为降低建筑生产能耗和提升建筑质量, 国家集中出台了多项政策方针以推进建筑工业化^[1]。双面叠合剪力墙结构是建筑工业化的结构形式之一, 包含有双面叠合墙板、叠合楼板、叠合梁、预制楼梯和预制阳台板等预制构件, 并由拼接钢筋和现浇混凝土连成整体^[2]。双面叠合墙板在竖向拼接时预制墙板和现浇混凝土之间会形成水平缝, 水平缝处混凝土的粘聚力显著小于整浇混凝土的抗拉强度, 使得剪力墙在承受面内水平荷载时水平缝处预制墙板与现浇混凝土较早脱开、内部芯层混凝土较早开裂。现有低周反复加载试验研究表明, 由于水平缝的存在, 双面叠合剪力墙试件的极限承载力和延性低于现浇剪力墙试件^[3]。相比于预制墙板中的竖向钢筋, 水平缝处的拼接钢筋保护层厚度大、离剪力墙中心线近, 使得剪力墙的面外受力性能降低。目前主要集中在对单片双面叠合剪力墙试件抗震性能的研究, 尚未看到针对双面叠合剪力墙结构整体性能进行研究的实例。本文结合某双面叠合剪力墙结构工业化住宅项目^[4], 采用弹塑性时程分析方法, 研究在不同地震影响下水平缝对该结构体系整体抗震性能的影响。

　　 上海某双面叠合剪力墙结构工业化住宅地下1层、地上13层, 建筑高度38.60m, 层高2.95m, 标准层结构平面图如图1所示, 外墙厚度为250mm, 内墙厚度为200mm。地下1层、顶部机房及装饰构架采用普通现浇结构, 1～13层采用装配式双面叠合剪力墙结构, 双面叠合剪力墙构造俯视图如图2所示, 包括两侧预制部分和中间现浇部分, 两者之间通过格构钢筋连为整体, 试验研究表明预制部分与现浇部分能够有效地共同工作^[3]。暗柱区域构造示意图如图3所示。

　　 在各个楼层标高处, 墙板拼接产生水平缝, 水平缝的构造示意图如图4所示, 水平缝处竖向连接钢筋离墙体中心线更近, 在面外受力时较为不利。为研究水平缝对双面叠合剪力墙结构整体抗震性能的影响, 同时建立现浇对比模型 (无缝) 和拼缝折减模型 (有缝) , 两者区别在于拼缝折减模型的水平缝有效厚度取芯层现浇混凝土的厚度、水平缝处钢筋保护层厚度取预制墙板的厚度, 双面叠合剪力墙结构住宅分析模型如图5所示。在拼缝折减模型中, 水平缝长度与墙长相同, 水平缝高度按实际取50mm;外墙设计厚度为250mm, 相应水平缝处墙体厚度取为150mm;内墙设计厚度为200mm, 相应水平缝处墙体厚度取为100mm。水平缝计算模型如图4所示, 在ABAQUS中, 墙体采用分层壳单元模拟, 墙中分布钢筋通过*rebar layer命令设置。

　　 两个模型的周期对比结果如表1所示, 两个模型的周期和振型基本一致, 表明在弹性阶段水平缝对结构周期和振型的影响很小。

　　 弹塑性分析模型中, 墙体和楼板采用S4R壳单元, 混凝土材料采用ABAQUS自带的混凝土损伤塑性模型, 钢筋采用二折线动力硬化模型。钢筋配置按实际设计结果归并后采用, 墙体边缘区的配筋率取0.9%, 墙体非边缘区配筋率取0.4%, 连梁的配筋率取1.0%, 楼板的配筋率取0.4%。地震波选用上海地区适用于罕遇地震的第二组人工波, 参见上海市《建筑抗震设计规程》 (DGJ 08-9—2013) , 采用三向地震动输入, 水平主向∶水平次向∶竖向的峰值加速度比为1.0∶0.85∶0.65。因本文研究目的的需要, 多遇地震、设防地震和罕遇地震分析中采用同一组地震波, 仅最高峰值加速度按《建筑抗震设计规程》 (DGJ 08-9—2013) 分别取35, 100, 200cm/s²。

　　 从基底剪力、顶点位移、层间位移角和塑性损伤四个方面对比分析拼缝折减模型在多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下与现浇对比模型的性能差异。

