与现浇结构相比,装配式建筑结构具有构件质量好、节约资源、绿色环保等优点,是建筑行业发展的趋势。装配式剪力墙作为建筑结构的主要抗侧力单元,广泛应用于钢筋混凝土高层建筑结构中,其中联肢剪力墙是剪力墙结构中最常见、最典型的结构形式之一。与单片剪力墙结构相比,联肢剪力墙结构具有较大的抗侧刚度,对于屈服后的钢筋混凝土连梁,梁端产生塑性铰,在进行塑性变形时,耗散地震能量,发挥连梁的抗震作用,改善剪力墙的受力状态,调整整体结构刚度,可作为结构抗震的第一道防线 ^[1]。

　　 填充墙作为非结构构件,在结构设计时,只考虑填充墙的自重,通过乘以周期折减系数的方式考虑填充墙对结构地震作用的增大作用,但忽略了填充墙对结构刚度的贡献,使得结构的层间位移角和整体位移计算值偏大; 当填充墙布置不当时容易形成短柱、薄弱层或致使结构发生扭转 ^[2,3,4,5,6]。填充墙与主体结构之间的连接方式决定了填充墙与主体结构之间的作用关系,在《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011) ^[7]中对填充墙与主体结构的连接给出了脱开与不脱开两种做法: 脱开即为柔性连接时,在填充墙与主体结构连接处预留缝隙并用柔性材料填充,以减小填充墙对主体结构的顶推作用; 不脱开即为刚性连接时,可通过设置拉结钢筋与主体结构之间进行可靠连接 ^[8,9]。

　　 目前,在填充墙对剪力墙结构抗震性能影响的研究中,袁辉等 ^[10]通过低周往复试验表明,填充墙的存在,使得结构的承载力和刚度明显增大,但是带填充墙的装配式联肢剪力墙延性稍差于无填充墙试件。郭海山等 ^[11]建立了局部设置填充墙的装配整体式混凝土剪力墙有限元模型,模拟结果表明预制填充墙的存在对整体结构的刚度和墙肢内力影响较大,在设计中不应简单忽略其影响。郑双明 ^[12]等通过短肢剪力墙-砌块组合墙体的拟静力试验表明,在水平荷载作用下,砌块填充墙能够与联肢剪力墙结构共同工作,砌块填充墙在压溃之前,对结构刚度及承载力有较大的贡献。鄢保定等 ^[13]通过有限元程序分析了含有填充墙的短肢剪力墙结构的抗震性能,结果表明填充墙分布的数量及位置是影响结构抗震性能的重要因素。

　　 在前述基础上,本文对3个装配式联肢剪力墙试件进行抗震性能的试验研究,考察不同连接方式下PC填充墙对装配式联肢剪力墙结构的抗震性能的影响,以期为该类工程的研究和应用提供参考。

　　 设计并制作1个不带PC填充墙的装配式联肢剪力墙试件(CSW-N)、1个PC填充墙与装配式联肢剪力墙采用柔性连接试件(CSW-F)、1个PC填充墙与装配式联肢剪力墙采用刚性连接试件(CSW-R)。试件由联肢剪力墙、PC填充墙及地梁组成,剪力墙与地梁之间采用套筒浆锚连接。剪力墙预制部分为单肢墙中间900mm部分,将套筒埋入PC剪力墙底部,PC剪力墙内直径为16mm的竖向钢筋伸入套筒150mm,地梁中与套筒对应位置处预埋直径为16mm的钢筋。柔性连接的做法为PC填充墙与PC剪力墙之间留50mm缝槽并用挤塑聚苯板填充,PC填充墙的竖向钢筋锚入连梁,锚入长度为210mm; 刚性连接做法为PC填充墙两侧钢筋锚入剪力墙,锚入长度为210mm,间距500mm; CSW-F,CSW-R试件底部和地梁之间均无连接且预留50mm缝槽。试件详细连接如图1所示。PC剪力墙和PC填充墙钢筋锚入后浇边缘构件的尺寸和间距分别见图2、图3。

