基金项目:国家自然科学基金资助项目(51678237)
第一作者:张玉敏,(1973-),女,博士,教授,硕士生导师,主要从事工程抗震、钢筋混凝土结构理论方面的科学研究.E-mail: 710765269 @ qq.com 通讯作者:王宇亮,(1980-),男,副教授,硕士生导师,主要从事工程抗震、钢筋混凝土结构理论方面的科学研究.E-mail: 14522466 @ qq.com
(1.华北理工大学 建筑工程学院, 河北 唐山 063210; 2. 河北省地震工程研究中心,河北 唐山 063009)
(1.College of Civil and Architectural Engineering,North China University of Science and Technology, Hebei Tangshan 063210,China; 2. Earthquake Engineering Rresearch Center of Hebei Province,Hebei Tangshan 063009,China)
eccentric; vertical joint; energy dissipation; precast shear wall; seismic performance.
DOI: 10.15986-j.1006-7930.2020.04.003
提出一种新型竖缝耗能预制剪力墙结构,对偏心设置竖向缝的耗能预制剪力墙试件进行低周往复加载试验,分析研究试件的刚度退化、承载力、破坏形态、耗能能力以及延性等力学性能,并将试验结果与现浇剪力墙的试验结果进行对比分析.结果表明:偏心竖缝耗能剪力墙与现浇剪力墙表现为弯剪破坏; 与现浇整体剪力墙试件对比,偏心竖缝耗能剪力墙的刚度与承载力相差不大,延性和耗能能力较好,变形能力得到改善.偏心竖缝耗能预制剪力墙具有很好的抗震性能.
A type of prefabricated energy-dissipating shear wall specimen with eccentric vertical joints was designed and low-cycle reciprocating loading test was carried out to analyze the stiffness degradation, bearing capacity, failure form, energy-dissipating capacity and ductility of the specimen, and the test results were compared with the cast-in-place shear wall specimen.Results show that the eccentric vertical joint energy dissipation shear wall and cast-in-place shear wall are characterized by destruction of the bending. The stiffness and bearing capacity of the energy-dissipating shear wall with eccentric vertical joint are similar to the cast-in-place shear wall specimen, but the ductility and energy-dissipating capacity are better. The deformation capacity of the energy-dissipating prefabricated shear wall with eccentric vertical joint has good seismic performance.
装配式剪力墙拼装时会存在水平缝和竖向缝,其连接性能对整体剪力墙结构起到十分重要的影响.为了改善预制剪力墙的抗震性能,达到现浇剪力墙的承载力,且在水平作用时破坏减轻甚至没有破坏产生,提出了新型耗能剪力墙.对剪力墙设置竖缝的设计理念[1]被提出后,许多专家学者对竖缝剪力墙进行研究[2-4],发现带竖缝剪力墙的整体刚度弱于现浇剪力墙.金属阻尼器作为结构被动能量吸收的耗能元件[5],Kelly[6]、Pall[7]、周云[8-10]等对阻尼器进行研究.在竖缝剪力墙中设置金属阻尼器,不但能够提高开缝剪力墙的刚度,而且可以提高剪力墙的延性、变形能力,从而剪力墙的抗震性能得到提高.李爱群[11]提出在带垂直缝剪力墙的基础上放入摩擦阻尼器,经试验研究发现放入摩擦阻尼器的竖缝剪力墙耗能充分,抗震性能提高.李敏[12]基于Opensees平台对其提出的带耗能装置的开缝剪力墙进行分析.袁新禧等[13]设计了带两条竖缝及金属阻尼器剪力墙及一个现浇剪力墙对比试件.黄祖桓[14]提出在剪力墙中间开缝并将边缘构件设置钢管混凝土并进行试验研究,结果表明新型开槽耗能剪力墙的主要抗震性能指标表现良好.
