钢筋混凝土剪力墙结构抗侧刚度大、平面布置灵活, 是我国高层住宅普遍采用的结构形式。双面叠合剪力墙是由内外叶双层预制墙板、连接双层预制墙板的桁架钢筋及中间空腔后浇混凝土叠合层组成 (见图1) ^[1]。其中, 双面叠合剪力墙竖向钢筋采用插筋搭接连接, 插筋与叠合墙板内纵筋的搭接长度一般≥1.2l_{a E}。与现浇混凝土剪力墙结构相比, 双面叠合剪力墙结构能够减少施工现场模板和支撑的使用, 构件质量较高, 具有较好的经济效益与应用前景。

双面叠合剪力墙结构起源于德国, 并在欧洲得到广泛应用^[2,3]。但总体而言其应用范围主要集中在欧洲的非抗震设防地区, 因此其抗震性能值得关注。近年来, 随着我国工业化建筑的不断发展, 双面叠合剪力墙结构在我国也逐步兴起, 其抗震性能研究受到越来越广泛的关注。2009年, 连星^[4]开展了4片双面叠合剪力墙的抗震性能试验研究, 结果表明:在轴压比0.1下, 双面叠合剪力墙的破坏形态与现浇剪力墙相同, 均发生受弯破坏, 预制板与中间后浇叠合层之间的黏结良好, 双面叠合剪力墙表现出良好的受力性能。2012年, 张伟林等^[5]开展了在轴压比0.1下两种典型墙体部位 (T形、L形) 的双面叠合剪力墙的低周反复荷载试验研究, 结果表明:T形、L形叠合剪力墙试件的抗震性能与现浇对比剪力墙相近, T形墙的承载力比现浇对比试件低15%。2016年, 肖波等^[6]开展了3层叠合剪力墙结构模型的振动台试验研究, 结果表明:在1.0g峰值加速度的地震波作用下, 双面叠合剪力墙的叠合楼板保存完好, 其与双面叠合剪力墙体的拼接也基本完好, 整体结构模型损伤较小。上述研究表明, 双面叠合剪力墙具有良好的抗震性能, 为其工程应用提供了一定的基础, 但总体而言仍存在以下问题: (1) 上述试验模型均采用了DB34/T810—2008《叠合板混凝土剪力墙结构技术规程》^[7]和DB33/T1120—2016《叠合板式混凝土剪力墙结构技术规程》^[8]中要求的竖向连接钢筋搭接长度在1.2l_{a E}的基础上再交错500mm的构造要求, 施工较为复杂; (2) 上述试验中剪力墙的轴压比较小, 均为0.1~0.2, 难以反映出高层建筑中双面叠合剪力墙轴压比较大的实际受力工况。

综上所述, 本文提出竖向连接钢筋搭接长度均取1.2l_{a E}的双面叠合剪力墙优化构造, 并通过高轴压比下的低周反复荷载试验, 针对上述连接优化构造, 对双面叠合剪力墙进行较为系统的抗震性能试验研究, 为其在抗震设防地区的大规模应用提供依据。

以上海市某13层住宅为工程背景, 设计了3个剪力墙足尺模型, 其中双面叠合试件PW1, PW2的配筋与现浇试件RW1相同, 双面叠合试件PW1, PW2竖向钢筋搭接长度分别取1.2l_{a E}和1.2l_{a E}+500mm交错搭接长度。3个剪力墙试件的墙体尺寸均为2 900mm (高) ×2 000mm (宽) ×200mm (厚) , 试件参数如表1所示, 试件配筋如图2所示。所有试件的混凝土强度等级均为C30, 采用HRB400钢筋, 试件的轴压比均为0.5。3个剪力墙模型试件均在宝业集团股份有限公司浙江绍兴柯桥预制混凝土构件厂加工制作。

本试验的加载使用同济大学建筑结构实验室的10 000k N大型多功能结构试验机, 其竖向加载能保证无阻跟动, 从而实现竖向荷载全自动跟踪墙顶侧移来考虑P-Δ效应的影响。

