初明進(jìn)， 劉繼良， 王 博,3， 安 寧， 李愛群

(1 北京建筑大學(xué)北京未來城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心， 北京 100044；2 大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 大連 116024；3 山東艾科福建筑科技有限公司， 煙臺 264006； 4 煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院， 煙臺 264005)

0 引言

不同裝配單元間的連接構(gòu)造是裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]?！堆b配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 1—2014)[3]要求裝配式結(jié)構(gòu)采用整體式接縫連接技術(shù)，其中新舊混凝土結(jié)合面的連接性能是保證接縫整體性的關(guān)鍵。

涂刷界面劑和提高界面粗糙度是改善新舊混凝土結(jié)合面連接性能的常用方法[4-8]，但無法改變結(jié)合面的脆性破壞特征。增設(shè)界面鋼筋能夠避免結(jié)合面脆性破壞，提高結(jié)合面抗剪強(qiáng)度和變形能力[9]；Wairaven等[10]研究表明，若穿過界面的鋼筋均達(dá)到屈服或進(jìn)入強(qiáng)化，則新舊混凝土界面能夠獲得較高的承載力；Frenay等[11]研究表明，良好的錨固條件可使界面鋼筋充分發(fā)揮作用，鋼筋達(dá)到受拉屈服；胡鐵明等[12]指出，鋼筋端部構(gòu)造對界面鋼筋錨固性能影響較大，當(dāng)鋼筋端部設(shè)置彎鉤時(shí)，可獲得較好的錨固性能，充分發(fā)揮抗剪作用。

榫卯接縫[13-15]一般作為榫卯連接裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)中榫卯板間的豎向接縫，其由設(shè)置于榫卯板側(cè)邊的榫卯構(gòu)造、水平連接鋼筋、縱向鋼筋以及后澆混凝土組成，其中榫卯構(gòu)造由間隔設(shè)置的橫向凹槽以及靠近預(yù)制墻板側(cè)邊的縱向孔洞組成。榫卯接縫中水平連接鋼筋為封閉鋼筋環(huán)，與穿插于縱向孔洞內(nèi)的縱向鋼筋綁扎在一起形成鋼筋骨架。

與現(xiàn)有外伸鋼筋直縫連接技術(shù)相比，榫卯接縫為不出筋構(gòu)造，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)制墻板的標(biāo)準(zhǔn)化立模生產(chǎn)，大大提高生產(chǎn)效率；運(yùn)輸、安裝更加方便快捷。直縫構(gòu)造通常依靠設(shè)置粗糙面或鍵槽來保證新舊混凝土結(jié)合面的可靠連接，但粗糙面的衡量標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一，施工質(zhì)量不易保證，鍵槽連接無法改變新舊混凝土結(jié)合面受力的薄弱狀況。榫卯接縫通過榫卯構(gòu)造使新舊混凝土連接、咬合在一起，無需對界面進(jìn)行處理，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，施工質(zhì)量易于控制，連接更加可靠。

為研究榫卯接縫的連接性能，設(shè)計(jì)了3個(gè)雙縫直剪試件，通過改變橫向凹槽和縱向孔洞截面尺寸，研究榫卯構(gòu)造對接縫受力性能的影響，為后續(xù)研究提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

3個(gè)試件編號分別為MTJS-1，MTJS-2，MTJS-3，構(gòu)造示意圖見圖1。試件均由3個(gè)榫卯板和2個(gè)榫卯接縫組成，榫卯板間豎向接縫寬度為100mm。

圖1 直剪試件示意圖

各試件單塊榫卯板尺寸均為2 400mm(高度)×800mm(寬度)×200mm(厚度)，配置雙層雙向分布鋼筋，其中水平分布鋼筋為10@220/180，縱向分布鋼筋為10@180。榫卯板側(cè)邊設(shè)置榫卯構(gòu)造，榫卯構(gòu)造由間隔設(shè)置的橫向凹槽及靠近墻板側(cè)邊的縱向孔洞組成，橫向凹槽間距為400mm。

