初明進(jìn)， 陳國(guó)堯， 劉繼良， 曹春利,2， 李祥賓， 李愛群

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

0 引言

近年來(lái)，國(guó)家大力推行裝配式建筑以實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展。剪力墻結(jié)構(gòu)是我國(guó)裝配式建筑中最常用的結(jié)構(gòu)形式之一[1-3]。

裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的水平接縫和豎向接縫性能決定結(jié)構(gòu)的整體性能[4]。目前，我國(guó)全預(yù)制剪力墻豎向接縫一般采用濕連接方式，預(yù)制墻板側(cè)面出筋實(shí)現(xiàn)鋼筋連接；墻板側(cè)面出筋降低了生產(chǎn)、安裝效率，在運(yùn)輸、吊裝過(guò)程中極易發(fā)生彎折等，增加了施工難度[5-6]。

榫卯連接裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱榫卯剪力墻)[7-9]是一種新型預(yù)制構(gòu)件不出筋的全預(yù)制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用的預(yù)制構(gòu)件——榫卯板側(cè)面不出筋，具有生產(chǎn)效率高，運(yùn)輸、安裝速度快等特點(diǎn)。

文獻(xiàn)[10]通過(guò)對(duì)3個(gè)試件開展雙縫直剪試驗(yàn)，研究了不同構(gòu)造榫卯接縫的直剪性能，結(jié)果表明榫卯構(gòu)造對(duì)接縫受力性能影響顯著，增加縱向孔洞可提高開裂荷載、開裂位移和峰值位移，但降低了接縫剛度；當(dāng)榫卯接縫縱向孔洞內(nèi)側(cè)與橫向凹槽底部在同一平面時(shí)，增大縱向孔洞截面對(duì)承載力影響較小。由此表明，榫卯構(gòu)造不僅對(duì)構(gòu)件生產(chǎn)、安裝等環(huán)節(jié)產(chǎn)生影響，也會(huì)影響墻體的受力性能。本文設(shè)計(jì)了1個(gè)現(xiàn)澆混凝土剪力墻試件和2個(gè)不同榫卯構(gòu)造的榫卯剪力墻試件，研究在往復(fù)荷載作用下榫卯接縫的連接性能，明晰榫卯構(gòu)造對(duì)墻體抗震性能的影響，為榫卯剪力墻接縫設(shè)計(jì)及其在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了3個(gè)剪跨比為1.5的剪力墻試件，分別為鋼筋混凝土剪力墻試件CW-01，榫卯剪力墻試件SPW-1，SPW-K。各試件幾何尺寸相同，均由加載梁、墻體以及地梁組成，其中加載梁截面尺寸為300mm×300mm，地梁截面尺寸為600mm×650mm，墻體截面尺寸為1 500mm×200mm，高度為2 150mm。

試件CW-01為鋼筋混凝土剪力墻對(duì)比試件，截面尺寸及配筋如圖1所示。墻體由中部墻板和兩側(cè)邊緣構(gòu)件組成，墻板采用雙層雙向配筋，豎向分布鋼筋和水平分布鋼筋均為8@200；邊緣構(gòu)件長(zhǎng)度為400mm，配置616的縱向鋼筋，箍筋為8@200。

圖1 試件CW-01截面尺寸及配筋

試件SPW-1，SPW-K由兩塊榫卯板和豎向接縫組成，截面尺寸及配筋分別如圖2、圖3所示。榫卯板側(cè)邊間隔設(shè)置橫向凹槽，距離為400mm，由板面方向看橫向凹槽為等腰梯形，長(zhǎng)邊尺寸為250mm，短邊尺寸為200mm，高度為150mm。靠近榫卯板側(cè)邊位置設(shè)置縱向孔洞，縱向孔洞與橫向凹槽相交形成榫卯構(gòu)造。試件SPW-1與試件SPW-K的主要區(qū)別在于縱向孔洞的截面尺寸。試件SPW-1縱向孔洞截面為130mm(板寬方向)×120mm(板厚方向)，縱向孔洞內(nèi)側(cè)邊與橫向凹槽底面在同一平面內(nèi)；試件SPW-1縱向孔洞截面尺寸為150mm×120mm(板寬方向×板厚方向)，縱向孔洞內(nèi)側(cè)邊與橫向凹槽底面不在同一平面內(nèi)，由橫向凹槽底面伸入墻板20mm。

