預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能足尺模型試驗(yàn)研究

預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能足尺模型試驗(yàn)研究

0結(jié)構(gòu)體系的研究住宅產(chǎn)業(yè)化是由建筑工業(yè)化逐漸發(fā)展起來的。20世紀(jì)50年代,由于剛剛遭受第二次世界大戰(zhàn)的嚴(yán)重破壞,歐洲一些國家對住宅的需求量非常大。為解決房荒,他們采用工業(yè)化方式建造了大量住宅,形成了一批完整、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的住宅體系。我國住宅產(chǎn)業(yè)化概念的提出始于20世紀(jì)90年代初期。1999年,萬科建筑技術(shù)有限公司開始了對住宅產(chǎn)業(yè)化的探索,首先對預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化研究。張季超等、薛偉辰等與萬科建筑技術(shù)有限公司聯(lián)合對采用對焊焊接連接技術(shù)的預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,為我國住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。隨后,萬科建筑技術(shù)有限公司在深圳、上海等地分別對研究的預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試點(diǎn)工程,極大地推動了我國住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。本項(xiàng)目研究的預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)是與黑龍江宇輝建設(shè)集團(tuán)合作實(shí)施的黑龍江省住宅產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目,其關(guān)鍵技術(shù)是墻體之間的連接技術(shù)。為此,本課題組對該技術(shù)先后進(jìn)行了鋼筋錨固長度試驗(yàn)、鋼筋連接方法試驗(yàn)、預(yù)制混凝土剪力墻構(gòu)件軸壓及偏壓試驗(yàn)、預(yù)制混凝土剪力墻構(gòu)件擬靜力試驗(yàn)等一系列研究,為采用插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋錨固搭接技術(shù)在預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供了很好的技術(shù)支持。為全面考察采用該技術(shù)的預(yù)制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗震能力以及耗能能力,在實(shí)驗(yàn)室建成三層足尺預(yù)制混凝土剪力墻子結(jié)構(gòu),用來模擬十二層預(yù)制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu),對其進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)研究,研究該結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的受力機(jī)理、抗震性能和破壞形態(tài),檢驗(yàn)插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋錨固搭接技術(shù)的可靠性。本文重點(diǎn)介紹三層足尺模型的設(shè)計(jì)與制作、模型構(gòu)件的連接技術(shù)以及擬靜力試驗(yàn)結(jié)果分析,為后期擬動力子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。1試驗(yàn)?zāi)Ｐ?.1混凝土剪力墻模型試驗(yàn)研究對象為按現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的十二層預(yù)制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu),設(shè)防烈度為7度,抗震等級為二級。試驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)抗震與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)大廳進(jìn)行,考慮實(shí)驗(yàn)室場地及加載裝置的限制,建成一棟足尺三層預(yù)制混凝土剪力墻子結(jié)構(gòu)模型,試件模型及標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖1所示,墻體插筋布置如圖2所示,插筋間距直徑與一層墻體縱筋相同。模型各層層高為3.0m,地梁高度為0.6m,模型平面尺寸為4.2m×3.0m,連梁截面均為200mm×400mm。混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級均為C30,受力主筋為HRB335級,箍筋和樓板鋼筋為HPB235級。模型的暗柱縱筋和豎向分布鋼筋均為14,水平分布鋼筋12@200,暗柱箍筋為8@200,暗柱搭接區(qū)箍筋加密至間距100mm。連接位置連梁縱筋采用16,箍筋8@200,其它位置暗梁縱筋12,箍筋6@200。