先在剪力墙顶部施加竖向荷载, 加载至预设的轴压力后, 再在墙顶施加水平低周反复荷载, 试验加载方法按照JGJ/T101—2015《建筑抗震试验规程》^[9]的规定, 水平荷载采用荷载、位移混合控制的加载制度。以墙体顶点侧移n H/400 (n=1, 2, 3, …, 墙体高度H=2 900mm) 进行位移控制的分级加载, 每级位移循环往复3次, 当加载至试件发生破坏或者荷载值下降到峰值荷载的85%, 试验结束。加载制度如图3所示。

主要量测内容: (1) 墙体顶部加载点和墙体底部的水平位移; (2) 竖向与水平荷载及裂缝开展情况; (3) 叠合墙体的钢筋应变与混凝土应变; (4) 竖向连接钢筋应变。

所有试件均经历了开裂、屈服、峰值荷载和最终破坏4个阶段, 具有相近的受力过程。加载前期, 裂缝主要分布在墙体下部, 水平开展, 呈弯曲裂缝;加载后期, 裂缝向墙体上部发展, 部分斜向发展, 所有试件最外侧竖向钢筋均发生受压屈服, 同时墙体底部混凝土起皮;峰值阶段, 裂缝基本出齐, 墙体底部两侧混凝土开始压碎剥落;到加载后期, 墙体底部混凝土剥落严重, 纵筋压屈, 箍筋露出, 部分受拉钢筋被拉断。3个试件的最终破坏形态均为弯曲破坏, 如图4所示。

基于试验结果, 得到3个试件的荷载-位移滞回曲线, 如图5所示。

由滞回曲线分析可知:

1) 双面叠合试件与现浇试件滞回曲线的发展规律基本一致。由图5可知, 试件在开裂前, 滞回曲线包围的面积很小, 表明试件基本处于弹性状态;滞回曲线包围的面积随着墙顶水平侧移的增大而逐渐增大, 试件耗能不断增加, 但由于混凝土压溃、钢筋屈服、钢筋拉断, 滞回曲线均有一定程度的捏拢现象。

2) 同一级墙顶侧移有3个循环加载, 所有试件的墙顶峰值荷载均逐渐减小, 出现承载力退化现象, 表明墙体混凝土不断产生损伤积累。

3) 双面叠合试件的滞回曲线较现浇对比试件更为丰满, 表现出更好的耗能能力。

试件的荷载-侧移骨架曲线如图6所示。

1) 所有试件均经历了开裂、屈服、峰值荷载和最终破坏4个阶段。开裂前, 试件的骨架曲线近似为一条直线, 荷载和位移呈线性关系;开裂后, 试件的刚度明显降低, 其墙顶荷载的增加开始滞后于墙顶位移;屈服后, 刚度退化明显, 3个试件的刚度退化规律接近。

2) 总体上, 双面叠合试件的承载力与相应的现浇试件接近。双面叠合试件PW1和PW2的承载力 (以正向峰值荷载为标准) 比现浇对比试件分别高7.9%和7.6%;2个双面叠合试件之间的承载力相差较小, 这表明竖向连接钢筋增加500mm交错搭接长度对双面叠合剪力墙的承载力影响不大。

通过位移延性可以反映结构或构件的变形能力, 通常用延性系数表示其延性优劣。其中, 延性系数是通过结构或构件的极限位移Δu和屈服位移Δy的比值得到。各试件的位移延性系数如表2所示, 其中极限位移Δu为承载力下降至峰值荷载85%时墙顶的位移值。

由表2可知:

1) 在0.5轴压比作用下, 试件的延性系数基本都>3.0, 具有良好的延性和变形能力。其中, 双面叠合试件延性均好于现浇试件, PW1和PW2的延性系数分别比现浇对比试件高13%和19%。

2) 双面叠合试件PW2的延性系数比PW1高4.8%, 差别不大, 这表明竖向连接钢筋增加500mm交错搭接长度对双面叠合剪力墙试件的延性影响较小。

在各级位移下, 通过刚度退化可以反映结构或构件的刚度随着荷载反复次数增加而降低的特性。通常用环线刚度K_j的降低量来表示结构或构件的刚度退化。试件的环线刚度退化情况如图7所示。