圖2 試件SPW-1截面尺寸及配筋

圖3 試件SPW-K截面尺寸及配筋

1.2 試件制作

榫卯剪力墻試件的制作包括榫卯板制作和試件制作兩階段，如圖4、圖5所示。榫卯板制作完成后，吊裝于地梁鋼筋籠上，邊緣縱筋插入鋼筋籠內(nèi)，加固墻體，布置接縫處鋼筋；然后澆筑地梁混凝土；待地梁混凝土達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度后，安裝接縫處及加載梁處模板，再澆筑混凝土形成剪力墻試件。

圖4 榫卯板的制作過(guò)程

圖5 榫卯剪力墻試件的制作過(guò)程

1.3 材料性能

制作試件時(shí)預(yù)留尺寸150mm×150mm×150mm混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，測(cè)得立方體抗壓強(qiáng)度平均值fcu,m如表1所示。表2為實(shí)測(cè)鋼筋屈服強(qiáng)度平均值fy,m、抗拉強(qiáng)度平均值fu,m和伸長(zhǎng)率平均值δm。

混凝土抗壓強(qiáng)度平均值fcu,m/MPa 表1

鋼筋材料性能 表2

1.4 試驗(yàn)方法

加載裝置見圖6。試驗(yàn)采用恒定軸壓作用下的擬靜力試驗(yàn)。首先采用3 000kN豎向千斤頂施加50%豎向荷載，確認(rèn)設(shè)備運(yùn)行正常后卸載，然后施加100%豎向荷載，保持恒定；水平往復(fù)荷載由1 500kN水平千斤頂施加，定義推為正，加載方向由東向西,拉為負(fù)，加載方向由西向東。試驗(yàn)加載采用位移控制，定義加載點(diǎn)位移角θ=Δ/H(Δ為加載點(diǎn)水平凈位移，H為墻體高度)，以θ等于1/2 000，1/1 000，1/500，1/300，1/200，1/150，1/100，1/75，1/60，1/50，1/40，1/35，1/30，1/25時(shí)的位移值為控制位移，θ<1/300時(shí)每級(jí)控制位移加載一次，θ≥1/300時(shí)每級(jí)控制位移加載兩次。

圖6 加載裝置

試驗(yàn)測(cè)量位移的位移計(jì)測(cè)點(diǎn)布置如圖7(a)所示，分別測(cè)量加載點(diǎn)處水平位移(MD1和MD1-1)、沿墻高度不同位置處水平位移(MD2～MD6和MD2-1～MD6-1)、榫卯接縫兩側(cè)墻體水平張開相對(duì)變形(HD1～HD4)和豎向錯(cuò)動(dòng)相對(duì)變形(VD1和VD2)、墻體根部與地梁的相對(duì)變形(VD3～VD6)、地梁平動(dòng)位移(MD7和MD7-1)和轉(zhuǎn)動(dòng)位移(EV1和WV1)，同時(shí)還測(cè)量了墻體兩側(cè)豎向相對(duì)變形(EV2～EV6和WV2～WV6)。

圖7 榫卯剪力墻測(cè)點(diǎn)布置

在豎向插筋、邊緣縱筋、水平根部鋼筋、榫卯接縫處鋼筋套處設(shè)置了鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，如圖7(b)所示。同時(shí)設(shè)置力傳感器測(cè)量水平荷載和豎向荷載。

2 破壞過(guò)程與破壞形態(tài)

2.1 試件CW-01

加載點(diǎn)位移角θ=-1/1 510時(shí)，墻體根部與地梁相交處出現(xiàn)水平裂縫；θ=+1/725，θ=-1/833時(shí)墻體兩側(cè)邊緣構(gòu)件190mm高處出現(xiàn)水平裂縫；隨后墻體邊緣構(gòu)件不同高度處出現(xiàn)多條水平裂縫；θ=+1/631時(shí)邊緣構(gòu)件的水平裂縫斜向發(fā)展，兩側(cè)裂縫在墻體中線處相交；θ=+1/415，θ=-1/395時(shí)邊緣構(gòu)件縱筋屈服，裂縫分布如圖8(a)所示；θ=+1/150時(shí)，墻體部分斜裂縫出現(xiàn)起皮現(xiàn)象，根部受壓豎向裂縫延長(zhǎng)。θ=+1/106，θ=-1/74時(shí)，墻體分別達(dá)到峰值荷載724kN和-803kN，此時(shí)西側(cè)根部混凝土發(fā)生輕微壓潰，兩側(cè)斜裂縫基本呈對(duì)稱分布并在中部相交，最大斜裂縫寬度為2mm，根部水平裂縫寬度為1.5mm，如圖8(b)所示。