榫卯板構(gòu)造是本文的研究重點(diǎn)。試件MTJS-1為基準(zhǔn)試件，其截面尺寸及配筋如圖2所示，其橫向凹槽深度為100mm，縱向孔洞尺寸為70mm×120mm(墻寬方向×墻厚方向)，縱向孔洞內(nèi)側(cè)與橫向凹槽底面在同一豎向平面內(nèi)。試件MTJS-2為變化縱向孔洞尺寸試件，縱向孔洞尺寸為120mm×120mm(墻寬方向×墻厚方向)，縱向孔洞內(nèi)側(cè)與橫向凹槽底面不在同一豎向平面內(nèi)，試件截面尺寸及配筋如圖3所示。試件MTJS-3為變化橫向凹槽深度試件，橫向凹槽深度為150mm，縱向孔洞為尺寸120mm×120mm(墻寬方向×墻厚方向)，縱向孔洞內(nèi)側(cè)與橫向凹槽底面在同一豎向平面內(nèi)，試件截面尺寸及配筋如圖4所示。

圖2 試件MTJS-1截面尺寸及配筋

圖3 試件MTJS-2截面尺寸及配筋

圖4 試件MTJS-3截面尺寸及配筋

1.2 材料強(qiáng)度

1.2.1 鋼筋

鋼筋實(shí)測屈服強(qiáng)度平均值fy、極限強(qiáng)度平均值fu及斷后伸長率平均值δ如表1所示。

鋼筋基本力學(xué)性能 表1

1.2.2 混凝土

榫卯板預(yù)制混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級為C30，后澆混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級均為C35。試件制作時(shí)預(yù)留尺寸150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，與試件同條件養(yǎng)護(hù)，混凝土達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度后，試驗(yàn)當(dāng)天測得其立方體抗壓強(qiáng)度平均值fcu如表2所示。

混凝土基本力學(xué)性能 表2

2 加載方案及測點(diǎn)布置

2.1 加載方案

加載裝置如圖5所示。通過對中部墻體施加豎向荷載，實(shí)現(xiàn)對兩側(cè)榫卯接縫的剪切作用[16-17]。采用5 000kN四立柱試驗(yàn)機(jī)施加荷載。首先進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加荷載為250kN；預(yù)加載完成后，采用荷載控制施加軸向荷載，試件開裂前，加載級差為250kN；試件開裂后，加載級差減小至200kN，直至試件破壞或喪失承載力，結(jié)束試驗(yàn)。

圖5 加載裝置

2.2 測點(diǎn)布置

各試件位移、相對變形和應(yīng)變測點(diǎn)布置如圖6所示。布置了4個(gè)位移計(jì)用于測量豎向位移，測點(diǎn)分別為MD1，MD3，LD2，RD2；布置了16個(gè)相對變形測量裝置測量水平張開相對變形，其中測點(diǎn)GU1～GU4，GM1～GM4，GD1～GD4用于測量橫向凹槽底部新舊混凝土結(jié)合面兩側(cè)水平張開相對變形；測點(diǎn)BL2，BL3，BR2，BR3用于測量豎向接縫兩側(cè)預(yù)制墻板水平張開相對變形。布置了36個(gè)電阻應(yīng)變片分別用于測量水平分布鋼筋和水平連接鋼筋的應(yīng)變。

圖6 測點(diǎn)布置

3 破壞現(xiàn)象

各試件最終裂縫開展?fàn)顟B(tài)如圖7所示，試件MTJS-1，MTJS-3發(fā)生破壞。試件MTJS-2上部加載處出現(xiàn)局部壓潰現(xiàn)象，未發(fā)生破壞。

3.1 試件MTJS-1

試件MTJS-1為基準(zhǔn)試件，最終破壞形態(tài)如圖7(a)所示。試件裂縫開展位置主要集中于西側(cè)榫卯接縫位置處，東側(cè)榫卯接縫處裂縫開展較少。

圖7 各試件最終裂縫開展?fàn)顟B(tài)