利用已有的竖缝剪力墙的研究理论,考虑到装配式剪力墙结构构件的生产与运输,以及构件模数对结构尺寸的限制等影响.本课题组设计了偏心竖缝耗能预制剪力墙,利用预制剪力墙拼装形成的水平缝采用“湿式设计”,将其等同于现浇剪力墙,使结构在垂直方向的承载力更好地传递和抵抗水平剪力.偏心竖向缝中使用金属或摩擦阻尼器相连形成“半干式结构”,既能保证结构的整体性,大震作用下,阻尼器又发挥耗能作用,提高剪力墙结构的抗震性能.对偏心竖缝耗能剪力墙进行低周往复加载试验,研究留置偏心竖缝对剪力墙的抗震性能影响,并与整体现浇剪力墙进行对比.
设计了1个偏心竖缝的预制剪力墙试件及现浇整体剪力墙对比试件,编号分别为YW-1、XYW-1,现浇整体剪力墙试件XYW-1的几何截面尺寸为1 500 mm × 160 mm,带竖缝预制剪力墙YW-1短墙肢几何截面尺寸为350 mm × 160 mm,长墙肢几何截面尺寸为900 mm × 160 mm,预制剪力墙设置竖缝缝宽为250 mm,竖向通缝中纵向等间距放置三个耗能阻尼器.通过课题组前期试验研究[15-16],对比软钢阻尼器与摩擦阻尼器的力学性能及耗能情况,选择耗能效果较好的软钢阻尼器.本试验中选择使用的软钢阻尼器开缝形式为横向缝.横缝软钢阻尼器的弯曲单元为20 mm,横缝宽度为5 mm,软钢阻尼器的厚度为8 mm,其屈服位移为 1.75 mm,极限位移为20.2 mm,屈服荷载为55.77 kN,极限荷载为 94. 74 kN,阻尼器详细尺寸见图1(a).两个试件均使用HRB400级钢筋制作,使用的混凝土强度等级为C30.预制剪力墙在浇筑混凝土前预埋连接坠板,耗能阻尼器与预制剪力墙通过预埋板采用焊接方式进行连接,为了方便进行加载和加载过程中保证剪力墙试件底部完全固定,设计了加载梁和基础底座.试件加载全过程有限位装置,试件的几何尺寸图见图1(b、c).
试验的加载装置见图2,竖向轴压加载由液压千斤顶施加完成,水平加载装置为MTS作动器,MTS
作动器最大力为1 000 kN.保证试件加载时剪力墙底部固定,试件基础底座通过压梁与地锚固定在刚性台座.为了方便加载,加载支架通过螺杆将加载梁夹紧并与MTS作动器加载头连接.加载时,避免轴压力局部集中受力过大,在加载梁顶部放置一块钢板保证均匀受力.本试验中耗能阻尼器两侧连接的墙肢非对称,保证加载过程中两部分墙肢受力均匀,对剪力墙试件进行低周往复位移加载,每级加载工况循环2次,整个加载过程水平加载采用位移控制.在进行水平加载前,首先使用千斤顶施加轴压力.试件的加载制度如下:
竖向加载:实验过程中,试件施加轴压比N为0.1,轴压力见表1.
水平加载:水平加载采取位移控制的加载方式,加载速率为0.5 mm/s,每级加载均循环两次.《建筑抗震设计规范》[17]中规定钢筋混凝土抗震剪力墙的弹塑性层间位移角限值θp是1/120,剪力墙试件高2 880 mm,本试验中对应加载位移为24 mm.未达到弹塑性位移角限制时,位移角以1/840、2/840、 4/840进行加载,位移角为1/120之后,位移角以0.5倍增加,加载至试件破坏或者试件承载力下降到峰值荷载的85%停止加载.具体加载制度如表2所示.
主要测试内容为应变、位移、荷载及变形四部分.每个耗能阻尼器布置4个应变片,分别是阻尼器上部第一个弯曲单元及中间弯曲单元的两侧,暗柱纵向钢筋、剪力墙竖向分布筋均在剪力墙底部上方80 mm处粘贴应变片.在各剪力墙试件底部上方1 000 mm以下范围内的水平分布筋的中间部位同样放置应变片.在试件纵向水平放置三个位移计,位置分别是加载梁的中心、剪力墙纵向中心、基础底座的上边缘.由于实验室目前位移计最大量程为75 mm,还需要在加载梁的中心安装拉线传感器以防剪力墙位移超出位移计量程.每个耗能阻尼器下方竖向布置两个位移计,采集加载过程中阻尼器的相对位移.本试验中的荷载采用MTS作动器采集的数据.肉眼观察试件在荷载作用下的裂缝开展、剪力墙变形、混凝土压碎剥落、耗能阻尼器等变化.