　　 3个试件的联肢剪力墙部分尺寸及配筋均相同,单片剪力墙肢厚比为9.375,连梁跨高比为2.91,边缘构件和连梁通过后浇混凝土与预制墙形成一整面联肢剪力墙。地梁单独预制,与暗柱对应部分预留400mm×400mm×400mm梁窝。PC填充墙采用复合夹芯构造,中间为80mm厚的挤塑聚苯板,两侧为40mm厚的混凝土板。联肢剪力墙、PC填充墙、地梁详细尺寸和配筋等信息详见图2～4。

　　 3个试件均采用HRB400级钢筋,通过对5种不同直径钢筋试样的拉伸试验结果进行统计,得出钢筋的屈服强度平均值为533.08MPa,抗拉强度平均值为717.6MPa。试件预制部分、现浇部分及PC填充墙混凝土实测强度见表1,不同直径钢筋的实测强度见表2。

　　 试验加载装置如图5所示。先由2个2 000kN的液压千斤顶施加竖向荷载,并通过墙体顶部设置的刚性分配梁将荷载均匀分配到联肢剪力墙的墙肢上,分3次将预定轴压荷载全部施加完成,试验过程中保持荷载恒定,轴压比取0.3。水平往复荷载由2 500kN液压伺服加载系统MTS进行加载,千斤顶和反力梁之间设小滑车,保证千斤顶与试件的整体移动。根据《建筑抗震试验规程》(JGJ/T 101—2015) ^[14],试验采用力-位移双控制法。试件屈服前采用力控制分级加载,每级循环1次,每级荷载的级差为100kN,当试件快达到屈服状态时,级差减小为50kN; 屈服后采用位移控制分级加载,取屈服位移的倍数为增幅,每级循环3次。当试件承载力下降到峰值承载力的85%或出现较明显的损伤时,试件破坏,停止试验。

　　 试验加载过程中,3个试件的首条裂缝均出现在连梁左侧端部,与联肢剪力墙左侧墙肢(W)相交处斜向右上发展。CSW-N试件裂缝首先出现在连梁两端,而后出现在墙肢底部; 连梁和剪力墙上的最先出现的裂缝均为弯曲竖向或水平裂缝。随着荷载的增加,连梁上的竖向裂缝与剪力墙上的水平裂缝开始发生倾斜,形成弯剪斜裂缝; 连梁上和连梁与墙肢连接处的裂缝发展比墙肢底部发展快。在加载后期,连梁两端已形成塑性铰,传递弯矩能力降低,墙肢承载力开始下降,试验结束。 CSW-N试件的最终破坏形态为连梁部位的剪切破坏和墙肢部位的弯剪破坏,最终破坏形态如图6(a)所示。

　　 对于CSW-F试件,PC填充墙与PC剪力墙之间设置5cm的缝槽,并用聚苯板填充,以此来减弱PC填充墙的约束作用,在加载过程中,裂缝开展形式大致与CSW-N试件的开展形式一致,主要是连梁两端的剪切裂缝和墙肢部位的弯剪裂缝; 但由于PC填充墙的存在,与主体结构形成了一个整体,在加载过程中,PC填充墙、连梁及剪力墙相交部位墙肢处的裂缝比CSW-N试件增多而使得两片墙肢上的裂缝减少; PC填充墙本身只在顶部与连梁相连的部位出现少许裂缝; 连梁端部上下两侧斜裂缝交叉形成塑性铰,最终破坏状态如图6(b)所示。

　　 对于CSW-R试件,由于PC填充墙两侧钢筋锚入剪力墙内,使得PC填充墙与主体结构形成类似于一字形的片状剪力墙试件,在加载过程中裂缝的主要发展形式为墙肢底部弯剪斜裂缝、连梁端部和PC填充墙的剪切斜裂缝; 与PC填充墙相连侧墙肢内侧裂缝发展比墙肢外侧裂缝发展充分; 与CSW-N,CSW-F两个试件相比,CSW-R试件墙肢外侧裂缝少于另外两个试件同部位裂缝,同时,连梁、墙肢和PC填充墙连接部位墙肢裂缝比CSW-F试件多而墙肢本身裂缝较少; PC填充墙上出现对角斜裂缝,两侧边与剪力墙相连处出现裂缝并产生较大的相对滑移,比CSW-F试件破坏严重。CSW-R试件破坏形态如图6(c)所示。