西側(cè)榫卯接縫位置：豎向荷載為1 240kN時(shí)，距墻底600mm高度位置橫向凹槽底部出現(xiàn)短細(xì)斜裂縫1；加載至1 280kN時(shí)，距墻體600mm高度位置出，右側(cè)橫向凸起角部出現(xiàn)短細(xì)斜裂縫，隨后發(fā)展形成斜裂縫2；加載至1 450kN時(shí)，距墻底1 000mm高度位置處，右側(cè)橫向凸起角部發(fā)展形成斜裂縫3；加載至2 009kN時(shí)，距墻底1 200mm高度位置處，右側(cè)橫向凹槽底部新舊混凝土結(jié)合面出現(xiàn)豎向裂縫；加載至2 320kN時(shí)，橫向凸起根部出現(xiàn)短細(xì)豎向裂縫，隨后，裂縫數(shù)量逐漸增多，部分斜裂縫連通，但未向兩側(cè)墻板方向發(fā)展延伸；加載至3 450kN時(shí)，試件內(nèi)部出現(xiàn)明顯響聲；加載至3 850kN時(shí)，左側(cè)橫向凸起根部預(yù)制混凝土剝落，預(yù)制墻板水平分布鋼筋露出，接縫兩側(cè)構(gòu)件豎向相對變形達(dá)到4.69mm，中部預(yù)制墻板發(fā)生明顯變形，試驗(yàn)結(jié)束。

東側(cè)榫卯接縫位置：加載至2 160kN時(shí)，距墻底1 400mm高度處，橫向凹槽出現(xiàn)斜裂縫4；加載至2 190kN時(shí)，距墻底800mm高度位置處，橫向凸起位置出現(xiàn)短細(xì)斜裂縫；加載至2 320kN時(shí)，距墻底1 200mm高度位置處，橫向凸起位置出現(xiàn)短細(xì)斜裂縫；試驗(yàn)結(jié)束前，距墻底1 000～1 800mm高度范圍內(nèi)的斜裂縫相連，形成較長斜裂縫。

3.2 試件MTJS-2

試件MTJS-2為縱向孔洞截面增大試件。試驗(yàn)過程中，試件中部預(yù)制墻板頂部混凝土出現(xiàn)局部壓潰現(xiàn)象，接縫未破壞，最終裂縫開展?fàn)顟B(tài)見圖7(b)。

西側(cè)榫卯接縫位置：豎向荷載為1 710kN時(shí)，距墻底1 200mm高度位置處，左側(cè)橫向凸起角部出現(xiàn)斜裂縫，向上跨過接縫處后澆混凝土，延伸至右側(cè)橫向凸起角部，形成斜裂縫1；加載至1 860kN時(shí)，距墻底1 600mm高度位置處，左側(cè)橫向凹槽底部出現(xiàn)多條短細(xì)斜裂縫，隨后，裂縫主要集中于榫卯接縫后澆混凝土位置；加載至2 350kN時(shí)，距墻底1 400mm高度處，左側(cè)橫向凹槽出現(xiàn)斜裂縫，與上部斜裂縫相連后形成斜裂縫2；加載至3 950kN時(shí)，接縫兩側(cè)構(gòu)件豎向相對變形為4.49mm，中部預(yù)制墻板上部混凝土壓潰，無法繼續(xù)施加豎向荷載，試驗(yàn)結(jié)束。

東側(cè)榫卯接縫位置：豎向荷載為1 510kN時(shí)，距墻底200mm高度位置處，左側(cè)橫向凸起端部新舊混凝土結(jié)合面出現(xiàn)豎向裂縫，并向橫向凹槽底部發(fā)展、延伸；加載至1 650kN時(shí)，距墻底600mm高度位置處，左側(cè)橫向凸起角部出現(xiàn)斜裂縫，向下發(fā)展、延伸形成斜裂縫3，隨后，裂縫數(shù)量增多，主要集中于后澆混凝土位置；加載至2 900kN時(shí)，部分橫向凸起根部出現(xiàn)短細(xì)斜裂縫；豎向荷載繼續(xù)增加，但橫向凸起根部開裂現(xiàn)象并未增多。

