装配式剪力墙体系近年来推进了我国住宅建设产业化进程^[1]。在诸多连接节点钢筋构造工法中, 留洞浆锚搭接应用较多。针对留洞浆锚搭接的研究主要集中于改进搭接钢筋的构造方式, 通过提升装配式剪力墙的一体性来达到抗震性能等同现浇的设计理念。

　　 郭正兴等^[2]对装配式剪力墙开展了相关试验, 发现加强装配式剪力墙延性、承载力的重点在于通过箍筋增强墙肢暗柱区底部混凝土的约束。刘家彬等^[3,4,5]对墙肢暗柱搭接区混凝土采用矩形螺旋箍筋约束, 研究增设螺旋箍筋对浆锚节点受力性能的影响。螺旋箍筋沿搭接高度配置于暗柱区最外侧4根波纹管外围, 实现对暗柱区混凝土及浆锚钢筋的整体约束从而提高接头的受力、变形性能。试验发现, 装配式剪力墙对水平节点钢筋进行合理改进, 即可实现抗震性能“等同现浇”。钱稼茹等^[6,7,8]对5个预制混凝土剪力墙采用5种纵向钢筋连接方法并研究其抗震性能, 验证了钢筋采用套筒直接连接或间接搭接均能有效传力。姜洪斌等^[9,10]在留洞浆锚搭接技术的基础上提出了采用螺旋箍筋强化搭接区域, 并对1个3层足尺模型进行了拟静力试验, 发现预制构件在开始受力至微裂缝出现期间刚度退化明显, 预制构件间表现出较强的变形能力, 能有效提高整体抗震耗能性能。

　　 为继续改进浆锚钢筋搭接连接构造, 本试验通过拟静力试验研究浆锚接头外围配置环形螺旋箍筋装配式剪力墙的抗震性能。装配式试件在暗柱底部16个金属波纹管外围沿搭接高度均增设小环形螺旋箍筋。通过增强搭接区域混凝土的约束改善接头的搭接性能, 提升装配式剪力墙连接节点的受力及变形性能。

　　 制作2个相同装配式剪力墙 (ZP1, ZP2) 足尺比例试件、1个对比现浇剪力墙 (XJ) 足尺比例试件, 试件可分为底座、墙肢及加载梁等部分。装配式试件墙肢与加载梁整体制作, 底座单独浇筑并预留竖向插筋。拼装灌浆时, 拼缝截面充分凿毛并设置20mm厚坐浆层;现浇试件3个部分整体浇筑。试件均采用C35混凝土制作, 轴心抗压强度28.13MPa (为6个试块实测轴心抗压的平均值) 。

　　 各试件墙肢暗柱区通长布置搭接焊箍筋。装配式剪力墙采用螺旋箍筋约束钢筋浆锚搭接连接, 螺旋箍筋配置于墙肢暗柱区每根波纹管外围。螺旋箍筋内径60mm, 螺距50mm, 约束范围为自墙肢底面起沿波纹管外壁向上600mm高度范围内;墙肢腹板区域浆锚钢筋波纹管外围不设置螺旋箍筋。采用400mm波纹管成孔, 浆锚纵筋搭接长度为600mm。试件详细钢筋参数如表1所示, 试件尺寸及钢筋分布如图1, 2所示, 钢筋材料性能试验结果如表2所示。

　　 加载装置如图3所示, 试验地点在南京工业大学土木工程学院结构实验室。各试件施加竖向轴压为975kN, 轴压比为0.1。试件通过8个地锚螺栓锚固于地面, 并沿作动器行进方向设置千斤顶顶紧底座以防出现滑移。剪力墙两侧放置三角形撑架, 以防剪力墙平面外受力失稳。

　　 试件具体加载制度如图4所示, 采用MTS (电液伺服液压作动器) 进行力-位移混合控制加载。为便于结果数据比较分析, 加载由荷载控制时, 每级荷载循环1次, 由50kN递增至400kN。荷载施加转由位移控制时, 按Δ=15mm加载, 每级加载、卸载重复3次。试件水平承载力的下降值大于峰值承载力的15%或不适宜继续加载时, 可认为试验结束。试验中规定MTS油缸前伸是正向加载, 内缩是负向加载。

