預制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能足尺模型試驗研究

預制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能足尺模型試驗研究

0結(jié)構(gòu)體系的研究住宅產(chǎn)業(yè)化是由建筑工業(yè)化逐漸發(fā)展起來的。20世紀50年代,由于剛剛遭受第二次世界大戰(zhàn)的嚴重破壞,歐洲一些國家對住宅的需求量非常大。為解決房荒,他們采用工業(yè)化方式建造了大量住宅,形成了一批完整、標準化、系列化的住宅體系。我國住宅產(chǎn)業(yè)化概念的提出始于20世紀90年代初期。1999年,萬科建筑技術(shù)有限公司開始了對住宅產(chǎn)業(yè)化的探索,首先對預制混凝土框架結(jié)構(gòu)進行了產(chǎn)業(yè)化研究。張季超等、薛偉辰等與萬科建筑技術(shù)有限公司聯(lián)合對采用對焊焊接連接技術(shù)的預制混凝土框架結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)研究,為我國住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。隨后,萬科建筑技術(shù)有限公司在深圳、上海等地分別對研究的預制混凝土框架結(jié)構(gòu)進行了試點工程,極大地推動了我國住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。本項目研究的預制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)是與黑龍江宇輝建設(shè)集團合作實施的黑龍江省住宅產(chǎn)業(yè)化項目,其關(guān)鍵技術(shù)是墻體之間的連接技術(shù)。為此,本課題組對該技術(shù)先后進行了鋼筋錨固長度試驗、鋼筋連接方法試驗、預制混凝土剪力墻構(gòu)件軸壓及偏壓試驗、預制混凝土剪力墻構(gòu)件擬靜力試驗等一系列研究,為采用插入式預留孔灌漿鋼筋錨固搭接技術(shù)在預制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)中的應用提供了很好的技術(shù)支持。為全面考察采用該技術(shù)的預制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗震能力以及耗能能力,在實驗室建成三層足尺預制混凝土剪力墻子結(jié)構(gòu),用來模擬十二層預制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu),對其進行了擬靜力試驗研究,研究該結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的受力機理、抗震性能和破壞形態(tài),檢驗插入式預留孔灌漿鋼筋錨固搭接技術(shù)的可靠性。本文重點介紹三層足尺模型的設(shè)計與制作、模型構(gòu)件的連接技術(shù)以及擬靜力試驗結(jié)果分析,為后期擬動力子結(jié)構(gòu)試驗奠定基礎(chǔ)。1試驗模型1.1混凝土剪力墻模型試驗研究對象為按現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計標準設(shè)計的十二層預制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu),設(shè)防烈度為7度,抗震等級為二級。試驗在哈爾濱工業(yè)大學抗震與結(jié)構(gòu)試驗大廳進行,考慮實驗室場地及加載裝置的限制,建成一棟足尺三層預制混凝土剪力墻子結(jié)構(gòu)模型,試件模型及標準層平面圖如圖1所示,墻體插筋布置如圖2所示,插筋間距直徑與一層墻體縱筋相同。模型各層層高為3.0m,地梁高度為0.6m,模型平面尺寸為4.2m×3.0m,連梁截面均為200mm×400mm。混凝土設(shè)計強度等級均為C30,受力主筋為HRB335級,箍筋和樓板鋼筋為HPB235級。