　　 拼缝折减模型和现浇对比模型在多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下的基底剪力对比见表2。

　　 由表2可以看出, 在多遇地震和设防地震作用下, 拼缝折减模型与现浇对比模型的基底剪力相差小于1%;在罕遇地震作用下, 拼缝折减模型的基底剪力在X, Y向分别比现浇对比模型低7.6%, 2.6%。

　　 罕遇地震作用下, 现浇对比模型的弹性和弹塑性基底剪力对比如图6所示, 弹性基底剪力最大值在X, Y向分别为37 037, 38 087kN, 弹塑性基底剪力在X, Y向分别为弹性结果的59%, 61%。

　　 拼缝折减模型和现浇对比模型在多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下的顶点位移最大值对比见表3。

　　 由表3可以看出, 在多遇地震和设防地震作用下, 拼缝折减模型与现浇对比模型的最大顶点位移一致;在罕遇地震作用下, 拼缝折减模型的最大顶点位移在X向和Y向分别比现浇对比模型高3.5%和36.8%。

　　 罕遇地震作用下, 现浇对比模型的弹性和弹塑性顶点位移对比如图7所示, 弹性最大顶点位移在X向和Y向分别为51mm和62mm, 弹塑性最大顶点位移在X向和Y向分别为弹性结果的167%和123%。构件未进入明显塑性时, 弹性位移和弹塑性位移基本一致;随着构件进入塑性逐渐增加, 结构的整体刚度有所减弱, 周期变长, 弹塑性位移峰值比弹性位移峰值明显滞后。另外, 该住宅类剪力墙结构在X向连梁较多, 连梁损伤后位移增大明显;Y向长度较短, 构件损伤后出现偏离平衡点的现象。

　　 拼缝折减模型和现浇对比模型在罕遇地震作用下的顶点位移时程对比见图8。由图8可以看出, 拼缝折减模型和现浇对比模型在罕遇地震作用后, 顶点位移在X向的残余较小;拼缝折减模型的顶点位移在Y向的残余显著大于现浇对比模型, 说明水平缝对Y向 (结构短向) 的影响更为显著。

　　 拼缝折减模型和现浇对比模型在多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下的层间位移角对比见图9。

　　 由图9可以看出, 在多遇地震和设防地震作用下, 拼缝折减模型和现浇对比模型的层间位移角基本一致;在罕遇地震作用下, 拼缝折减模型的1层X向层间位移角显著大于现浇对比模型;Y向层间位移角均显著大于现浇对比模型, 且差值较为一致, 说明拼缝折减模型在1层处出现了沿Y向较为明显的侧移。反映出拼缝折减模型的1层在罕遇地震作用下较为薄弱。

　　 损伤对比时选用的墙片如图10所示, 地震波X向输入时对比WX墙片的损伤情况, 地震波Y向输入时对比WY墙片的损伤情况。

　　 在多遇地震作用下, 拼缝折减模型未发生受压损伤, 连梁产生轻度受拉损伤, 墙片中钢筋未进入塑性, 与现浇对比模型损伤程度相似, 见图11, 12。

　　 在设防地震作用下, 拼缝折减模型的连梁和1层墙肢水平缝处发生中度受压损伤, 连梁受拉损伤严重, 1层墙肢拼缝处钢筋进入塑性, 损伤程度略大于现浇对比模型, 但没有本质区别。

　　 罕遇地震作用下, 拼缝折减模型和现浇对比模型的1层墙肢底部均发生受压损伤, 拼缝折减模型的受压损伤更为集中在水平缝及其上部临近区域, 如图13和图14所示。拼缝折减模型的1层墙肢底部钢筋的最大塑性应变达到0.357 7, 显著大于现浇对比模型的0.063 4, 如图15所示。

　　 罕遇地震作用下, 拼缝折减模型的墙肢损伤从1层水平缝处开始, 并在水平缝全截面损伤开展之后, 水平缝上方墙肢两端发生受压损伤;而现浇对比模型因为没有水平缝的存在, 损伤仅发生在1层墙肢底部两端。

