基于薄壁钢管的装配式混凝土剪力墙抗震性能研究.pdf
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1、122 施工技术(中英文)CONSTRUCTION TECHNOLOGY2023 年 10 月下第 52 卷 第 20 期DOI:10.7672/sgjs2023200122基于薄壁钢管的装配式混凝土剪力墙抗震性能研究李兆杰,孟凡林,战美秋,徐 帅,殷承诺(吉林建筑大学土木工程学院,吉林 长春 130118)摘要 为研究基于薄壁钢管的装配式混凝土剪力墙抗震性能,设计并足尺制作了 1 个现浇剪力墙试件和 2 个装配式薄壁钢管剪力墙试件,按轴压比 0.3 对试件进行拟静力试验,对比分析 3 个墙体试件滞回曲线、骨架曲线、承载力、变形能力、刚度退化和耗能能力等抗震性能指标。试验结果表明:3 个剪力墙
2、试件均发生压弯破坏;薄壁钢管剪力墙试件滞回曲线饱满、捏缩不明显,承载力高,延性好,耗能能力强;2 个装配式薄壁钢管剪力墙试件试验现象和破坏形态相似,各项抗震性能指标相差不大,试验设计中减少竖向连接的方式对装配式薄壁钢管剪力墙抗震性能影响较小。关键词 装配式;钢管;混凝土;剪力墙;试验;抗震性能中图分类号 TU375文献标识码 A文章编号 2097-0897(2023)20-0122-07Seismic Performance Research of Prefabricated ConcreteShear Wall Based on Thin-walled Steel TubeLI Zhaoji
3、e,MENG Fanlin,ZHAN Meiqiu,XU Shuai,YIN Chengnuo(College of Civil Engineering,Jilin Jianzhu University,Changchun,Jilin 130118,China)Abstract:In order to study the seismic performance of prefabricated concrete shear wall based on thin-walled steel pipe,one cast-in-place shear wall specimen and two pre
4、fabricated thin-walled steel pipeshear wall specimens were designed and made to full scale.The pseudo-static tests were conducted on thespecimens according to the axial compression ratio of 0.3.The seismic performance indexes such ashysteresis curve,skeleton curve,bearing capacity,deformation capaci
5、ty,stiffness degradation andenergy dissipation capacity of the three wall specimens were compared and analyzed.The test results showthat the three shear wall specimens all undergo compression bending failure.The hysteresis curve of thethin-walled steel tube shear wall specimen is full,the pinch is n
6、ot obvious,the bearing capacity is high,the ductility is good,and the energy dissipation capacity is strong.The test phenomena and failurepatterns of the two prefabricated thin-walled steel tubular shear wall specimens are similar,and theseismic performance indexes are not different.The way of reduc
7、ing vertical connection in this test designhas little influence on the seismic performance of the prefabricated thin-walled steel tubular shear wall.Keywords:prefabrication;steel pipe;concrete;shear wall;tests;seismic performance“科技助力经济 2020”重点专项(SQ2020YFF0426548);吉林省教育厅“十三五”科学技术项目(JJKH20190869KJ)作者