3.3 試件MTJS-3

試件MTJS-3為橫向凹槽深度增大試件，最終裂縫開展?fàn)顟B(tài)見圖7(c)。試件裂縫開展位置主要集中于東側(cè)榫卯接縫位置，西側(cè)榫卯接縫裂縫較少。

東側(cè)榫卯接縫位置：豎向荷載為1 480kN時(shí)，距墻底400，800，1 200，1 600mm高度位置處，右側(cè)橫向凸起角部出現(xiàn)斜裂縫；加載至1 580kN時(shí)，右側(cè)橫向凸起角部出現(xiàn)斜裂縫跨過后澆混凝土延伸形成斜裂縫1、斜裂縫2；隨后，斜裂縫數(shù)量逐漸增多，主要集中于后澆混凝土區(qū)域；加載至1 715kN時(shí)，距墻底1 200mm高度位置處，右側(cè)橫向凸起根部出現(xiàn)豎向裂縫；隨著豎向荷載的增加，左側(cè)橫向凸起端部所在豎向截面出現(xiàn)多條斜裂縫，裂縫寬度逐漸增大；加載至3 900kN時(shí)，中部預(yù)制墻板發(fā)生明顯變形，接縫兩側(cè)墻板豎向相對變形達(dá)到9.48mm，試驗(yàn)結(jié)束。

西側(cè)榫卯接縫位置：豎向荷載為1 940kN時(shí)，距墻底1 200mm高度位置處，加載至右側(cè)橫向凸起端部新舊混凝土結(jié)合面出現(xiàn)豎向裂縫1；隨后，豎向裂縫向上、下橫向凹槽現(xiàn)澆混凝土區(qū)域發(fā)展，形成斜裂縫；加載至2 350kN時(shí)，距墻底1 600mm高度位置處，接縫左側(cè)橫向凸起根部形成短細(xì)斜裂縫。

4 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

4.1 荷載-位移關(guān)系曲線

各試件豎向荷載-位移關(guān)系曲線如圖8所示。通過圖8曲線對比可以看出：1)各試件測點(diǎn)MD1，MD3(中部預(yù)制墻板兩側(cè)位移測點(diǎn)，位置見圖6)處荷載-位移關(guān)系曲線基本重合，表明試件豎向受力均勻，兩側(cè)變形基本相當(dāng)。2)試驗(yàn)初始階段，各試件處于彈性狀態(tài)，未出現(xiàn)開裂狀況，各試件荷載-位移關(guān)系曲線為直線，基本重合；隨著豎向位移增加，各試件裂縫數(shù)量逐漸增多，寬度逐漸增大，剛度降低，荷載-位移關(guān)系曲線斜率逐漸減小，各試件呈現(xiàn)明顯差異性。3)在達(dá)到峰值荷載前，試件MTJS-1，MTJS-2，MTJS-3的剛度依次降低，但對應(yīng)峰值承載力基本相當(dāng)，表明榫卯接縫構(gòu)造對墻體剛度影響顯著。

圖8 豎向荷載-位移(P-Δ)關(guān)系曲線

4.2 承載力和變形分析

各試件開裂、峰值等特征點(diǎn)對應(yīng)的荷載、位移如表3所示。通過對比可以看出：

(1)與試件MTJS-1相比，試件MTJS-2，MTJS-3的開裂荷載分別提高了37.90%，19.35%，平均開裂位移(測點(diǎn)MD1和MD3的平均值)分別提高了49.41%，48.24%，表明改變榫卯構(gòu)造對開裂荷載、位移影響較大；各試件開裂位置均位于榫卯接縫現(xiàn)澆混凝土區(qū)域，增大榫卯接縫縱向孔洞截面可提高榫卯接縫的開裂荷載、位移。

(2)試件MTJS-2因發(fā)生局部破壞未達(dá)到峰值荷載，但其試驗(yàn)過程中最大荷載為3 950kN，大于試件MTJS-1，MTJS-3的峰值荷載，而試件MTJS-1，MTJS-3的峰值荷載基本相當(dāng)，表明當(dāng)橫向凹槽底部與縱向孔洞內(nèi)側(cè)邊在同一豎向平面內(nèi)時(shí)，增大豎向孔洞截面對峰值荷載影響較小；而僅增加豎向孔洞截面有利于提高峰值荷載。