　　 从上述对比分析可以得出, 拼缝折减模型的1层水平缝在罕遇地震作用下成为薄弱部位, 需引起关注。

　　 为解决1层水平缝在罕遇地震作用下损伤集中、成为抗震设防薄弱部位的不足, 提出1层现浇和1～2层水平缝采用强连接 (水平缝处竖向连接钢筋配筋率提高1倍, 若原钢筋直径为10mm, 则提高至14mm) 两种改进方案。《装配式混凝土结构技术规程》 (JGJ 1—2014) 中要求装配整体式剪力墙结构底部加强部位的剪力墙宜采用现浇混凝土, 但该规程未涉及装配整体式双面叠合剪力墙结构。文献[5]通过试验研究表明, 水平缝连接钢筋面积增大125%可以实现强连接, 能够将剪力墙的塑性部位由水平缝上移至墙板内部, 使得抗震性能接近现浇钢筋混凝土剪力墙结构, 但其试验对象是轴压比下的单层单片剪力墙, 缺乏对真实受力状态下结构整体抗震性能的研究。下文将分析研究两种改进方案对结构整体抗震性能的影响效果。

　　 现浇对比模型、拼缝折减模型以及1层现浇拼缝模型 (有缝1层现浇) 在罕遇地震作用下的顶点位移对比见表4。1层现浇拼缝模型的顶点位移明显小于拼缝折减模型, 尤其是Y向, 降低26%。

　　 在罕遇地震作用下, 现浇对比模型、拼缝折减模型以及1层现浇拼缝模型Y向顶点位移时程对比如图16所示。1层现浇拼缝模型的Y向顶点残余位移明显小于拼缝折减模型, 与现浇对比模型较为接近。

　　 现浇对比模型、拼缝折减模型以及1层现浇拼缝模型在罕遇地震作用下的层间位移角对比见图17。1层现浇拼缝模型的最大层间位移角明显小于拼缝折减模型, 尤其是Y向的层间位移角, 与现浇对比模型较为接近。

　　 1层现浇方案1层底部的损伤明显小于拼缝折减模型, 但同时2层底部的损伤略微增大, 说明底部1层现浇后, 薄弱部位有向2层转移的趋势。由于层间位移角曲线中2层层间位移角并没有明显增大, 说明2层的损伤处于合理范围内, 与拼缝折减模型的1层损伤有本质区别。

　　 现浇对比模型、拼缝折减模型以及1～2层强连接拼缝模型 (有缝1～2层强连接) 在罕遇地震作用下的顶点位移对比见表5。1～2层强连接拼缝模型的顶点位移明显小于拼缝折减模型的顶点位移, 尤其是Y向, 降低30%。

　　 在罕遇地震作用下, 现浇对比模型、拼缝折减模型以及1～2层强连接拼缝模型Y向顶点位移时程对比如图18所示。1～2层强连接拼缝模型Y向顶点残余位移明显小于拼缝折减模型, 与现浇对比模型较为接近。

　　 现浇对比模型、拼缝折减模型以及1～2层强连接拼缝模型在罕遇地震作用下的层间位移角对比见图19。1～2层强连接拼缝模型的最大层间位移角明显小于拼缝折减模型, 尤其是Y向的层间位移角, 与现浇对比模型较为接近。

　　 1～2层强连接方案减轻了水平缝处钢筋的塑性开展程度, 改变了拼缝折减模型中1层水平缝处集中损伤的破坏模式, 提升了结构在罕遇地震作用下的受力性能。

　　 (1) 多遇地震和设防地震作用下, 拼缝折减模型与现浇对比模型的基底剪力和顶点位移相差小于1%, 层间位移角基本一致, 因此, 该双面叠合剪力墙结构住宅可以采用与现浇结构相同的方法进行多遇地震下的结构分析与设计, 可不考虑水平缝的影响。

　　 (2) 罕遇地震作用下, 拼缝折减模型的Y向最大顶点位移超过现浇对比模型36.8%, 层间位移角最大值显著大于现浇对比模型, 1层水平缝处出现集中损伤, 因此, 该双面叠合剪力墙结构住宅的1层水平缝在罕遇地震作用下成为薄弱部位, 在结构设计中应予以关注。

　　 (3) 针对1层水平缝在罕遇地震作用下损伤集中、成为抗震设防薄弱部位的不足, 提出1层现浇和1～2层水平缝采用强连接两种改进方案。通过对比分析, 上述两种方案均能够解决罕遇地震下1层水平缝薄弱的问题, 可为上海市装配整体式双面叠合剪力墙设计规程的编制提供技术支撑。