劉立平，余杰，廖東峰，劉及進(jìn)，鄧小華，李英民

(1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045；2.重慶長(zhǎng)廈安基建筑設(shè)計(jì)有限公司，重慶 401324；3.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 400013；4.重慶市設(shè)計(jì)院，重慶 400015)

裝配式鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)是一種比較容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的建筑結(jié)構(gòu)體系，主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)承載力與剛度較好[1]，現(xiàn)場(chǎng)施工效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，便于廣泛應(yīng)用。裝配式鋼筋混凝土剪力墻的上下墻片通過豎向鋼筋連接成為整體，按構(gòu)造形式不同可分為套筒漿錨連接、搭接漿錨連接、現(xiàn)澆段連接、混合連接、螺栓連接5類[2]，而豎向鋼筋的連接質(zhì)量直接決定了裝配式鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的受力和抗震性能。Soudki等[3-5]進(jìn)行了鋼筋機(jī)械連接、焊接連接、螺栓連接、軟鋼加固、后張無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋等不同連接形式的裝配式剪力墻試驗(yàn)，證明了上述連接方式應(yīng)用于地震區(qū)的可行性。錢稼茹等[6]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，豎向鋼筋采用套筒漿錨連接的裝配式鋼筋混凝土剪力墻具有很好的抗震性能，其壓彎承載力、剛度和耗能能力與現(xiàn)澆剪力墻相當(dāng)，其彈塑性變形能力滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。然而鋼筋混凝土剪力墻中鋼筋數(shù)量較多而直徑較小，裝配時(shí)，鋼筋連接工作量大，連接質(zhì)量不易保證。如果將鋼筋混凝土剪力墻的縱筋通過連接鋼筋進(jìn)行合并連接，則會(huì)減少連接鋼筋的數(shù)量，增加連接鋼筋的直徑，有利于提高鋼筋的連接質(zhì)量。張微敬等[7]通過3個(gè)試件的擬靜力試驗(yàn)，探討了預(yù)制剪力墻豎向分布鋼筋單排連接的可行性，但僅考慮了分布鋼筋的單排連接，且未給出連接鋼筋的布置建議。劉程煒等[8]通過研究發(fā)現(xiàn)，在低軸壓比下，半裝配式單排配筋剪力墻具有較好的承載力和耗能能力,但目前還沒有裝配式剪力墻縱筋合并連接方面的研究成果。本文針對(duì)雙面配筋的鋼筋混凝土剪力墻，采用理論、試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，分析縱筋合并連接在裝配式鋼筋混凝土剪力墻中的適用性，并研究其受力性能，給出較合理的連接鋼筋布置方式，為簡(jiǎn)化裝配式剪力墻的鋼筋連接提供參考。

1 縱筋合并連接可行性分析

鋼筋混凝土剪力墻設(shè)計(jì)時(shí)，一般僅考慮其承擔(dān)平面內(nèi)的彎矩、剪力及豎向力，而忽略其平面外的承載能力。理論上，當(dāng)鋼筋錨固滿足要求且其他參數(shù)不變時(shí)，只要并筋前后的鋼筋截面面積相等，則剪力墻所承受的豎向力和水平剪力不變。當(dāng)剪力墻受彎矩作用或大偏心受力時(shí)，以矩形截面為例，中國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范[9]忽略了剪力墻離受壓區(qū)邊緣為1.5x(x為名義受壓區(qū)高度)范圍內(nèi)的所有分布縱筋的作用，按式(1)和式(2)計(jì)算承載力。因此，當(dāng)鋼筋錨固滿足要求且其他參數(shù)不變時(shí)，若距中性軸相等位置的縱筋截面面積與其連接鋼筋截面面積相等，則剪力墻的受彎承載力不變。所以，從受力性能角度，在裝配式剪力墻中采用縱筋合并連接具有一定的可行性。但同時(shí)要注意到，鋼筋混凝土剪力墻設(shè)計(jì)時(shí)除應(yīng)滿足承載力外，還應(yīng)具有一定的延性和耗能能力，并滿足相應(yīng)的構(gòu)造要求。

(1)

(2)

式中：as為剪力墻受壓端部鋼筋合力點(diǎn)到受壓邊緣的距離；bw、hw0分別為剪力墻截面寬度和有效高度；As和Asw分別為剪力墻端部受壓鋼筋和豎向分布鋼筋面積；fy和fyw分別為剪力墻端部受壓鋼筋和豎向分布鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；α1為受壓區(qū)混凝土矩形應(yīng)力圖的應(yīng)力與混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比值。