圖8 試件CW-01裂縫開展?fàn)顩r

加載點(diǎn)位移角θ=+1/55時(shí)，水平荷載降至峰值荷載的85%，裂縫分布如圖8(c)所示，墻體根部混凝土壓潰程度加大，混凝土小塊脫落，縱筋外露、屈曲。在θ=+1/40的加載第一個(gè)循環(huán)，墻體西側(cè)根部混凝土突然大面積剝落，難以維持承載力，試驗(yàn)結(jié)束。

2.2 試件SPW-1

試件SPW-1的榫卯板橫向凹槽底部與豎向孔洞內(nèi)側(cè)平齊。加載點(diǎn)位移角θ=-1/2 356時(shí)，墻體西側(cè)根部出現(xiàn)水平裂縫；θ=+1/495時(shí)，墻體沿榫卯板橫向凸起根部及橫向凹槽底部出現(xiàn)豎向裂縫；隨著控制位移增大，沿榫卯板橫向凸起根部及橫向凹槽底部出現(xiàn)多條短細(xì)斜裂縫；θ=+1/342，θ=-1/524時(shí)，兩側(cè)預(yù)制邊緣構(gòu)件出現(xiàn)水平裂縫；隨后邊緣構(gòu)件出現(xiàn)多條水平裂縫，平裂縫在越過(guò)邊緣構(gòu)件后發(fā)展成為斜裂縫；θ=+1/166，θ=-1/296時(shí)，兩側(cè)邊緣構(gòu)件縱筋屈服，裂縫分布如圖9(a)所示；θ=+1/100時(shí)，墻體短細(xì)斜裂縫處混凝土出現(xiàn)起皮掉渣現(xiàn)象，在墻體中部形成兩條宏觀豎向裂縫(即多條短細(xì)裂縫組成的豎向裂縫，余同)。θ=±1/85時(shí)，墻體達(dá)到峰值荷載+740.5kN和-796.5kN，裂縫分布如圖9(b)所示，兩側(cè)根部混凝土未發(fā)生壓潰，宏觀豎向裂縫自墻底部延伸至加載梁。

圖9 試件SPW-1裂縫開展?fàn)顩r

峰值荷載后，墻體破壞區(qū)域主要集中于宏觀豎向裂縫處，宏觀豎向裂縫處混凝土起皮、掉渣現(xiàn)象逐漸增多，在θ=+1/75的第二個(gè)循環(huán)時(shí)，宏觀豎向裂縫處混凝土剝落，且榫卯板橫向凸起根部剝落現(xiàn)象最為明顯；θ=+1/60時(shí)，宏觀豎向裂縫發(fā)展成為通長(zhǎng)豎向裂縫，墻體進(jìn)入墻柱組合體受力階段；θ=+1/54時(shí)，水平荷載下降至峰值荷載的85%，裂縫分布如圖9(c)所示，試件根部混凝土仍未發(fā)生壓潰, 破壞主要集中于榫卯板橫向凸起根部及橫向凹槽底部區(qū)域，且橫向凸起部位根部混凝土脫落現(xiàn)象較為明顯。停止加載時(shí)的位移角顯著大于現(xiàn)澆剪力墻停止加載時(shí)的位移角，墻體根部混凝土壓潰區(qū)域(圖9(c))明顯小于現(xiàn)澆剪力墻(圖8(c))，墻體保持良好的豎向承載力。θ=-1/50時(shí)，東側(cè)墻角混凝土發(fā)生輕微壓潰；θ=-1/25時(shí)，墻體豎向裂縫最上部橫向凸起部位混凝土大塊脫落，試驗(yàn)結(jié)束。