(3)與試件MTJS-1相比，試件MTJS-2，MTJS-3平均峰值位移(測點(diǎn)MD1和MD3的平均值)均有所提高，表明增大豎向孔洞截面能夠提高墻體峰值位移。

4.3 榫卯接縫的連接性能

圖9為試件MTJS-1，MTJS-3水平鋼筋應(yīng)變-位移關(guān)系曲線，其中試件MTJS-1的水平連接鋼筋伸入橫向凹槽內(nèi)長度為100mm，伸入長度為10d(d為鋼筋直徑)；試件MTJS-3的水平連接鋼筋伸入橫向凹槽內(nèi)長度為150mm，伸入長度為15d。因?yàn)樵嚰﨧TJS-2的榫卯接縫未發(fā)生破壞，故未予分析。通過圖9曲線對比可以看出：

圖9 同一截面水平鋼筋應(yīng)變-位移關(guān)系曲線

(1)沿同一豎向截面的水平連接鋼筋，在試件開裂前的鋼筋應(yīng)變基本相當(dāng)；試件開裂后隨著豎向位移增加，鋼筋應(yīng)變逐漸增大，水平連接鋼筋均受拉屈服，且均未出現(xiàn)錨固失效跡象；這表明，榫卯接縫構(gòu)造合理，水平連接鋼筋錨固長度為10d時(shí)能夠充分發(fā)揮作用，保證榫卯接縫的連接性能。

各試件開裂點(diǎn)、峰值點(diǎn)對應(yīng)的荷載、位移 表3

(2)沿同一橫向截面的水平鋼筋，試件開裂前鋼筋應(yīng)變較小，水平分布鋼筋與水平連接鋼筋基本相當(dāng)，水平連接鋼筋能夠傳遞鋼筋應(yīng)力；試件開裂后，鋼筋應(yīng)變逐漸增加，而隨著混凝土開裂情況的不同，鋼筋應(yīng)變呈現(xiàn)明顯的差異性。

(3)試件MTJS-1的破壞截面為橫向凹槽底部所在豎向截面，穿過該豎向截面的鋼筋為水平分布鋼筋，同一截面內(nèi)水平分布鋼筋應(yīng)變明顯大于水平連接鋼筋；而試件MTJS-3的破壞截面為橫向凸起端部所在豎向截面，穿過截面的鋼筋為水平連接鋼筋，同一截面內(nèi)水平連接鋼筋應(yīng)變大于水平分布鋼筋應(yīng)變。

5 結(jié)論

通過對3個(gè)剪力墻試件開展直剪試驗(yàn)，研究了榫卯接縫在剪切荷載作用下的破壞形態(tài)和受力性能，主要結(jié)論如下：

(1)榫卯接縫能夠?qū)崿F(xiàn)水平鋼筋應(yīng)力傳遞，保證墻體整體性。相同位置處水平連接鋼筋和水平分布鋼筋應(yīng)變基本相當(dāng)，水平連接鋼筋能夠有效傳遞鋼筋應(yīng)力。

(2)榫卯接縫內(nèi)水平連接鋼筋伸入凹槽內(nèi)10d時(shí)，其能達(dá)到受拉屈服應(yīng)變，能夠充分發(fā)揮作用；在試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)連接鋼筋滑移或錨固失效跡象，表明水平連接鋼筋在橫向凹槽內(nèi)錨固10d能夠滿足鋼筋連接要求。

(3)榫卯構(gòu)造對榫卯接縫受力性能影響顯著，增大榫卯構(gòu)造縱向孔洞截面可提高開裂荷載、開裂位移和峰值位移，但降低了接縫剛度。

(4)當(dāng)榫卯接縫縱向孔洞與橫向凹槽底部在同一平面時(shí)，增大縱向孔洞截面對榫卯接縫的承載力影響較小。