装配式建筑具有巨大的经济、技术和环境优势^[1,2], 由于整体性、抗震性和设计投入等问题, 其推广应用一直受到限制。国内外已有多位学者对装配式剪力墙结构开展了深入研究, 并取得了丰富研究成果^{[3,4,5,6,7,8]}。但相当一部分研究集中于装配式剪力墙构件和钢筋连接形式, 而装配式拼缝位移对纵向连接钢筋的削弱和钢筋搭接、浆锚套筒等预埋连接件对装配式构件力学性能的局部加强作用也是必须考虑的影响因素^[5], 所以对装配式剪力墙的研究需综合考虑装配式拼缝位移的影响。本文以浆锚连接装配式剪力墙为研究对象, 通过试验研究拼缝水平相对滑移对装配式剪力墙构件力学性能的影响。

试验模型取自某高层装配式剪力墙结构试点工程, 采用1∶2缩尺模型。构件混凝土强度等级为C35, 纵向受力钢筋和水平分布钢筋分别为HRB400, HPB335。剪力墙拼缝连接为预埋金属波纹管成孔钢筋浆锚搭接, 金属波纹管直径为30mm, 连接钢筋直径为6mm。原结构和试验模型配筋情况如表1, 2所示。试验模型配筋及连接构造如图1, 2所示。

试验模型采用低周反复加载, 加载装置如图3所示。各墙肢竖向轴压比为0.24, 采用8台千斤顶并联同步施加2 400kN竖向力。试验加载分为力控制加载和位移控制加载, 构件屈服前采用力控制加载, 每级荷载循环1次;构件屈服后进入位移控制加载, 每级循环3次, 直至构件破坏^[9]。

模型墙体编号如图4所示, 试验测得各墙肢荷载-拼缝水平相对滑移关系曲线如图5所示, 由图5可得以下结论。

1) 各墙肢拼缝水平相对滑移量在加载初期较小, 进入位移控制加载阶段后开始明显增大。

2) C墙肢拼缝水平相对滑移量在加载初期反向加载时较大, D墙肢在加载过程中拼缝水平相对滑移量较小, 造成差异的原因为竖向加载装置对中和锚固误差造成各墙肢承受竖向轴压不同, 此外装配式构件拼装过程中纵向连接钢筋存在不同程度弯折。

3) 加载后期, 正向加载时A墙肢拼缝水平相对滑移量最大, C, D墙肢次之, B墙肢最小;反向加载时, A墙肢最大, B墙肢次之, 但二者均明显大于C, D墙肢。

对比各装配式剪力墙墙肢裂缝分布情况 (见图6, 7) , 可知装配式拼缝水平相对滑移对墙肢开裂具有较为明显的影响, 具体规律如下。

1) 相对滑移量较大的墙肢, 墙体开裂更迟, 在最终破坏时裂缝更少。如当加载±500kN时, A, C墙肢拼缝水平相对滑移量达0.23, 0.67mm, 而B, D墙肢仅为0.079, 0.014mm;此时A, C墙肢裂缝较少, 而B, D墙肢裂缝发展较明显。

2) 加载结束后, A墙肢裂缝明显少于B, C, D墙肢, 而A墙肢拼缝水平相对滑移量最大。过大的拼缝水平相对滑移量会造成纵向连接钢筋承受更大的销键剪切作用, 从而影响装配式墙肢和底座间内力传递, 对装配式剪力墙抗震不利。

3) 各墙肢破坏形态均为墙体腹板边缘混凝土严重压碎, 腹板边缘纵向连接钢筋在座浆层范围内部分拉断, 其破坏形态为墙肢底面受弯破坏。本试验验证了金属波纹管成孔钢筋浆锚搭接的连接可靠性, 此外, 裂缝分布差异说明装配式拼缝水平相对滑移造成纵向连接钢筋受力状态复杂, 降低装配式构件塑性发展和塑性耗能, 对抗震不利。

模型荷载-位移滞回曲线和骨架曲线如图8, 9所示。通过对比可知, 荷载-位移滞回曲线在加载初期卸载阶段存在较为明显的滑移现象, 而加载后期并不明显, 所以拼缝水平相对滑移伴随钢筋销键剪切作用和拼缝界面动摩擦缓慢发展, 其受力过程较为复杂。

装配式拼缝水平相对滑移对纵向连接钢筋产生销键剪切作用, 销键剪切应力虽能提高拼缝抗剪承载力, 但对墙肢拼缝抗弯和抗震耗能不利。相关研究表明, 受拉剪应力作用的钢筋将在拼缝附近集中出现弯曲变形, 从而造成屈服强度降低 (见图10) 。

根据销键剪切应力计算方法^[10], 得到HRB400纵向连接钢筋销键剪切应力与装配式拼缝水平滑移比和竖向位移比的关系曲面如图11所示。其中, 为消除纵向连接钢筋直径对销键剪切应力的影响, 引入装配式拼缝水平滑移比和竖向位移比:

式中:δ_h为拼缝水平相对滑移量;δ_v为拼缝竖向开口位移量;d_s为纵向连接钢筋直径。

由图11可知, 纵向连接钢筋销键剪切应力受装配式拼缝水平滑移比和竖向位移比的影响较为复杂, 水平滑移比增大时销键剪切应力增大, 在达到最大销键剪切应力后开始降低;而竖向位移比削弱销键剪切应力。

不同竖向位移比下, 纵向连接钢筋销键剪切作用与拼缝相对滑移的关系曲线如图12所示。由图12可知, 当拼缝竖向位移为0时, 销键剪切应力受拼缝水平相对滑移的影响最为明显;而随着装配式拼缝竖向位移比的增大, 销键剪切应力迅速降低。通常拼缝竖向位移为0时, 混凝土处于受压状态, 故受压区销键剪切应力最大, 因此在设计中应重视拼缝受压区纵向连接钢筋性能。此外, 竖向位移为0时, 纵向连接钢筋最大销键剪切应力达320.7MPa, 达到屈服应力的80.2%。此时拼缝水平滑移比为0.575, 而现实情况中装配式混凝土构件拼缝难以达到如此大的滑移量, 如16钢筋拼缝相对滑移需达9.2mm。因此建议纵向连接钢筋销键剪切应力最大值应按von mises强度准则确定:

式中:f_yv为纵向连接钢筋计算抗剪强度;f_y为纵向连接钢筋屈服强度。

1) 试验竖向加载装置误差和装配式构件纵向连接钢筋弯折造成装配式剪力墙墙肢拼缝水平相对滑移量不同。拼缝水平相对滑移造成纵向连接钢筋销键剪切作用, 影响墙肢和底座间内力传递, 从而使得墙肢裂缝较少, 塑性发展不充分, 降低构件塑性耗能能力, 对抗震不利。

2) 拼缝水平相对滑移在加载过程中伴随钢筋销键剪切作用和拼缝界面动摩擦缓慢发展, 在装配式拼缝中较为普遍且难以避免。

3) 拼缝竖向开口位移为0时, 纵向连接钢筋销键剪切应力受拼缝水平相对滑移的影响最为明显, 故在设计中应重视混凝土受压区纵向连接钢筋性能。

4) 纵向连接钢筋最大销键剪切应力可按von mises强度准则确定。