模型的暗柱縱筋和豎向分布鋼筋均為14,水平分布鋼筋12@200,暗柱箍筋為8@200,暗柱搭接區(qū)箍筋加密至間距100mm。連接位置連梁縱筋采用16,箍筋8@200,其它位置暗梁縱筋12,箍筋6@200。樓板配筋均為10。1.2提前預制基地安裝錨固試驗模型用的地梁現(xiàn)場制作,其余構(gòu)件在黑龍江宇輝建設(shè)集團住宅產(chǎn)業(yè)化基地提前預制,在哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院力學與抗震實驗中心組裝。試驗模型制作的關(guān)鍵技術(shù)為各構(gòu)件之間的連接技術(shù),根據(jù)設(shè)計圖紙分解成基本構(gòu)件,每一層構(gòu)件總數(shù)約13個,如圖3所示。1.2.1節(jié)點安裝放線管理板、管網(wǎng)節(jié)點連接墻體的縱筋采用插入式預留孔灌漿鋼筋搭接連接,預制時墻體底部采用預埋模芯后旋出的方法在預埋縱向鋼筋旁形成搭接長度的預留孔,該預留孔內(nèi)徑滿足鋼筋插入和灌漿要求。而下層墻體上端對應位置的縱筋伸出相應的搭接長度,吊裝時鋼筋插入預留孔后,通過墻體表面埋設(shè)與預留孔連通的灌漿孔和出氣孔進行灌漿封閉,依靠灌漿料凝結(jié)硬化后的粘結(jié)力將上下墻體的對應縱筋連接在一起。設(shè)計時相同位置結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用同一組模板,保證了構(gòu)件制作的標準化和連接施工的精度要求。墻體豎向連接照片如圖4所示。1.2.2后澆連接帶的安裝每層墻體之間的水平方向連接,采用整體箍筋插銷法,根據(jù)連接點設(shè)置不同分成兩種類型:整墻連接和局部連接。整墻連接具體施工過程為:在相鄰墻體之間設(shè)置200mm寬的后澆連接帶,墻體預制時水平鋼筋焊接成半環(huán)狀并伸出墻體側(cè)面70mm,與相鄰墻體伸出的水平鋼筋半環(huán)一一對應,再于兩個半環(huán)水平鋼筋上放置一個同規(guī)格的焊接鋼筋環(huán),并分別與半環(huán)水平鋼筋形成交接空隙,最后于交接空隙處插入縱向鋼筋綁扎固定,連接帶兩側(cè)支模板澆筑混凝土,從而實現(xiàn)整墻水平連接,如圖5所示。局部連接為門窗洞口上的連梁連接,墻體的每側(cè)連梁縱筋伸出一定的設(shè)計長度,墻體吊裝就位后,采用綁條焊將連梁的對應縱筋連接,然后局部澆筑混凝土。1.2.3板與墻的連接模型樓板采用預制疊合樓板,預制部分與四周墻體搭接長度為15mm,底部縱筋伸入墻內(nèi)后澆層100mm,在澆筑樓板上的疊合層時一起整澆。1.2.4預制梯梁和平臺板安裝樓梯是分塊組裝的,首先安放疊合梯梁,兩端支撐于樓梯間墻體的預留洞,預制梯段和平臺板的縱筋伸入疊合梯梁的疊合層內(nèi),后澆疊合層混凝土后將預制梯梁、梯段和平臺板連接在一起。1.2.5豎向支撐、混凝土澆筑陽臺也采用工廠預制,在預制樓板吊裝就位后,做好陽臺的豎向支撐,將陽臺安放到支撐位置,陽臺板邊緣支撐于墻體30mm,陽臺受力縱筋伸入樓板至設(shè)計長度,并與樓板疊合層的分布鋼筋綁扎,然后澆筑疊合層混凝土。1.3凝土試塊的制作模型預制和施工時,按照GB50152—92《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》對預留的混凝土試塊進行了試驗,試塊為150mm×150mm×150mm立方體,實測混凝土立方體抗壓強度結(jié)果見表1。每層制作水泥基灌漿料標準試塊3個,尺寸為40mm×40mm×160mm的棱柱體試件,其實測強度平均值如表2所示。鋼筋力學性能試驗結(jié)果見表3。2靜力試驗的提出2.1反力國內(nèi)作動器擬靜力試驗水平加載方案如圖6所示,在三層頂①軸和②軸各設(shè)置一個固定在反力墻上的作動器,其量程均為±630kN(±250mm)。作動器與預埋于三層頂?shù)募訉掃B梁上的預埋件連接。模型底部的基礎(chǔ)承臺用錨拴與實驗室地面連接,同時在基礎(chǔ)承臺側(cè)面預埋鋼板,通過焊接角鋼拉結(jié)在反力墻上。