由图7可知:

1) 所有试件表现出相似的刚度退化规律, 试件刚度在加载前期下降速度快, 由于混凝土裂缝主要出现在开裂至屈服前, 试件的刚度退化主要集中在该阶段。

2) 所有试件的正向开裂刚度均大于对应的反向开裂刚度, 这是由于首先进行正向加载, 对试件造成一定的损伤, 导致其反向刚度有所降低。

3) 双面叠合试件PW2与PW1的刚度退化曲线接近, 这表明竖向连接钢筋增加500mm交错搭接长度对双面叠合剪力墙试件的刚度退化基本没有影响。

试件阶段耗能是指各级位移下3次循环正负向半周耗能的平均值, 累积耗能为各级位移加载下正反向阶段耗能均值的累加值, 试件累积耗能如图8所示。

由图8可知:

1) 墙顶水平位移较小时, 各试件基本处于弹性工作阶段, 累积耗能均较小;墙体水平位移增大后, 试件进入弹塑性阶段, 虽然墙体的承载力增长缓慢, 到峰值点后开始下降, 墙体的耗能能力不断增大。

2) 双面叠合试件PW2与PW1的耗能能力相当, 且均高于现浇对比试件, 这说明竖向连接钢筋不交错搭接也能保证双面叠合剪力墙具有良好的耗能能力。

根据工程原型, 基于GB/T51231—2016《装配式混凝土建筑技术标准》^[3]与GB50010—2010《混凝土结构设计规范》 (2015年版) ^[10], 对双面叠合剪力墙的正截面抗弯承载力、斜截面抗剪承载力和接缝抗剪承载力的设计值与试验值进行了对比。

3个试件的正截面抗弯承载力设计值与试验值对比如表3所示。3个剪力墙试件的抗弯承载力安全系数在1.44~1.67, 具有较大安全余量, 满足设计要求。

3个剪力墙试件的斜截面抗剪承载力设计值与试验得到的最大剪力值对比如表4所示。需要说明的是, 由于3个试件最终均发生弯曲破坏, 未得到剪力墙的抗剪承载力, 因此仅能将设计剪力与试验得到的最大剪力值进行对比, 从而得到3个试件的斜截面抗剪安全系数。由于试验得到的最大剪力仍小于试件实际的抗剪承载力, 因此得到的安全系数小于实际抗剪承载力安全系数, 偏于保守。由表4可知, 3个剪力墙试件的安全系数在1.52~1.80, 均具有较大的斜截面抗剪安全余量。

发生弯曲破坏时, 2个双面叠合剪力墙试件接缝处的最大剪力值分别为1 142k N和1 045k N, 达到接缝设计剪力的1.80倍和1.64倍。这表明, 2种双面叠合剪力墙试件接缝均具有较高的抗剪安全余量, 不会发生接缝破坏, 这与试验结果一致。

本文通过2个双面叠合剪力墙试件和1个现浇剪力墙对比试件的低周反复荷载试验, 对双面叠合剪力墙在低周反复荷载作用下的抗震性能进行了较为系统的研究, 得到以下结论。

1) 所有试件的破坏形态基本相同均表现为弯曲破坏。

2) 双面叠合试件的抗震性能接近或略高于现浇对比试件。具体表现为:双面叠合试件的破坏形态与现浇试件基本相同;双面叠合试件PW1和PW2的承载力 (以正向峰值荷载为标准) 比现浇对比试件分别高7.9%和7.6%, 延性系数分别比现浇对比试件高13%和19%;双面叠合试件与现浇试件表现出相似的刚度退化规律;双面叠合试件表现出好于现浇对比试件的耗能能力。

3) 所有试件均具有较高的抗弯、抗剪和接缝抗剪安全余量。

4) 竖向连接钢筋增加500mm交错搭接长度对双面叠合剪力墙试件的承载力、延性、耗能均影响不大。