樓板配筋均為10。1.2提前預(yù)制基地安裝錨固試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀玫牡亓含F(xiàn)場制作,其余構(gòu)件在黑龍江宇輝建設(shè)集團(tuán)住宅產(chǎn)業(yè)化基地提前預(yù)制,在哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院力學(xué)與抗震實(shí)驗(yàn)中心組裝。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞯年P(guān)鍵技術(shù)為各構(gòu)件之間的連接技術(shù),根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙分解成基本構(gòu)件,每一層構(gòu)件總數(shù)約13個,如圖3所示。1.2.1節(jié)點(diǎn)安裝放線管理板、管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連接墻體的縱筋采用插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接連接,預(yù)制時墻體底部采用預(yù)埋模芯后旋出的方法在預(yù)埋縱向鋼筋旁形成搭接長度的預(yù)留孔,該預(yù)留孔內(nèi)徑滿足鋼筋插入和灌漿要求。而下層墻體上端對應(yīng)位置的縱筋伸出相應(yīng)的搭接長度,吊裝時鋼筋插入預(yù)留孔后,通過墻體表面埋設(shè)與預(yù)留孔連通的灌漿孔和出氣孔進(jìn)行灌漿封閉,依靠灌漿料凝結(jié)硬化后的粘結(jié)力將上下墻體的對應(yīng)縱筋連接在一起。設(shè)計(jì)時相同位置結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用同一組模板,保證了構(gòu)件制作的標(biāo)準(zhǔn)化和連接施工的精度要求。墻體豎向連接照片如圖4所示。1.2.2后澆連接帶的安裝每層墻體之間的水平方向連接,采用整體箍筋插銷法,根據(jù)連接點(diǎn)設(shè)置不同分成兩種類型:整墻連接和局部連接。整墻連接具體施工過程為:在相鄰墻體之間設(shè)置200mm寬的后澆連接帶,墻體預(yù)制時水平鋼筋焊接成半環(huán)狀并伸出墻體側(cè)面70mm,與相鄰墻體伸出的水平鋼筋半環(huán)一一對應(yīng),再于兩個半環(huán)水平鋼筋上放置一個同規(guī)格的焊接鋼筋環(huán),并分別與半環(huán)水平鋼筋形成交接空隙,最后于交接空隙處插入縱向鋼筋綁扎固定,連接帶兩側(cè)支模板澆筑混凝土,從而實(shí)現(xiàn)整墻水平連接,如圖5所示。局部連接為門窗洞口上的連梁連接,墻體的每側(cè)連梁縱筋伸出一定的設(shè)計(jì)長度,墻體吊裝就位后,采用綁條焊將連梁的對應(yīng)縱筋連接,然后局部澆筑混凝土。1.2.3板與墻的連接模型樓板采用預(yù)制疊合樓板,預(yù)制部分與四周墻體搭接長度為15mm,底部縱筋伸入墻內(nèi)后澆層100mm,在澆筑樓板上的疊合層時一起整澆。1.2.4預(yù)制梯梁和平臺板安裝樓梯是分塊組裝的,首先安放疊合梯梁,兩端支撐于樓梯間墻體的預(yù)留洞,預(yù)制梯段和平臺板的縱筋伸入疊合梯梁的疊合層內(nèi),后澆疊合層混凝土后將預(yù)制梯梁、梯段和平臺板連接在一起。1.2.5豎向支撐、混凝土澆筑陽臺也采用工廠預(yù)制,在預(yù)制樓板吊裝就位后,做好陽臺的豎向支撐,將陽臺安放到支撐位置,陽臺板邊緣支撐于墻體30mm,陽臺受力縱筋伸入樓板至設(shè)計(jì)長度,并與樓板疊合層的分布鋼筋綁扎,然后澆筑疊合層混凝土。1.3凝土試塊的制作模型預(yù)制和施工時,按照GB50152—92《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對預(yù)留的混凝土試塊進(jìn)行了試驗(yàn),試塊為150mm×150mm×150mm立方體,實(shí)測混凝土立方體抗壓強(qiáng)度結(jié)果見表1。每層制作水泥基灌漿料標(biāo)準(zhǔn)試塊3個,尺寸為40mm×40mm×160mm的棱柱體試件,其實(shí)測強(qiáng)度平均值如表2所示。鋼筋力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。2靜力試驗(yàn)的提出2.1反力國內(nèi)作動器擬靜力試驗(yàn)水平加載方案如圖6所示,在三層頂①軸和②軸各設(shè)置一個固定在反力墻上的作動器,其量程均為±630kN(±250mm)。作動器與預(yù)埋于三層頂?shù)募訉掃B梁上的預(yù)埋件連接。模型底部的基礎(chǔ)承臺用錨拴與實(shí)驗(yàn)室地面連接,同時在基礎(chǔ)承臺側(cè)面預(yù)埋鋼板,通過焊接角鋼拉結(jié)在反力墻上。2.2結(jié)構(gòu)相對地面位移模型擬靜力試驗(yàn)結(jié)構(gòu)位移測點(diǎn)布置見圖7,采用10個高精位移計(jì)(LVDT)測量結(jié)構(gòu)相對地面位移,每層層高處①軸和②軸均設(shè)置1個LVDT,取其平均值作為該層相對地面位移實(shí)測值。2.3預(yù)開裂荷載的加載低周反復(fù)荷載試驗(yàn)的加載制度可分為3種:位移控制加載、力控制加載和力-位移混合控制加載。本試驗(yàn)采用力-位移混合控制的加載制度。為檢驗(yàn)加載裝置和測量儀器是否正常工作,正式加載前預(yù)加水平反復(fù)荷載2次,預(yù)加水平荷載取預(yù)估開裂荷載的20%。正式加載時,試驗(yàn)?zāi)Ｐ颓安捎昧刂?