本文中规定作动器伸出为正(图2向右为伸出方向),收缩为负(图2向左为收缩方向).
试件加载初期试件没有明显变化,位移加载至3.91 mm时,剪力墙底部出现一条水平裂缝.位移加载至13.7 mm时,原有裂缝继续延伸开展,并伴随混凝土轻微咔咔的开裂声.加载至24 mm时,正向加载时长肢剪力墙左侧边缘出现斜裂缝并向下延伸; 负向加载时,长肢剪力墙的右侧边缘出现斜向下45°开展的斜裂缝,形成第一条“X”交叉裂缝,短肢剪力墙出现数条水平裂缝.加载至48 mm时,长肢剪力墙远离竖缝端底角混凝土出现剥落.短肢剪力墙的中部继续开展水平裂缝.位移继续加载,原有裂缝的宽度增加,混凝土被压碎.
试件加载初期无明显变化,位移加载至7.74 mm时,剪力墙远缝端底部出现一条斜裂缝,加载至
13.7mm时,剪力墙受压区出现数条斜裂缝; 剪力墙受拉区出现水平裂缝,随着位移增加,裂缝沿主对角线延伸.加载至24 mm时,上级裂缝继续延伸,形成“X”交叉裂缝.加载至36 mm时,原有裂缝继续开展且缝宽增大,裂缝缝宽增大至6 mm.加载至48 mm时,上级缝宽增大的裂缝延伸至剪力墙底部形成水平缝.加载至60 mm时,剪力墙梁端底角混凝土被压碎剥落.位移继续加载至72 mm,剪力墙加载端底部混凝土大块剥落,钢筋弯曲变形,停止加载.两个试件的破坏形态均表现为弯剪破坏.具体的破坏形态分为三个阶段:
(1)弹性阶段:耗能竖缝剪力墙试件的两片墙肢、三个耗能阻尼器以及现浇试件的剪力墙均未出现明显变化.
(2)弹塑性阶段:耗能剪力墙长墙肢的自由端出现数条裂缝,裂缝沿剪力墙对角开展,短墙肢受拉区出现水平弯曲裂缝,随着位移增加,裂缝逐渐延伸形成贯通裂缝.现浇剪力墙墙体两侧边缘出现数条裂缝,裂缝并沿对角发展形成交叉裂缝,位移继续增加,新的裂缝继续产生,裂缝宽度也在不断增大.
(3)破坏阶段:一字形耗能剪力墙的加载端底部混凝土被压碎并伴有剥落现象,长肢剪力墙的裂缝分布均匀; 没有新裂缝产生,前期阶段产生的裂缝在此阶段宽度增大.现浇剪力墙在此阶段主要是裂缝宽度增加.位移继续增加,剪力墙底部出现混凝土剥落现象,钢筋被压弯变形.