提出如圖1所示的縱筋合并連接構(gòu)造方式以及鋼筋混凝土剪力墻縱筋合并連接的基本要求：1)連接鋼筋的截面面積(強(qiáng)度)應(yīng)不小于原縱筋截面面積(強(qiáng)度)；2)距中性軸相等位置，合并后的縱筋截面面積不宜小于原縱筋截面面積；3)不宜全部縱筋均采用合并連接，需有部分縱筋對(duì)接直接傳力；4)連接鋼筋能夠有效傳力且滿足錨固要求。

圖1 連接構(gòu)造示意圖Fig.1 Connection details

2 試驗(yàn)研究

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of specimens

圖2 試件尺寸及配筋詳圖Fig.2 Dimension and reinforcement details of

表2 鋼材的力學(xué)性能Table 2 Material properties of steel

對(duì)上述3個(gè)試件進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)。試件開裂前，采用水平力控制并以預(yù)估開裂荷載的50%為初始荷載分級(jí)加載，每級(jí)水平力以10 kN為級(jí)差往復(fù)一次；試件開裂后，采用水平位移控制加載，每級(jí)位移循環(huán)兩次，直至試件承載力降低到峰值荷載的85%以下，或試件無法穩(wěn)定地承受反復(fù)荷載時(shí)，停止加載。試件的破壞如圖3所示，3個(gè)試件均發(fā)生彎曲破壞，其中，試件XJQ與試件DTQ均表現(xiàn)為邊緣構(gòu)件縱筋屈服、墻角混凝土壓潰，而試件DPQ表現(xiàn)為邊緣構(gòu)件縱筋屈服后套筒連接失效、墻角混凝土壓潰。3個(gè)試件的破壞特征相似，表明并筋連接并未改變剪力墻的破壞模式。

圖3 試件破壞圖

圖4 各試件滯回曲線與骨架曲線Fig.4 Hysteresis and skeleton curves of

表3 各試件骨架曲線特征點(diǎn)Table 3 Characteristic points of skeleton curves of specimens

3 數(shù)值模擬分析

3.1 有限元模型及驗(yàn)證

圖5 摩擦特性

試件DTQ試驗(yàn)骨架曲線與有限元模型骨架曲線對(duì)比如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在構(gòu)件頂點(diǎn)水平位移幅值達(dá)到10 mm前，兩者擬合得非常好；在構(gòu)件頂點(diǎn)水平位移幅值達(dá)到10 mm后，正向骨架曲線擬合較好，而試驗(yàn)反向骨架曲線剛度退化快于數(shù)值模擬。這主要是由于試驗(yàn)時(shí)試件因存在拉壓變形不完全一致所導(dǎo)致的試驗(yàn)正、反向骨架不對(duì)稱所致。因此，可以認(rèn)為分析模型能較好地模擬試件的骨架曲線。

圖6 DTQ試驗(yàn)與模擬骨架曲線Fig.6 Contrast of skeleton curves between

圖7是有限元分析模型所模擬出的試件DTQ在破壞時(shí)的受拉塑性損傷結(jié)果,單元顏色越深(紅色)的部位表示混凝土的損傷越嚴(yán)重。與圖3(b)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，DTQ模擬的受拉塑性損傷結(jié)果與其在試驗(yàn)中的裂縫開展情況大致相符，特別是墻身下部，裂縫密集，受拉損傷嚴(yán)重。因此，有限元分析模型能較準(zhǔn)確地模擬裝配式剪力墻的受力性能。

圖7 DTQ混凝土損傷

3.2 算例及分析

影響剪力墻受力性能的因素包括：墻體厚度、高度、寬度；邊緣構(gòu)件的寬度、配筋率；分布鋼筋配筋率、軸壓比等，但本文研究的目的是分析墻體縱筋合并連接(包括邊緣構(gòu)件縱筋和分布縱筋)方式對(duì)剪力墻受力性能的影響，因此，設(shè)計(jì)算例時(shí)重點(diǎn)關(guān)注的是縱筋的合并方式，其他因素均參照試驗(yàn)試件取值。以DTQ試件為參照，根據(jù)第1節(jié)所提出的鋼筋混凝土剪力墻縱筋合并連接的基本要求，構(gòu)建了如表4所示的4種縱筋合并連接方式。按第3.1節(jié)的有限元分析建模方法建立相應(yīng)的分析模型，分析各算例的平面內(nèi)受力性能，分析算例均采用0.11的試驗(yàn)軸壓比。算例BJQ1對(duì)邊緣構(gòu)件部分縱筋和分布縱筋采用合并連接；算例BJQ2和BJQ3僅對(duì)分布縱筋采用合并連接，分別為單排合并連接和雙排合并連接；算例BJQ4僅對(duì)邊緣構(gòu)件縱筋采用合并連接。有限元分析時(shí)采取與試驗(yàn)相同的位移加載模式，即在剪力墻頂部施加豎向力以實(shí)現(xiàn)給定的軸壓比，在剪力墻頂部沿墻平面內(nèi)施加拉壓力以實(shí)現(xiàn)低周反復(fù)荷載。

