与后浇的坐浆层在平面内、外的相对错动变形。
从侧向力-第一层顶点位移滞回曲线看(图5),轴压比相对较大的试件CW2的峰值荷载也相对较大,当承载力(强度)达到峰值荷载后以相对较快的速度下降;当偏心率逐步增大时,滞回环的面积随之不断减小,滞回环捏拢效应也不断增强,耗能能力减弱。另外,钢管混凝土的抗压弯特性得到了很好的发挥,装配墙体面外截面含量比和外钢管是否焊接的影响不明显;各试件未出现平面外失稳,表明钢管混凝土芯柱在平面稳定性和装配整体性方面表现良好。
图2 试件尺寸及钢筋构造(单位:mm)Fig.2 Dimensions and reinforcement details of specimens (Unit:mm)
图3 加载制度Fig.3 Loading scheme
由第2节压-弯-剪试验结果得知,墙体破坏主要集中在首层，因此拉-弯-剪试验仅设置单层开展研究,在满足试验目的的同时尽可能节约试验成本。本次拉-弯-剪试验一共设计了6个单层FDSHC组合剪力墙试件,编号为TW1～TW6,截面尺寸和配筋信息同图2中的一层墙体,仅加载梁不同:预制混凝土剪力墙下层加载梁的高度为750 mm,宽度为500 mm。试件TW1～TW6考虑了轴拉比nt、钢管混凝土截面含量比ξ、截面含钢率ρs、平面外的偏心距e四个不同参数的变化。加载方式和过程与压-弯-剪滞回性能试验类似(图3),仅将轴向压力变为恒定的轴向拉力。
图4 压-弯-剪试件破坏形态Fig.4 Failure mode of compression-bending-shear specimens
图5 侧向力-第一层顶点位移滞回关系曲线Fig.5 Hysteretic curves of lateral force versus top displacement of the first story
试验结果表明,剪力墙试件的破坏形式表现为弯剪复合破坏(图6)。试件TW1、TW2、TW5的破坏形态类似,表现为随轴拉比增大,水平方向裂缝和斜裂缝出现较快,且混凝土被压溃的破坏形态更早地出现在墙趾处。试件TW4的钢管混凝土截面含量比TW1小,导致其破坏形式相比TW1无论是在水平裂缝和剪切斜裂缝的出现与发展,还是在破坏时的混凝土压溃状况都相对更早、更严重。由试件TW3的破坏形态可知,当试件存在较大的偏心距时水平裂缝会更早地出现在加载初期。在拉、剪及平面外受弯的复合作用下,试件TW3未出现平面外失稳,由此可见墙体内置钢管与高强混凝土组合而成的芯柱抵抗了来自平面外的弯矩,由此可见所提结构施工和构造的优越性。
图6 拉-弯-剪试件破坏形态Fig.6 Failure mode of tension-bending-shear specimens
从侧向力-顶点位移滞回曲线看(图7),对于试件TW1、TW2和TW5,峰值荷载随轴拉比的增大而降低,但承载力在下降段明显变缓,且试件达到破坏状态时所对应的位移也明显增大。由此不难看出,试件的初始轴拉力与抗剪承载力在一定范围内呈负相关,但给试件适当的轴拉力后其变形能力会有所提升。试件TW4的峰值荷载相对TW1小,当其达到破坏状态时受拉钢筋会被拉伸屈服,导致荷载-位移曲线陡降,最终达到破坏时的侧向位移较TW1有所增大。这说明剪力墙构件的抗剪承载力大小与钢管内混凝土含量比和截面含钢率呈正相关,但是构件达到破坏时的变形能力却与之呈负相关。试件TW3的峰值荷载相对TW1小,由此可见面外偏心会导致构件抗剪承载力降低，达到峰值后承载力下降缓慢,可见内置钢管混凝土芯可以给构件带来很好的抵抗平面外拉弯的能力。以上结论说明双套管剪力墙有良好的面外稳定性和极佳的整体性,可较好地解释试验现象。试件TW6为高轴压比(0.8)的压-弯-剪滞回试验试件,与拉-弯-剪滞回试验相比,TW6的滞回环为梭形,更加饱满。同时，TW6的初始抗侧刚度大,峰值荷载最大,但荷载达到峰值后试件的承载力便开始迅速下降,因此TW6达到破坏状态时的变形最小。这证明在轴压比较大的条件下,FDSHC组合剪力墙在压-弯-剪复合作用工况下的抗剪强度大,但峰值点之后强度劣化快,延性能力及变形特性有明显的降低。
图7 侧向力-顶点位移滞回关系曲线Fig.7 Hysteretic curves of lateral force versus top displacement
本文提出和分析了一种新型的装配式双钢套管内置高强混凝土(FDSHC)组合剪力墙,并通过压-弯-剪和拉-弯-剪滞回试验验证了其优越的抗震性能,得到如下结论:
(1) 试验结果证明,FDSHC组合剪力墙的峰值荷载较大,试件在经历峰值承载力之后,由于有钢套管和内置高强混凝土的作用,下降段较长且走势平缓,表明构件具有较好的塑性变形能力和延性性能,并表现出了良好的装配整体性和等同现浇的抗震性能。
(2) 与传统PC剪力墙构件相比,FDSHC组合剪力墙施工简单,竖向连接可靠,施工工期短,大部分构件可以在工厂内进行标准化大规模批量生产。且该剪力墙本身力学性能好,平面外稳定性高,抗震性能好,抗剪承载力高,整体性好,有望为装配式高层建筑结构的发展和建筑工业化进步提供新技术。
致谢:本文的前期试验得到厦门合兴包装印刷股份有限公司的经费资助,在此表示感谢！
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