试件YW-1、XYW-1的荷载 - 位移滞回曲线如图4所示.曲线图中荷载为MTS作动
器采集的水平荷载,位移为加载梁处布置的水平向位移计实测的位移.加载初期,加载和卸载均呈现线性关系,滞回环包络面积小,滞回曲线呈梭形,此刻试件处于弹性阶段.随着控制位移增加,滞回环面积增大,具有良好的耗能能力及抗震性能.滞回曲线斜率逐渐减小,残余变形增加. 试件XYW-1的“捏缩”现象较试件YW-1明显,表明滞回曲线受到钢筋滑移的影响.试件YW-1、XYW-1的骨架曲线如图5所示.试件XYW-1的骨架曲线对称,试件YW-1由于偏心设置竖缝,其骨架曲线呈非对称现象.由骨架曲线可以看到,竖缝耗能剪力墙通过设置竖缝减小自身刚度,现浇剪力墙试件初始刚度高,随着荷载的增加,竖缝耗能
剪力墙骨架曲线斜率小于现浇剪力墙,说明耗能剪力墙耗能能力优于现浇剪力墙.正向加载时,将剪力墙开竖缝使之成为连续的高宽比增加的剪力墙,阻尼器对剪力墙试件的作用力向上,与轴压力方向相反,现浇剪力墙试件的屈服荷载大于开缝剪力墙的屈服荷载.负向加载时,阻尼器对剪力墙试件的作用力向下,与轴压力方向一致,耗能竖缝剪力墙荷载大于现浇剪力墙,表明较大荷载作用下,金属阻尼器可以消耗能量,提高剪力墙承载力.延性系数是评判剪力墙变形能力的重要指标.由表3可知,带有竖缝的耗能剪力墙试件的延性系数大于现浇剪力墙试件,试件YW-1的延性系数比试件XYW-1提高了36.1%、41.78%,偏心竖缝耗能剪力墙的变形能力强于现浇剪力墙.偏心竖缝耗能预制剪力墙试件延性系数均大于3,表现出良好的延性性能.
考虑到耗能剪力墙偏心设置竖缝,采用等效刚度k研究试件的刚度退化.刚度退化曲线对比图如图6.试件XYW-1的初始刚度大于试件YW-1,开竖缝削弱了剪力墙的刚度.弹性阶段内,随
着加载位移的增加,试件XYW-1刚度退化曲线逐渐平缓.试件YW-1的刚度曲线斜率变化的缓慢,说明耗能剪力墙试件中的阻尼器开始工作,改善剪力墙结构的耗能能力.进入塑性变形阶段,两个试件的刚度退化速率下降,二者刚度退化曲率相似,表明耗能剪力墙中的软钢阻尼器提高了试件的耗能能力.试件YW-1在正负向加载时,刚度退化曲线不同,由于负向加载时,由于短墙肢受弯带动阻尼器,小墙肢受压,增大大墙肢的受力面积,软钢阻尼器可以实现耗能,消耗部分能量.Hs=(S1)/(2π(S△OBE+S△ODG))(1)
其中:S1为滞回环的面积,S△OBE、S△ODG分别为上下两个三角形的面积.图6为耗能能力计算示意图.
各试件等效粘滞阻尼系数对比见图8,由图可以清楚得知,设置偏心竖缝削弱了剪力墙的刚度,同时削弱了耗能预制剪力墙的耗能能力.随着加载位移的增加,试件YW-1的等效阻尼系数一直增加,说明竖缝耗能剪力墙试件加载过程中,在垂直缝中设置的软钢阻尼器提高了剪力墙试件的耗能性能.直至加载结束两个试件的耗能系数相差不大,两个试件均表现良好的耗能能力.
本文对偏心竖缝耗能剪力墙在往复荷载作用下进行试验研究,对比新型耗能预制剪力墙与现浇整体剪力墙的力学性能及耗能情况,得出以下结论:
(1)偏心竖缝耗能剪力墙试件的大墙肢的破坏形态与整体现浇剪力墙均为弯剪破坏,小墙肢的破坏形态为受弯破坏.试件底部两侧的混凝土被压碎,裂缝分布均匀,走势清晰.加卸载过程中,产生残余变形,两个试件的滞回曲线均分“捏缩”现象,表明发生不同的钢筋滑移现象.
(2)偏心竖缝耗能剪力墙试件设置垂直竖缝,削弱了其初始刚度与承载力,正负加载方向承载力不同,对结构性能产生一定影响.但其变形性能优于现浇剪力墙试件,偏心竖缝的耗能剪力墙的延性系数比现浇剪力墙提高了36.1%、41.78%.刚度退化速度缓慢.偏心竖缝耗能预制剪力墙表现出良好的抗震性能.
(3)预制耗能剪力墙试件的等效黏滞阻尼系数与现浇整体剪力墙试件较为接近,但由于偏心竖缝的削弱,装配式剪力墙结构的等效粘滞阻尼系数略低些.阻尼器在加载过程中屈服耗能,提高了预制装配式剪力墙结构的抗震性能,并起到了很好的连接作用.