圖8是包括DTQ的各算例有限元分析的骨架曲線。由圖8可見，4個(gè)算例的骨架曲線均高于DTQ的骨架曲線。其中，BJQ2、BJQ3的骨架曲線略高于DTQ的骨架曲線，原因是連接鋼筋截面面積略大于原配筋截面面積。而BJQ1、BJQ4的骨架曲線明顯高于DTQ的骨架曲線，這是因?yàn)檫吘墭?gòu)件連接鋼筋截面面積大于原配筋截面面積，而邊緣構(gòu)件的鋼筋對(duì)承載力貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于分布鋼筋的貢獻(xiàn)。從骨架曲線來看，只要連接鋼筋截面面積不小于原配筋截面面積，采用縱筋合并連接不會(huì)降低剪力墻的承載力。

表4 并筋連接剪力墻的分析算例Table 4 Analysis examples of shear walls with tendon connection

圖8 平面內(nèi)骨架曲線對(duì)比Fig.8 Contrast of skeleton curves in

將圖8中各骨架曲線的特征點(diǎn)列于表5，表中Py和Pmax分別為剪力墻屈服荷載、峰值荷載，Δy和Δu分別為剪力墻屈服位移、極限位移。由表5可見，算例BJQ2、BJQ3的延性系數(shù)和極限位移角略小于算例DTQ的相應(yīng)值，而算例BJQ1、BJQ4的延性系數(shù)和極限位移角明顯小于算例DTQ的相應(yīng)值。說明采用縱筋合并連接后剪力墻的延性變差，其中，僅分布鋼筋采用合并連接時(shí)，延性略有降低；而邊緣構(gòu)件縱筋采用合并連接時(shí)，延性明顯降低。因此，分布鋼筋采用合并連接方式具有一定的適用性，而邊緣構(gòu)件縱筋采用合并連接方式宜慎用。

表5 平面內(nèi)骨架曲線特征點(diǎn)Table 5 Characteristic points of skeleton curves in plane

為了進(jìn)一步考察分布鋼筋采用不同連接布置方式對(duì)剪力墻受力性能的影響，將算例BJQ2和BJQ3在破壞狀態(tài)時(shí)的豎向鋼筋應(yīng)力云圖示于圖9。由圖9可知，算例BJQ2邊緣構(gòu)件內(nèi)的縱筋豎向屈服范圍略小于算例BJQ3縱筋豎向屈服范圍，說明剪力墻的分布鋼筋采用合并連接后，遠(yuǎn)離中性軸有利于降低邊緣構(gòu)件中縱筋承擔(dān)的荷載。因此，分布鋼筋采用合并連接的布置位置宜在遠(yuǎn)離中性軸處。

圖9 豎向鋼筋應(yīng)力云圖Fig.9 Stress diagram of vertical steel

4 結(jié)論

1)當(dāng)連接鋼筋截面面積(強(qiáng)度)不小于原配筋截面面積(強(qiáng)度)，且連接鋼筋沿墻長(zhǎng)均勻分布時(shí)，縱筋合并連接的裝配式剪力墻表現(xiàn)出較好的抗震性能，其平面內(nèi)的壓彎承載力、剛度與現(xiàn)澆剪力墻的性能相當(dāng)，彈塑性變形能力能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

2)剪力墻邊緣構(gòu)件內(nèi)縱向鋼筋采用合并連接時(shí)，裝配式鋼筋混凝土剪力墻的延性會(huì)有所降低。因此，對(duì)剪力墻邊緣構(gòu)件內(nèi)縱向鋼筋應(yīng)慎用合并連接。

3)剪力墻分布縱筋采用等截面面積合并連接時(shí)，裝配式鋼筋混凝土剪力墻的平面內(nèi)受力性能無顯著變化，但連接鋼筋布置位置應(yīng)沿墻長(zhǎng)均勻分布而不應(yīng)集中于中性軸附近。

4)僅分析了縱筋合并連接的鋼筋混凝土剪力墻平面內(nèi)的受力性能，未考慮縱筋合并連接對(duì)其平面外受力性能、墻體抗裂性能及抗沖擊能力等的削弱，因此，在應(yīng)用時(shí)要考慮到此局限性。