　　 在3个试件的受力与破坏过程中,装配式联肢剪力墙采用的套筒灌浆与现浇边缘构件结合使用的连接形式,受力性能良好,是可靠的连接形式。

　　 滞回曲线是结构抗震性能的综合表现,3个试件的滞回曲线如图7所示。从图中可以看出, CSW-N,CSW-F试件的形状较为饱满,而CSW-R试件的滞回环捏缩较为严重。且反向加载时滞回曲线集中在1 750kN附近,这是由于250T作动器,反向加载最大拉力为1 750kN。由于材料强度实测值比设计值高等问题,致使试件CSW-R承载力大于1 750kN,对该试件主要以正向数据为主进行分析。

　　 由图7可知:CSW-N,CSW-F,CSW-R这3个试件在加载初期,均处于弹性阶段,此时滞回曲线大致呈梭形,包围面积较小; 试件开裂后,刚度有所退化,滞回环包围面积增大; 当试件进入屈服阶段,由于纵向钢筋的粘结滑移,滞回曲线有捏缩现象,呈现出弓形,滞回环的面积进一步增大,试件的耗能也随之增大; 达到最大承载力后,滞回环捏缩现象更加明显,滞回环由弓形向倒S形转变,承载力下降,耗能能力减小。

　　 3个试件的骨架曲线如图8所示。CSW-F试件的初始刚度与CSW-N试件初始刚度大致相同,但其峰值承载力大于CSW-N试件; CSW-R试件的初始刚度和峰值承载力均大于CSW-F,CSW-N试件。由此表明,PC填充墙的存在增大了结构的承载力,当采用刚性连接时,PC填充墙对结构初始刚度的影响较大,在进行结构抗震分析时应考虑其作用和影响。

　　 3个试件的刚度退化曲线如图9所示。由图9可知,加载初期,与CSW-N试件相比,CSW-R试件的初始刚度增加了166%,CSW-F试件的初始刚度增加了18%,说明PC填充墙的加入增大了结构的抗侧刚度; 刚性连接时对结构初始刚度的影响较大,而柔性连接虽然对结构的初始刚度有一定的提高作用,但提高的程度较小。CSW-R试件的初始刚度最大,刚度退化速度较快,试件屈服后,刚度逐渐与CSW-N,CSW-F试件接近。在加载初期,试件CSW-F的PC填充墙与剪力墙之间是脱开的,保温板压缩模量较大,PC填充墙与剪力墙之间未接触,故其初始刚度与CSW-N试件基本一致; CSW-R试件的PC填充墙与剪力墙结构两侧边连接,在加载初期,PC填充墙便发挥作用,因此刚度大于CSW-N,CSW-F试件; 在加载后期,PC填充墙产生裂缝,PC填充墙与PC剪力墙之间产生裂缝和相对滑移,逐渐退出主体结构的协同工作,从而使得刚度退化曲线逐渐与CSW-N,CSW-F试件接近。

　　 《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[15]规定,当PC填充墙采用砌块时,剪力墙结构的周期折减系数取0.9～1.0; 由试验结果可知,当采用刚性连接时,对结构的刚度影响较大,现有的周期折减系数已不能满足设计需求。根据剪力墙结构在风荷载或多遇地震作用下的弹性层间位移角限值1/1 000,提取该层间位移角对应各试件刚度 ^[16],如表3所示,其中刚度比为各试件刚度与CSW-N试件的刚度之比。

　　 由表3可知,采用柔性连接时,带PC填充墙试件的刚度和无PC填充墙试件的刚度基本一致; 采用刚性连接时,PC填充墙将结构刚度提高了1.55倍,对应周期折减系数约为0.8,与砌体填充时的规定0.9～1.0有差异。PC填充墙作为非承重构件,通常局部布置,当采用柔性连接时,可参考砌块填充墙周期折减系数取值0.9～1; 而采用刚性连接时,建议周期折减系数取0.8～1。因此,PC填充墙与主体结构之间采用不同连接方式时,应根据PC填充墙的位置和数量,采用合理的周期折减系数。