8、简介 李兆杰,硕士研究生,E-mail:1911745936 通信作者 孟凡林,研究员,E-mail:405806971 收稿日期 2023-02-200 引言 钢-混凝土组合剪力墙是钢材与混凝土组成整体共同工作的结构体系,目前的主要形式有钢板混凝土组合剪力墙1-3、钢管混凝土组合剪力墙4和钢纤维混凝土组合剪力墙5-7等。在钢管混凝土组合剪力墙研究方面,熊枫等8对 6 个剪跨比为 2.86的 2 层装配式内置双钢套管混凝土组合剪力墙试件进行拟静力抗震试验研究,试验研究表明,在峰值荷载后骨架曲线有平缓下降段,墙体塑性变形和延性性能良好,表现出良好的装配整体性;张振等9研究了轴压比对间隔钢管混凝土
9、组合剪力墙抗震性能的影响,得到间隔钢管混凝土组合剪力墙具有2023 No.20李兆杰等:基于薄壁钢管的装配式混凝土剪力墙抗震性能研究123 良好的承载力、变形能力和耗能能力,整体抗震性能良好;张鹏等10对剪跨比为 1.5 的钢管束混凝土组合剪力墙进行抗震性能研究,得出钢管束混凝土组合剪力墙具有良好的承载力、抗侧刚度、延性、耗能能力,是一种性能优越的新型剪力墙。从上述研究中可知,钢管混凝土组合剪力墙具有良好的力学性能,承载力高,延性好,耗能能力强等。但现有钢管混凝土组合剪力墙普通存在用钢量大的问题,尤其装配式钢管束混凝土组合剪力墙不仅用钢量大而且竖向连接焊接工作量大。此外,目前装配式混凝土剪力墙
10、竖向连接普遍使用套筒连接技术11-12,不仅存在灌浆缺陷问题,且套筒连接容错率低,不易安装。图 1 竖向钢筋和钢管布置Fig.1 Arrangement of vertical rebar and steel pipe图 2 试件构造和配筋Fig.2 Specimen construction and reinforcement 基于钢管混凝土组合剪力墙上述优点及装配式混凝土剪力墙目前存在的问题,本文提出了一种基于薄壁钢管的装配式混凝土剪力墙13,在制作剪力墙时预留空心孔成孔采用的薄壁钢管代替剪力墙空心孔位置处的竖向分布钢筋,可有效避免传统抽芯困难问题,而且混凝土二次浇筑完成后可在墙体内部形成
11、钢管混凝土芯柱。在墙体竖向连接方面,采用 U 形连接钢筋实现上、下层间的搭接连接,连接方便快捷。为验证基于薄壁钢管的装配式混凝土剪力墙设计的可行性,对 1 个常规现浇剪力墙试件和 2 个薄壁钢管剪力墙试件进行拟静力试验,研究分析该装配式混凝土剪力墙抗震性能。1 试验设计1.1 试件设计 本试验设计并足尺制作了 3 个墙体试件,分别用 SW1,SW2,SW3 表示。其中,SW1 为常规现浇剪力墙试件,SW2,SW3 均为薄壁钢管剪力墙试件。各墙体试件墙板竖向钢筋和钢管布置如图 1 所示,构造和配筋如图 2 所示。SW2,SW3 试件墙板空心孔采用内径为 89mm Q235 薄壁钢管成孔,在墙板中
12、部空心孔位置使用空心孔成孔薄壁钢管代替竖向分布钢筋。SW2 试件均采用壁厚为1mm 钢管,钢管对称布置,间距为 300mm;SW3 试件墙板边缘构件钢管布置与 SW2 试件完全相同,中间钢管壁厚为2mm,相对边缘构件钢管距离分别为 600,300mm。在 SW2,SW3 试件中,墙体边缘构件中并排设置 2 根22 纵向受力钢筋穿过薄壁钢管并锚固于底座和顶梁。在墙体竖向分布钢筋(薄壁钢管)连接方面,使用 U 形连接钢筋分别锚固于顶梁和底座并伸入薄壁钢管预留孔中一定长度,连接钢筋搭接124 施工技术(中英文)第 52 卷长度按抗震等级为 3 级的抗震墙规定取为 1.2laE=44.4d(d 为钢筋
13、直径),SW2,SW3 试件分别采用10,14 连 接 钢 筋,对 应 搭 接 长 度 分 别 为445,622mm。其中,SW2 试件设计主要研究基于薄壁钢管的装配式混凝土剪力墙抗震性能,验证其设计可行性;SW3 试件设计主要研究在减少竖向连接情况下基于薄壁钢管的装配式混凝土剪力墙抗震性能。1.2 试件制作 制作试件时,SW1 现浇试件一次浇筑成型。SW2,SW3 预制试件首先制作剪力墙墙板和混凝土底座,待墙板混凝土强度达到设计要求后,吊装墙板将锚固于混凝土底座中的纵向受力钢筋和连接钢筋插入墙板钢管孔中,使墙板安装至混凝土底座。布置并绑扎完成上部连接钢筋和顶梁钢筋后,浇筑钢管孔内混凝土和顶梁
14、混凝土,继续养护至混凝土达到设计强度后,完成剪力墙试件制作。其中,SW2 试件预制剪力墙墙板配筋及纵向受力钢筋和竖向 U 形连接钢筋在底座中的锚固如图 3 所示。图 3 SW2 墙板配筋及钢筋锚固Fig.3 SW2 wallboard reinforcement andreinforcement anchorage1.3 材料力学性能 制作试件时,对浇筑试件的每批混凝土制作 6个边长为 100mm 立方体试块,养护条件与试件完全相同。试块养护完成后按 GB/T 500812019混凝土物理力学性能试验方法标准14测定混凝土立方体抗压强度试验平均值 f100cu,m,并根据 GB 5001020
15、10混凝土结构设计规范(2015 年版)15确定混凝土立方体抗压强度标准值 fcu,k。混凝土实测抗压强度如表 1 所示。表 1 混凝土抗压强度Table 1 Concrete compressive strengthMPa试件类型平均值 f100cu,m实测值 fcu,m标准值 fcu,kSW1 墙体36.634.827.9SW2 墙体56.553.843.1SW3 墙体56.653.142.6 试验按 GB/T 228.12010金属材料拉伸试验第一部分:室温试验方法16的规定测定制作试件时预留钢筋和钢管力学性能,钢筋和钢管强度试验结果分别如表 2,3 所示。表 2 钢筋强度实测值Tabl