　　 总体上各试件的受力过程包含墙肢开裂、钢筋屈服、承载力极限及试件破坏4个阶段。最终失效破坏时试件根部受压侧混凝土压溃, 受拉钢筋断裂, 受压钢筋屈曲外凸, 剪力墙承载力突降。各试件破坏形态如图5所示。

　　 在荷载控制初级阶段, 各试件均为线弹性受力状态, 正向加载300kN时试件暗柱区下部出现水平裂缝。随着加载等级的提高, 墙肢边缘构件受弯水平裂缝逐渐发展为斜裂缝并向墙肢对角发展, 斜裂缝在墙肢中部腹板区域充分发展并交汇。进一步提高加载等级, 受拉侧钢筋屈服, 墙肢根脚部位混凝土保护层剥落, 暗柱底部受压侧混凝土于两侧开展纵向裂缝, 纵向钢筋陆续拉断。最终墙肢根部两侧混凝土因超过极限压应变而破碎, 波纹管、钢筋外露, 试件破坏。3个试件均呈现弯剪破坏形态, 其中ZP1, ZP2连接面产生明显水平通缝。ZP1, ZP2与XJ在破坏形态方面存在如下区别:①XJ试件水平裂缝开展较ZP1, ZP2更充分。②ZP1, ZP2墙肢根部混凝土碎裂范围小于XJ。③3个试件整体裂纹发展范围及形态基本一致, 但ZP1, ZP2墙肢腹板区域裂纹发展高度较XJ有所提高。

　　 分析可知:①ZP1, ZP2水平拼缝处混凝土与坐浆层的黏结面是试件受弯、受剪薄弱部位, 在水平荷载作用下易发生界面破坏而产生明显的水平通缝。坐浆层黏结界面破坏后, 界面混凝土不再与浆锚钢筋协同工作, 界面拉应力、剪应力主要靠浆锚钢筋承担, 因而ZP1, ZP2墙肢中下部水平缝开展不充分。②ZP1, ZP2对浆锚钢筋搭接段采用螺旋箍筋约束, 增强钢筋搭接区域核心混凝土约束力从而提高了其抗压承载力, 因而ZP1, ZP2的受压破坏区范围较XJ要小。③由于ZP1, ZP2采用螺旋箍筋约束搭接区域核心混凝土, 试件搭接区域刚度较XJ要大, 导致ZP1, ZP2塑性铰上移。

　　 采用图6所示Park法计算确定试件屈服荷载F_y及屈服位移Δ_y。试件在试验过程中关键阶段的荷载特征值如表3所示。

　　 由表3可知, 3个试件开裂荷载基本相等, 可见采用螺旋箍筋约束浆锚钢筋对试件开裂荷载影响不大。对比XJ, ZP1, ZP2屈服荷载略高于XJ, 峰值荷载较XJ分别提高3.6%和3.8%, 极限荷载较XJ分别提高3.5%和3.7%, 说明增设螺旋箍筋可对暗柱受压区域混凝土产生良好约束作用, 从而间接提升搭接区域核心混凝土抗压、变形性能, 尤其对于加载中后期效果较明显。对于位移循环情况, ZP1, ZP2加载过程中连接面水平通缝的产生是ZP较XJ更早破坏的主要原因。

　　 如图7所示, 各试件滞回曲线大体相同, 形态较丰满。试件在力控制加载的初级阶段处于弹性状态, P-Δ大致为线性关系, 加、卸载曲线重叠。水平裂缝开展之初, 滞回环包络范围有限增长, 但耗能不明显。进入屈服阶段后, 墙体塑性充分发展。在此阶段滞回曲线环表现为有一定捏缩的反S形, 滞回环包络范围增长显著, 试件开始展现出明显的耗能性能。屈服后各试件钢筋及混凝土总变形稳定发展, 滞回曲线缓慢上升至峰值承载力, 而后平缓下降向位移轴靠近。分析认为螺旋箍筋对装配式剪力墙试件边缘构件浆锚搭接区域混凝土的约束作用改善了搭接区域混凝土与钢筋协同工作的性能, 从而提升了ZP1, ZP2的滞回性能。