　　 试件的耗能能力是指在加载过程中每次循环加载形成滞回环所包围的面积,试件的耗能能力是评价结构抗震性能的重要指标,各试件累积耗能如图10所示。由图可知,PC填充墙的存在,提高了结构的耗能能力; 加载初期,CSW-R试件的耗能能力略大于CSW-F试件,但随着荷载增大,试件在屈服后,CSW-F试件的耗能能力逐渐高于CSW-R试件,从整体上来看,柔性连接试件的耗能能力大于相应的刚性连接试件。柔性连接试件中PC填充墙与主体结构留缝并用柔性材料填充起到了较好的作用,提高了结构的耗能能力。

　　 延性是衡量结构产生塑性变形的能力,是评价结构抗震性能的重要指标,定义位移延性系数μ=Δ_μ/Δ_y,其中Δ_μ为试件极限点所对应的水平位移,Δ_y为试件屈服时对应的水平位移。各试件的承载力特征值和位移延性系数详见表4。

　　 (1)PC填充墙提高了装配式联肢剪力墙的承载力。相比CSW-N试件,CSW-F试件的峰值荷载提高了7.3%,CSW-R试件的峰值荷载提高了约34.32%(除特别说明外,各指标对比均取正向加载时的情况); 刚性连接对结构承载力的影响程度大于柔性连接。

　　 (2)CSW-F试件的正向开裂荷载和开裂位移与CSW-N试件基本一致,反向开裂荷载大于CSW-N试件,而CSW-R试件的开裂荷载较CSW-N试件大但开裂位移较CSW-N试件小; 随着荷载增大,与CSW-N试件相比,CSW-F试件的正向屈服荷载增大15.8%,CSW-R试件的正向屈服荷载增大37.92%。说明在加载初期,当采用柔性连接时,PC填充墙与PC剪力墙之间的柔性材料并未受到挤压,PC填充墙对其影响较小,而采用刚性连接时,PC填充墙与主体结构形成一个整体,刚度和承载力均较大。

　　 (3)PC填充墙降低了装配式联肢剪力墙的延性。其中,与CSW-N试件相比,CSW-F,CSW-R试件在正反两个方向的平均位移延性系数分别降低了2.7%和13.8%。柔性连接时,PC填充墙相当于增加了连梁的高度,从而降低了连梁的塑性变形能力; 刚性连接时,PC填充墙对装配式联肢剪力墙变形的制约更为明显,对位移延性系数的影响更大。

　　 (1)PC填充墙改变了结构的破坏形态,降低了装配式联肢剪力墙的破坏程度。柔性连接试件与无填充试件破坏形态大致相同,主要为连梁的剪切破坏和墙肢的弯剪破坏,但由于PC填充墙的存在,使连梁破坏程度降低; 采用刚性连接时,试件主要破坏形态为连梁及墙肢的剪切破坏,PC填充墙与主体结构形成一个整体,两者协同工作,整体性得到提高,能有效减少连梁和装配式联肢剪力墙的破坏。

　　 (2)PC填充墙提高了装配式联肢剪力墙的承载力和抗侧刚度。与无PC填充墙试件相比,柔性连接试件和刚性连接试件的承载力分别提高了7.3%和34.32%,初始刚度分别提高了18%和166%。

　　 (3)与柔性连接试件相比,刚性连接试件对结构刚度的影响较大。当PC填充墙与主体结构之间采用刚性连接时,建议周期折减系数取0.8～1,而采用柔性连接时,可参考砌块填充墙周期折减系数取值。在工程实践中根据PC填充墙的位置和数量选用合理的周期折减系数。

　　 (4)带PC填充墙的试件耗能能力大于无PC填充墙试件。PC填充墙的存在可有效消耗地震能量,提高装配式联肢剪力墙的抗震性能; 柔性连接试件的耗能能力大于刚性连接试件。

　　 (5)PC填充墙降低了装配式联肢剪力墙的位移延性系数。柔性连接和刚性连接下的PC填充墙,都不同程度地制约了结构的侧向变形的发展,从而影响装配式联肢剪力墙的延性; 相比之下柔性连接的影响较小,刚性连接的影响较大。