16、e 2 Measured strength of rebar直径/mm屈服强度 fy/MPa抗拉强度 fu/MPa84436131044367514475668164706512046667122447634表 3 钢管强度实测值Table 3 Measured strength of steel pipe厚度/mm屈服强度 fy/MPa抗拉强度 fu/MPa160027051.4 加载方案和量测内容 采用拟静力试验方法研究基于薄壁钢管的装配式混凝土剪力墙抗震性能,试验加载装置及现场试验加载如图 4 所示。试验时,竖向荷载使用千斤顶施加,一次加载到位并保持不变;水平方向荷载采用位移控制模式,使
17、用水平作动器施加于墙体顶部,当墙体位移角1/1 000 时,每级荷载顶点位移为 26,39,52,65,78,91mm,每级荷载循环 2 次,直至试件破坏。图 4 拟静力试验装置Fig.4 Pseudo-static test device各试件水平荷载使用荷载传感器进行测定,不同位置实时位移采用 LVDT 测定。试验中记录墙体裂缝发展情况,并在其对应位置进行标记。2 试验现象及破坏形态 SW1,SW2,SW3 试件在恒定竖向荷载和往复水平荷载作用下,经历了混凝土开裂前的线弹性阶2023 No.20李兆杰等:基于薄壁钢管的装配式混凝土剪力墙抗震性能研究125 段、混凝土开裂、试件屈服及试件最终
18、破坏 4 个阶段。在荷载作用下,SW1 试件首先在墙体表面出现裂缝,试件破坏前,墙身裂缝数量相对较多,分布较密集。SW2,SW3 试件混凝土裂缝首先出现在墙体与底座间的水平后浇缝处,继续加载,剪力墙墙身陆续出现裂缝,破坏时墙身裂缝数量少于 SW1 试件。SW2,SW3 试件墙身裂缝发展到一定阶段后,不再出现新的弯曲裂缝,此时墙体与底座后浇缝处的水平裂缝贯通并且裂缝宽度随位移加载循环迅速增大,墙体侧向变形主要来自后浇缝处裂缝的张开、闭合。各墙体试件破坏形态和裂缝发展如图 5所示。图 5 试件破坏形态和裂缝发展Fig.5 Failure patterns and fracture developm
19、ent of specimens2.1 SW1 试件 当加载至 3.40mm 时,墙体表面出现第 1 条斜向裂缝,对应开裂荷载 Fcr=102.77kN,位移角cr=1/809;继续加载,控制位移为 8mm 时,在墙身中部出现 1 条沿水平方向裂缝;当反方向加载至12mm 时,第 1 条反方向裂缝出现在墙体靠近底部的位置。之后继续加载,观察到在墙体表面有新的裂缝继续出现。当加载位移为50mm 时,墙体底部受压区有竖向裂缝产生。位移为70mm 时,墙体两端底部混凝土出现被压碎的迹象。2.2 SW2 试件 当加载至5.37mm 时,墙体与底座后浇缝处出现水平裂缝,墙体两侧裂缝长度约 50mm,对应
20、开裂荷载 Fcr=161.56kN,位移角 cr=1/512;在位移为09mm 加载循环时,墙体两侧水平裂缝分别向内延伸,并在中部附近产生新的水平裂缝;加载至13mm 时,墙体表面出现第 1 条水平裂缝,同时在墙体底部受压侧产生小的竖向裂缝;加载至26mm时,原有裂缝继续发展,墙体两侧出现多条水平弯曲裂缝,墙体底部受压区出现明显压碎迹象;加载至 39mm 时,在原有裂缝基础上墙体表面又新增 1条裂缝。继续加载,墙体表面无新增弯曲裂缝,墙体底部后浇缝处裂缝宽度随位移的增加迅速增大。在此阶段,墙体侧向变形主要由墙体底部后浇带处裂缝的张开和闭合引起。2.3 SW3 试件 SW3 试件试验现象和破坏形
21、态与 SW2 试件相似,墙体底部与底座交接处出现裂缝时所对应的荷载和位移角相差不大,开裂荷载 Fcr=146.10kN,位移角 cr=1/495。当加载位移为 5.56mm 时,墙体底部与底座后浇缝处出现水平裂缝,裂缝长度与 SW2试件出现第 1 条裂缝长度相当;继续加载,加载位移为 13mm 时,墙身出现水平裂缝,并在底部受压区出现小的竖向裂缝;加载位移为26mm 时,墙体两侧出现多条水平弯曲裂缝,底部受压区出现明显压碎现象,底部后浇缝处裂缝贯通。控制位移为52mm循环加载至构件破坏阶段,随着墙体顶点位移增加,墙体底部后浇缝处的裂缝宽度快速增大,除墙体底部受压区破坏继续发展外,墙体表面无新增
22、裂缝。3 试验结果和分析3.1 滞回曲线 SW1,SW2,SW3 试件滞回曲线如图 6 所示。由图 6 可知,3 个试件滞回曲线相差不大,滞回曲线形状均较饱满,曲线捏缩不明显。在试件开裂前,所有试件滞回曲线基本呈线性变化,滞回环所围成的面积较小,卸载后无明显残余变形;试件开裂后,随着墙体表面裂缝数量逐步增多及墙体与混凝土底座后浇缝处的裂缝逐步扩展,滞回环所围成面积逐渐增大并趋于饱满,试件出现明显残余变形;试件进入屈服后,荷载增长幅度远小于变形增长幅度,试件加卸载曲率的绝对值均逐渐减小,滞回曲线形126 施工技术(中英文)第 52 卷图 6 滞回曲线Fig.6 Hysteresis curves
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