新型装配式剪力墙恢复力模型_樊禹江.pdf
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1、第 卷第 期 年 月河 海 大 学 学 报(自 然 科 学 版)():基金项目:国家自然科学基金()作者简介:樊禹江(),男,副教授,博士,主要从事新型装配式结构设计及抗震性能研究。:引用本文:樊禹江,葛俊,艾斌平,等新型装配式剪力墙恢复力模型河海大学学报(自然科学版),():,(),():新型装配式剪力墙恢复力模型樊禹江,葛 俊,艾斌平,丁佳雄,廖 凯(长安大学建筑学院,陕西 西安;长安大学建筑工程学院,陕西 西安)摘要:针对新型装配式剪力墙结构,以轴压比和边缘构件纵筋配筋率为对照参数,设计了 个缩尺比为 的剪力墙试件并进行了拟静力试验。试验结果表明,个试件的最终破坏模式相近,表现为墙体斜裂
2、缝开展至受压区混凝土剥落的弯剪破坏;轴压比的减小或边缘构件纵筋配筋率的降低均对新型装配式剪力墙抗震性能有不利影响,表现为滞回性能减弱和极限承载力降低。结合有限元模拟结果,建立了新型装配式剪力墙的五折线骨架模型及恢复力模型,该模型与试验结果吻合较好,可以为新型装配式剪力墙结构的弹塑性地震反应分析提供参考。关键词:装配式剪力墙;水平连接;抗震性能;数值模拟;恢复力模型中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,):,:;近年来,湿式连接装配式剪力墙在实际工程中得到了广泛的应用,从设计层面到施工层面已基本形成了完善的体系。但由于现场湿作业的存在,湿式连接方法未能充分体现装配式建筑的优势,基于此,
3、干式连接装配式剪力墙成为现阶段诸多学者的研究方向。等提出一种采用型钢接头和高强螺栓组合的干式连接方法,并进行了拟静力试验,结果表明,连接组件传力可靠,能够确保剪力墙强度和延性的充分开展;等在胶合木剪力墙中研究了螺栓的加固效果,通过拟静力试验发现,螺栓加固剪力墙的延性及等效阻尼较未加固墙体均有明显的提升,验证了螺栓连接锚固预制混凝土墙体的可行性;等提出一种采用螺纹钢锚杆连接的预制剪力墙,连接部位的钢锚栓能够作为结构延性熔断器,有效地减少地震作用下混凝土的损伤;赵斌等提出一种螺栓钢连接件套筒形式的剪力墙水平接缝方案,并开展拟静力试验,结果表明,套筒能够有效传递钢筋内力,水平接缝连接性能可靠;韦宏等
4、研究了钢板焊接连接的带水平接缝预制剪力墙的抗震性能,结果表明,剪力墙表现出较好的滞回性、延性和耗能能力;方强等提出一种水平接缝第 期樊禹江,等 新型装配式剪力墙恢复力模型采用螺栓和 型钢框连接、竖向接缝采用有限滑动螺栓连接的新型装配式剪力墙,试验发现,该新型装配式剪力墙工作机制明确,有限滑动螺栓显著提升了剪力墙的延性和耗能能力;黄炜等设计试验综合对比了采用螺图 新型装配式剪力墙构造 栓连接、盒式连接和 型钢板连接预制剪力墙的抗震性能,结果表明,种接缝连接件均为破坏,采用螺栓连接的试件承载能力较强,采用盒式连接的试件变形能力较差,而采用 型钢板连接的试件变形能力最好。上述研究结果表明,基于合理的
5、设计,螺栓、钢板等连接件可解决预制剪力墙水平接缝部位的传力需求,基于此,樊禹江等提出一种具有耗能减震功能的新型装配式剪力墙,其构造设计见图,箱型钢表面预焊锚固短筋,并与剪力墙内纵筋端部焊接连接,再整体浇筑混凝土,最后通过 型钢和螺栓连接装配。剪力墙受到水平荷载时,内外型钢发生相对转动,实现载荷传递与摩擦耗能功能。由于传统的恢复力模型已无法阐述新型装配式剪力墙的受力行为,为此本文在其结构抗震性能试验的基础上,提出一种适用于新型装配式剪力墙的五折线骨架模型。拟静力试验概述 试件制作制作 个新型装配式剪力墙试件,缩尺比为 ,剪跨比为,墙体的长、厚、高依次为 、和。下部水平连接装置采用厚度均为 的箱型