2.2結(jié)構(gòu)相對地面位移模型擬靜力試驗結(jié)構(gòu)位移測點布置見圖7,采用10個高精位移計(LVDT)測量結(jié)構(gòu)相對地面位移,每層層高處①軸和②軸均設(shè)置1個LVDT,取其平均值作為該層相對地面位移實測值。2.3預開裂荷載的加載低周反復荷載試驗的加載制度可分為3種:位移控制加載、力控制加載和力-位移混合控制加載。本試驗采用力-位移混合控制的加載制度。為檢驗加載裝置和測量儀器是否正常工作,正式加載前預加水平反復荷載2次,預加水平荷載取預估開裂荷載的20%。正式加載時,試驗模型屈服前采用力控制,屈服后采用位移控制,每級取屈服位移的整數(shù)倍,每級荷載循環(huán)1次,當模型在加載過程中出現(xiàn)可見微裂縫時停止加載。正式加載時的加載步驟為:0→-50kN→0→+50kN→-100kN→0→+100kN→0→-150kN→0→+150kN→0→-200kN→0→+200kN→0→-250kN→0→+250kN→0→-300kN→0→+300kN→0→-350kN→0→+6mm→0→-6mm→0→+6mm→0→-6mm→0→+9mm→0→-9mm→0,其中,正號表示為作動器拉力作用,負號表示作動器推力作用,以上數(shù)值為單個作動器上荷載傳感器的控制值。3試驗結(jié)果及分析3.1剛度不對稱結(jié)構(gòu)圖8為擬靜力試驗中試驗模型基底剪力與三層頂位移滯回曲線,從圖中可以看出試驗模型已經(jīng)進入塑性階段,且推力作用和拉力作用下的剛度不對稱,推力作用下剛度較拉力作用下剛度大,這是由試驗模型結(jié)構(gòu)布置不對稱造成的。圖9給出擬靜力試驗中各層滯回曲線,從圖中可以看出擬靜力試驗后各層滯回環(huán)面積較小,各層非線性變形不很明顯。3.2試驗模型的退化分析圖10給出了擬靜力試驗中每個加載循環(huán)的峰值點處試驗模型各層割線剛度退化曲線,從圖中可以看出,試驗模型各層剛度隨層間位移(或?qū)蛹袅?的增大逐漸減少。表4中給出不同加載狀態(tài)下層剛度退化情況,從表中可以明顯看出試驗模型推力作用和拉力作用下的剛度不對稱,推力作用下剛度較拉力作用下剛度大。從表中可知,在水平作用-100～-200kN和+100～+150kN時,試驗模型剛度退化不很明顯,結(jié)構(gòu)處于彈性階段;當水平作用-250kN和+200kN時,結(jié)構(gòu)模型各層的剛度退化較明顯,推力作用一層到三層分別維持在初始剛度的76%、80%和69%,拉力作用下一層到三層分別維持在初始剛度的61%、70%和65%,此時試驗模型達到屈服,但試驗模型各層均未發(fā)現(xiàn)可見裂縫;試驗模型屈服后,各層層剛度下降比較顯著,當水平作用達到±9mm,推力作用下一層到三層僅為初始剛度的35%、41%和33%,拉力作用下一層到三層僅為初始剛度的31%、25%和24%,此時在試驗模型各構(gòu)件上在水平作用時出現(xiàn)可見水平微裂縫,停止擬靜力試驗。本文中提到的模型屈服是以試驗滯回曲線出現(xiàn)明顯拐點為標志;可見微裂縫為試驗加載過程中觀察到的裂縫,但試驗結(jié)束后消失。從上述剛度退化分析,預制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)可見微裂縫之前試驗模型的剛度退化很顯著,而從試驗模型擬靜力試驗后的破壞程度可知,此時試驗模型還處于基本完好階段,且擬靜力試驗時各層最大的層間位移角僅為1.08‰。說明預制構(gòu)件之間的變形能力較強,在可控條件下對結(jié)構(gòu)整體的抗震性能影響需要進一步的試驗研究和分析。4結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)試驗(1)詳細介紹了三層足尺預制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計及制作過程,重點介紹了模型各構(gòu)件的連接技術(shù),并給出模型材料的基本力學試驗結(jié)果,為該模型后期擬靜力及擬動力子結(jié)構(gòu)試驗奠定了基礎(chǔ)。(2)完成了三層足尺預制鋼筋混凝土剪力墻家結(jié)構(gòu)模型擬靜力試驗,試驗