屈服后采用位移控制,每級取屈服位移的整數(shù)倍,每級荷載循環(huán)1次,當(dāng)模型在加載過程中出現(xiàn)可見微裂縫時停止加載。正式加載時的加載步驟為:0→-50kN→0→+50kN→-100kN→0→+100kN→0→-150kN→0→+150kN→0→-200kN→0→+200kN→0→-250kN→0→+250kN→0→-300kN→0→+300kN→0→-350kN→0→+6mm→0→-6mm→0→+6mm→0→-6mm→0→+9mm→0→-9mm→0,其中,正號表示為作動器拉力作用,負(fù)號表示作動器推力作用,以上數(shù)值為單個作動器上荷載傳感器的控制值。3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1剛度不對稱結(jié)構(gòu)圖8為擬靜力試驗(yàn)中試驗(yàn)?zāi)Ｐ突准袅εc三層頂位移滯回曲線,從圖中可以看出試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵呀?jīng)進(jìn)入塑性階段,且推力作用和拉力作用下的剛度不對稱,推力作用下剛度較拉力作用下剛度大,這是由試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)布置不對稱造成的。圖9給出擬靜力試驗(yàn)中各層滯回曲線,從圖中可以看出擬靜力試驗(yàn)后各層滯回環(huán)面積較小,各層非線性變形不很明顯。3.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷耐嘶治鰣D10給出了擬靜力試驗(yàn)中每個加載循環(huán)的峰值點(diǎn)處試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鲗痈罹€剛度退化曲線,從圖中可以看出,試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鲗觿偠入S層間位移(或?qū)蛹袅?的增大逐漸減少。表4中給出不同加載狀態(tài)下層剛度退化情況,從表中可以明顯看出試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯屏ψ饔煤屠ψ饔孟碌膭偠炔粚ΨQ,推力作用下剛度較拉力作用下剛度大。從表中可知,在水平作用-100～-200kN和+100～+150kN時,試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣偠韧嘶缓苊黠@,結(jié)構(gòu)處于彈性階段;當(dāng)水平作用-250kN和+200kN時,結(jié)構(gòu)模型各層的剛度退化較明顯,推力作用一層到三層分別維持在初始剛度的76%、80%和69%,拉力作用下一層到三層分別維持在初始剛度的61%、70%和65%,此時試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦_(dá)到屈服,但試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鲗泳窗l(fā)現(xiàn)可見裂縫;試驗(yàn)?zāi)Ｐ颓?各層層剛度下降比較顯著,當(dāng)水平作用達(dá)到±9mm,推力作用下一層到三層僅為初始剛度的35%、41%和33%,拉力作用下一層到三層僅為初始剛度的31%、25%和24%,此時在試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鳂?gòu)件上在水平作用時出現(xiàn)可見水平微裂縫,停止擬靜力試驗(yàn)。本文中提到的模型屈服是以試驗(yàn)滯回曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)為標(biāo)志;可見微裂縫為試驗(yàn)加載過程中觀察到的裂縫,但試驗(yàn)結(jié)束后消失。從上述剛度退化分析,預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)可見微裂縫之前試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膭偠韧嘶茱@著,而從試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M靜力試驗(yàn)后的破壞程度可知,此時試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦€處于基本完好階段,且擬靜力試驗(yàn)時各層最大的層間位移角僅為1.08‰。說明預(yù)制構(gòu)件之間的變形能力較強(qiáng),在可控條件下對結(jié)構(gòu)整體的抗震性能影響需要進(jìn)一步的試驗(yàn)研究和分析。4結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)(1)詳細(xì)介紹了三層足尺預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)及制作過程,重點(diǎn)介紹了模型各構(gòu)件的連接技術(shù),并給出模型材料的基本力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果,為該模型后期擬靜力及擬動力子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。(2)完成了三層足尺預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻家結(jié)構(gòu)模型擬靜力試驗(yàn),試驗(yàn)