6、钢板和 型钢板,装置中心开设的圆形孔直径为,两侧圆弧形滑道的宽度为,圆弧角度为,颗高强螺栓直径为,性能等级为 级。试件 设计轴压比为,边缘构件纵筋配筋率为.。相较典型试件,试件 设计轴压比为,试件 边缘构件纵筋配筋率为,其余参数与试件 一致。混凝土强度等级为,对 个试件采用同批次混凝土浇筑。剪力墙分布区选用 钢筋,箍筋选用 钢筋,边缘构件纵筋选用直径(试件、)和(试件)的 钢筋,箱型钢表面预焊短筋选用直径 的 钢筋,并做长度为、角度为 的弯钩,底梁的受力纵筋选用直径为 和 的 钢筋。典型试件 的配筋和构造尺寸如图 所示。图 试件 配筋 加载制度 个剪力墙试件均于工厂预制完成,并在加载现场进行螺
7、栓连接装配并施加预紧力。试验采用液压千斤顶施加竖向荷载,作动器施加水平荷载。施加的竖向荷载在试验过程中保持恒定,加载数值由剪力墙设计轴压比确定,试件 和 为,试件 为。水平加载全程采用位移控制,加载制度见图,加载初期控制水平位移为,使用扭矩扳手对高强螺栓施加 的预紧力,增量河 海 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 卷图 加载制度 梯度为,位移往复循环 次。加载后期控制预紧力恒定为,依次施加、和 的位移荷载,位移往复循环 次,末级位移荷载加至作动器水平荷载急剧下降时停止。试验结果 破坏性态图 为 个试件的最终破坏模式。从图 可以看出,试件的裂缝分布形态受到轴压比及边缘构件纵筋配筋率的影响。
8、试件 墙身中部交叉斜裂缝分布较广,对称程度较好,斜裂缝开展至约 墙高处;试件 墙身斜裂缝开展角度相对平缓,墙体边缘裂缝走向基本呈水平趋势,且裂缝多分布于 墙高以下的部位,说明轴压比的降低对剪力墙抗剪性能有削弱作用;试件 墙身交叉裂缝主要分布于墙体受压侧(水平作动器外推时),对称程度较差,同时墙角处混凝土受压剥落严重。结合各试件裂缝开展过程,个试件的破坏模式总体表现为斜裂缝萌发及深入开展,接着伴随墙角部位混凝土压溃脱落和边缘构件竖向纵筋屈服,表明 个试件均呈弯剪型破坏。图 各试件破坏模式 典型试件 的墙体构造与文献中普通现浇剪力墙试件 一致,对比其破坏过程发现,二者的承载性能接近且破坏模式相同,
9、但试件 的变形能力更好。试件 底部的连接钢板和螺栓均未出现明显的损伤,仅钢垫片发生变形,其与 型钢接触部位有磨损痕迹,说明试件 的水平连接性能可靠。尽管水平连接装置的相对转动在实现摩擦耗能的同时放大了试件 的侧移,但试件所受重力荷载和竖向荷载的偏心作用对剪力墙承载性能和破坏性态的影响并不明显。滞回曲线和骨架曲线 个试件的荷载 位移()曲线如图()()()所示,可以看出,各试件滞回曲线饱满,剪力墙所受水平荷载在 的位移加载范围内无明显变化,当位移加载至 时,水平荷载明显增大。总体来看,新型装配式剪力墙的滞回性能良好。相较试件,试件 和试件 的曲线捏缩现象更为显著,说明较低的轴压比或边缘构件纵筋配
10、筋率均会削弱新型装配式剪力墙的滞回性能。图 滞回曲线与骨架曲线 图()为各试件骨架曲线对比,可以看出:个试件的骨架曲线发展规律一致,分为 个阶段:弹性阶段;墙体协同水平装置摩擦转动,曲线第 期樊禹江,等 新型装配式剪力墙恢复力模型近似水平;墙体受力屈服进入弹塑性阶段;墙体达到极限状态进入破坏阶段。个试件的骨架曲线在阶段和阶段基本重合,说明墙体协同水平装置摩擦转动时,其所受水平荷载与轴压比和边缘构件纵筋配筋率无明显关系。相较于试件,试件 和试件 的极限承载力分别降低了和,说明轴压比或边缘构件纵筋配筋率的减小均会导致新型装配式剪力墙的极限承载力降低。数值模拟及分析 模型建立与验证采用 建立新型装配
11、式剪力墙实体模型。除墙体内部钢筋采用 单元外,其余实体部件均采用 单元。混凝土本构采用 混凝土结构设计规范中建议的塑性损伤模型,材料属性参数则充分考虑混凝土在加载过程中弹性、塑性阶段和循环荷载的损伤累积,并参考材料性能试验结果进行设置,钢筋本构选择文献建议的方法。为避免剪力墙底部连接部位产生滑移,采用绑定约束方式将上部剪力墙与下部箱型钢黏结为整体,并将 型钢底部按照完全固结处理。剪力墙水平连接部位的 个摩擦面(型钢和箱型钢、型钢和钢垫片)均定义为通用接触,摩擦系数取。考虑到水平加载初期,墙体协同水平装置表现为低速转动,将水平装置中心定义为铰以模拟转动效果。为保证加载时水平装置的预紧效果,施加预
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