2.3 試件SPW-K

試件SPW-K豎向孔洞內(nèi)側(cè)較試件SPW-1伸入伸入墻體內(nèi)部20mm，峰值荷載前破壞特征與試件SPW-1相似。加載點(diǎn)位移角θ=+1/750，θ=-1/1 184時(shí)，根部出現(xiàn)水平裂縫；θ=-1/335時(shí)，墻體沿榫卯板橫向凸起根部及橫向凹槽底部出現(xiàn)裂縫，此裂縫出現(xiàn)的時(shí)間較試件SPW-1晚；θ=+1/367，θ=-1/456時(shí)，邊緣構(gòu)件出現(xiàn)水平裂縫，此裂縫出現(xiàn)的時(shí)間與試件SPW-1基本相當(dāng)；θ=+1/253，θ=-1/223時(shí)，墻體邊緣構(gòu)件縱筋發(fā)生屈服，裂縫分布如圖10(a)所示，相比試件SPW-1其邊緣構(gòu)件水平裂縫開展更長(zhǎng)，并有部分越過(guò)邊緣構(gòu)件發(fā)展成為斜裂縫；θ=+1/150時(shí)，宏觀豎向裂縫處混凝土出現(xiàn)起皮掉渣現(xiàn)象，此現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間較試件SPW-1早。θ=±1/84時(shí)，墻體分別達(dá)到峰值荷載+609.7kN和-772kN，此時(shí)的裂縫分布如圖10(b)所示，試件SPW-K相比試件SPW-1產(chǎn)生斜裂縫更多，并有部分斜裂縫越過(guò)中部接縫發(fā)展，且中部?jī)蓷l宏觀豎向裂縫更為明顯。

位移角θ=+1/75時(shí)，墻體西側(cè)根部混凝土小幅度壓潰；θ=-1/60時(shí)，東側(cè)根部混凝土輕微壓潰，墻體宏觀豎向裂縫發(fā)展成為通長(zhǎng)裂縫，試件進(jìn)入墻柱組合體受力階段，位移角與試件SPW-1的相當(dāng)；θ=+1/50時(shí)，水平荷載降至峰值荷載85%，裂縫分布如圖10(c)所示，相比試件SPW-1，試件SPW-K根部混凝土小幅度壓潰，接縫處破壞面積更大，沿通長(zhǎng)豎向裂縫發(fā)生混凝土剝落現(xiàn)象。位移角θ=+1/25時(shí)，墻體混凝土脫落較為嚴(yán)重，試驗(yàn)結(jié)束。

圖10 試件SPW-K裂縫開展?fàn)顩r

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 滯回曲線及骨架曲線

圖11為各試件水平荷載與加載點(diǎn)水平位移的滯回曲線，圖12為各試件骨架曲線。對(duì)比分析圖11，12可以看出：

圖11 試件滯回曲線

圖12 試件骨架曲線

(1)加載初期，各試件未發(fā)生開裂，基本無(wú)殘余變形，滯回曲線呈線性變化，此時(shí)處于彈性工作階段；隨著水平位移角增大，墻體開裂，殘余變形變大；峰值荷載后，各試件滯回曲線捏攏現(xiàn)象明顯。

(2) 現(xiàn)澆試件CW-01在位移角為1/40時(shí)突然喪失承載力；榫卯剪力墻在位移角達(dá)到1/25時(shí)仍保持水平和豎向承載力。

(3)試件SPW-1，SPW-K的滯回環(huán)曲線和骨架曲線相似。兩個(gè)試件在位移角為1/60左右時(shí)，承載力下降速率均出現(xiàn)明顯減緩，此時(shí)榫卯剪力墻中部?jī)蓷l宏觀豎向裂縫發(fā)展成為通長(zhǎng)裂縫，墻體進(jìn)入墻柱組合體受力階段，承載力下降減緩。

3.2 承載力分析

由于各試件混凝土強(qiáng)度差異明顯，采用有限元軟件ABAQUS分析混凝土強(qiáng)度對(duì)各試件承載力的影響。首先驗(yàn)證數(shù)值分析模型的合理性，試件SPW-1，SPW-K基于原設(shè)計(jì)參數(shù)得到的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖13所示。可見數(shù)值計(jì)算得到的荷載-位移關(guān)系曲線與試驗(yàn)結(jié)果基本重合，表明所建立的數(shù)值分析模型合理。

圖13 水平荷載-位移關(guān)系曲線

以試件SPW-1的實(shí)測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度平均值為基礎(chǔ)，以消除混凝土強(qiáng)度對(duì)承載力的影響，建立了各試件的數(shù)值分析模型，得到的數(shù)值計(jì)算承載力計(jì)算結(jié)果如表3所示。通過(guò)對(duì)比可以看出：

(1)與試件CW-01相比，試件SPW-1的試驗(yàn)結(jié)果與其基本相當(dāng)，但數(shù)值計(jì)算結(jié)果降低了14.7%，表明剪跨比為1.5的榫卯剪力墻承載力略低于鋼筋混凝土剪力墻。