　　 各试件骨架曲线走势大体相似, 3个试件在线弹性加载阶段的骨架曲线基本重合, 屈服后, 各试件表现出良好的塑性变形性能, 骨架曲线平稳上升至峰值承载力。ZP1, ZP2在峰值阶段的承载力略高于XJ。加载后期, 各试件骨架曲线平缓降低, 未出现承载力突降, ZP1, ZP2表现良好的承载力保持性能。

　　 试件刚度采用割线刚度表征^[11], 按式 (1) 计算。各试件在不同阶段的割线刚度如图8所示。各试件在加载初期刚度降低过程较显著。转由位移控制加载后, 各试件在同一加载等级的刚度差距开始减小, 刚度退化速率减缓。进入1Δ₁位移加载后, 各试件表现出相近的刚度特性, 具体表现为:①在同一等级位移加载的同一级循环中, ZP1, ZP2与XJ表现出相近的刚度值;②位移加载逐步增加, 各试件刚度平稳下降, 至试件失效前刚度退化速率逐渐减慢且无突降。以上说明配置螺旋箍筋的ZP1, ZP2具有等同XJ的良好刚度特性。

　　 ${\rm K}{}_i=\frac{\left|+F{}_i\right|+\left|-F{}_i\right|}{\left|+X{}_i\right|+\left|-X{}_i\right|}(1)$

　　 式中:F_i为第i次峰值点荷载值;X_i为第i次峰值点位移值。

　　 延性可以衡量试件从屈服到承载力极限期间的变形能力。各试件的屈服位移Δ_y、屈服位移角θ_y、极限位移Δ_u、极限位移角θ_u如表4所示。定义位移角θ为加载梁测点处水平位移与测点距底座顶面高度之比, 测点位于加载梁侧面中心, 高度取3 545mm, 位移延性系数μ=Δ_u/Δ_y。

　　 从表4可以看出, ZP1, ZP2的Δ_y略大于XJ, XJ的Δ_u略大于ZP1, ZP2, 各试件θ_u均大于规范规定的限值 (1/120) ^[12]。试件位移延性系数均>4, 表明在连接节点处设置螺旋箍筋约束浆锚搭接区域混凝土可使装配式剪力墙在位移延性、变形能力方面等同现浇剪力墙。

　　 滞回曲线包络范围的大小可以衡量试件在某一加载阶段耗能性能的强弱。采用等效黏滞阻尼系数h_e表征试件的耗能性能^[13], h_e计算如式 (2) 所示, 计算简图如图9所示。试件在各加载特征点的h_e如表5所示。由表5可见, 由于ZP1, ZP2在搭接区域核心混凝土外围增设螺旋箍筋, 改善了钢筋间搭接连接性能并提升浆锚搭接区域核心混凝受压性能, ZP2在开裂、峰值及极限阶段的耗能能力均优于XJ, 而ZP1在关键阶段的耗能能力均弱于XJ。试验结果分析可知, ZP1, ZP2与XJ耗能能力相当。

　　 $h{}_{\text{e}}=\frac{S{}_{\text{A}\text{B}\text{C}}+S{}_{\text{A}\text{D}\text{C}}}{2\text{π}\times (S{}_{\text{B}\text{Ο}\text{E}}+S{}_{\text{D}\text{Ο}\text{F}})}(2)$

　　 1) 采用螺旋箍筋约束波纹管浆锚搭接的装配式混凝土剪力墙破坏形态与现浇剪力墙基本一致, 表现为暗柱区底部竖向钢筋受拉断裂、墙肢根部两侧混凝土压溃的弯剪破坏。

　　 2) ZP1, ZP2峰值荷载和极限荷载均较XJ增长3.5%～3.8%, 表明增设螺旋箍筋对浆锚搭接区核心混凝土进行约束能够提升装配式剪力墙的承载力。

　　 3) 装配式剪力墙试件在刚度、位移延性及耗能等方面等同或更好于现浇试件。螺旋箍筋对浆锚搭接区域核心混凝土横向变形进行约束, 提升了连接节点的耗能、变形性能, 基本实现装配式剪力墙抗震性能“等同现浇”的设计理念。