(2)試件SPW-1試驗(yàn)承載力比試件SPW-K提高了11.1%，但數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試件SPW-K基本相當(dāng)，表明榫卯板橫向凹槽底部與豎向孔洞內(nèi)側(cè)是否平齊對(duì)墻體承載力基本沒有影響。

各試件承載力對(duì)比/kN 表3

3.3 延性

表4為各試件達(dá)屈服、峰值、破壞荷載所對(duì)應(yīng)位移角以及位移延性系數(shù)(μ=θu/θy)；通過(guò)幾何作圖法確定墻體屈服狀態(tài)；取試件在水平荷載下降至峰值荷載85%時(shí)的特征點(diǎn)為破壞狀態(tài)[10]。

由表4可以看出，榫卯剪力墻與現(xiàn)澆剪力墻的極限位移角接近。SPW-1，SPW-K極限位移角分別為1/54與1/50，均滿足規(guī)范[12]規(guī)定的彈塑性極限位移角限值1/120要求。榫卯剪力墻位移延性系數(shù)大于4.5。

3.4 耗能能力

圖14為各試件累計(jì)耗能-水平位移(E-Δ)關(guān)系曲線。曲線對(duì)比表明：加載初期，位移角較小(θ<1/500時(shí))時(shí)，各試件基本處于彈性工作階段，累計(jì)耗能較小。隨著位移的增大，試件進(jìn)入彈塑性階段，累計(jì)耗能逐漸增長(zhǎng)。

圖14 累計(jì)耗能-水平位移(E-Δ)的關(guān)系曲線

試件CW-01最大累計(jì)耗能分別為試件SPW-1，SPW-K的49.7%，54.4%，榫卯剪力墻試件累計(jì)耗能顯著大于現(xiàn)澆剪力墻。試件SPW-K最大累計(jì)耗能值為試件SPW-1的91.1%，表明豎向孔洞內(nèi)側(cè)與榫卯板凹槽底部平齊可提高榫卯剪力墻的耗能能力。

3.5 剛度退化

表5為各試件剛度實(shí)測(cè)值。圖15為各試件剛度退化曲線，剛度計(jì)算按照《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》(JGJ/T 101—2015)[11]規(guī)定進(jìn)行。由表5和圖15可以看出：

圖15 剛度退化曲線比較

剛度實(shí)測(cè)值 表5

(1)試件CW-01屈服剛度為初始剛度的39.6%，試件SPW-1，SPW-K屈服剛度分別為初始剛度的42.4%，42.0%，說(shuō)明榫卯剪力墻試件的剛度退化程度小于現(xiàn)澆剪力墻試件，其剛度更穩(wěn)定，抗震性能更好。

(2)試件SPW-1的剛度退化曲線始終在試件SPW-K的之上，說(shuō)明榫卯板橫向凹槽底部與豎向孔洞內(nèi)側(cè)平齊有利于提高榫卯剪力墻剛度。

4 結(jié)論

通過(guò)1個(gè)現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻和2個(gè)榫卯剪力墻的擬靜力試驗(yàn)，研究了剪跨比為1.5的榫卯剪力墻的抗震性能，分析了榫卯板構(gòu)造對(duì)墻體抗震性能的影響，主要結(jié)論如下：

(1)榫卯剪力墻抗震性能良好，承載力低于現(xiàn)澆剪力墻，但剛度退化速率小于現(xiàn)澆剪力墻，累計(jì)耗能顯著大于現(xiàn)澆剪力墻，具有更好的變形能力。

(2)榫卯接縫整體性良好，試件SPW-1，SPW-K接縫開裂時(shí)位移角分別為+1/495，-1/335，遠(yuǎn)大于1/1 000；榫卯板橫向凹槽底部與豎向孔洞內(nèi)側(cè)平齊可延緩榫卯剪力墻接縫破壞，提高墻體剛度及耗能能力。

(3)現(xiàn)澆剪力墻破壞區(qū)域集中于墻體根部，峰值荷載時(shí)墻體根部混凝土壓潰，峰值荷載后墻根部混凝土壓潰區(qū)域突增而喪失承載力；榫卯剪力墻破壞區(qū)域主要集中于榫卯板橫向凹槽底部及凸起部位根部，峰值荷載時(shí)墻體根部混凝土基本完好，峰值荷載后墻體進(jìn)入墻柱組合體受力階段，承載力下降減緩，增大了墻體的變形能力，在位移角超過(guò)1/30時(shí)仍具備良好的承載能力。