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预制混凝土空心模具蹲式剪力墙的抗震性能试验

一、简介

预制施工近十年来在全球取得了势不可挡的成功，尤其是在中国，由于更好的现场控制，

与传统的现浇施工相比，加快了施工速度并减少了现场劳动。受生活习惯和传统的现浇混凝土住宅建筑的影响，中国的预制住宅主要设计为预制剪力墙结构，比预制框架要普遍得多，预制框架在西方和日本很普遍，在中国却并不流行。预制剪力墙结构根据墙壁的预制程度分为两种，第一类是所谓的全预制墙，它是由预制全厚度墙组成的结构。专用钢筋接头，例如灌浆接头（Peng et al.,2015），用于为预制墙体的垂直钢筋提供连续性，导致高成本的连接和严格的安装公差。第二种是由预制的局部厚度墙组成，在原位施工时用作外部模板，即叠加的剪力墙结构。在这些系统中，叠加墙通过现浇连接混凝土和其他拼接钢筋，不需要专门的钢筋接头。因此，叠合墙具有现场浇筑的优点，可实现宽松的安装公差和更快地施工。叠合墙结构通常被视为等效的整体系统，它是根据强度，刚度，变形和能量耗散特性来紧密模拟浇铸现场结构的地震响应。但是，连接相邻预制墙的现浇水平和垂直接缝会显着影响叠加墙结构的上述性能。

最近，已经开发出了具有各种预制板和接缝的叠加墙，例如双壁系统（Chong et al.,2016和2017）预制空心模具系统（Qian et al.,2010;Zhou et al.,2015; Chu et al., 2017）。双层墙由两个通过桁架钢筋连接的预制侧板组成。对挠曲支配的双壁的测试表明，与浇铸的双壁相比，它们具有整体性能（Cai，2015）； 垂直接头，包括隐藏的柱子，连续的连接件或隔开的现浇段，都能满足相邻预制板之间的传力要求（Wang et al.,2012）。但是，由于水平接头处的缝隙集中，在某些测试中观察到变形和能量耗散能力降低（Xiao and Guo，2014; Chong et al.,2016）。为了防止这种不利的缺口打开，(Chong et al.,2017）使用基于容量的设计开发了一种用于双壁的增强型水平接头。与双壁相比，预制空心模具系统中的预制面板带有内部孔，并且两个外环通过内部孔之间的混凝土肋骨而不是桁架钢筋连接。（Qian et al.,2010年）开发了预制墙，该预制墙由带有垂直圆形孔和现浇边界元素的预制板组成（CBE）； 但是，由于水平接缝在垂直接缝中的锚固不充分，一个预制面板上的倾斜裂缝无法连续发展到相邻面板上。为了增强垂直关节的力传递，（Zhou et al.,2015）和（Chu et al.,2017）开发了带有双向（即水平和垂直）孔的预制空心模具，其中壁水平分布测试结果表明，以弹性支配的预制墙表现出的地震行为与它们的浇铸现场相似。 但是，具有垂直缝的预制墙的抗剪强度比现浇墙的抗剪强度低约20％。另外，难以将水平钢筋穿过长壁中狭窄的水平孔插入。 插入水平钢筋所需的CBE不可避免地会增加现场工作和人工。这两个属性限制了这种双向中空模具系统的应用。

这项研究旨在开发一种创新的预制双向中空模具系统，称为EVE预制中空剪力墙结构（EVE-PHSW）。 为了控制成本并简化现场施工，在EVE-PHSW的水平和垂直接缝处使用了非接触式搭接（NLS）而非专用的钢筋接头。 两个拼接钢筋之间的拼接长度ld和净横向距离s是影响NLS性能的关键因素（Hamad and Mansour，1996； Gilbert and Kilpatrick，2015）。对于浇铸现场结构中的NLS，Sagan et al.,（1988）提出可以将sle;s0（s0表示s的上限）的NLS保守设计为接触搭接接头，而忽略了张力s的效果，而对于sgt; s0的NLS，应通过推荐的支撑-牵拉模型考虑s的效果。 但是，建议使用各种s0，例如Sagan等人针对单调建议使用12d（d表示拼接钢筋直径），对于反复无弹性加载建议使用8d。 （1988），而欧洲规范2（2004）和CEBFIP模型代码1990（1990）中为4d。 与整体式现浇构件相比，叠置构件中预制到现浇混凝土界面可能会影响NLS的性能。 但是，对此现象没有很多研究。

EVE-PHSW是通过对上述叠加墙系统的优缺点的严格审查而开发出来的，而这些墙墙系统又被使用或克服。 在这项研究中，EVE-PHSW的概念得到发展和说明。

重点是连接相邻预制板的边界单元和垂直节点。 在这方面，已经对六个EVE预制墙进行了一系列的准静态测试，长宽比（即剪切跨度与深度之比）为1.0-1.3。 测试结果（i）确定接头细节和NLS的可行性，（ii）评估蹲式EVE预制墙的抗震性能，并且（iii）指出该系统可提供的优势。

二、

图1示意性地显示了建议的EVEPHSW，将标准的预制面板组装在一起，以实现具有不同功能和尺寸的建筑平面图。在正交方向上的墙的相交区域，其中大量正交墙和边界元素的钢筋交错，CBE用于易于构造和增强连接；在窗户或门的侧面，预制的边界元件（PBE）用于减少原位模板并加速施工。 NLS在预制面板中提供连续的垂直和水平钢筋。为此，预制面板要用垂直圆角矩形孔和侧面水平圆角正方形孔。垂直孔从底部到顶部贯穿，用于灌注内部现浇混凝土，而水平孔仅放置在侧混凝土肋骨上，用于插入水平拼接钢筋。直钢筋和焊接的闭合箍分别放置在垂直和水平孔中，作为垂直和水平接头的附加拼接钢筋。浇注现浇混凝土后，相邻的预制板和CBE通过现场浇铸的水平和垂直接头连接在一起。 预制面板的内部混凝土肋骨连接两个外墙板，并增强了外墙板和内部现浇混凝土之间的连接。 剪切键在水平和垂直孔处形成，并增强这些接缝处的抗剪强度。

与现有的叠加墙系统相比，EVE-PHSW具有以下优点。首先，使用标准的预制面板，而不是各种大型面板，这使得通过自动化生产线有效地生产面板成为可能。第二，在窗户或门的侧面使用PBE，而CBE仅在垂直方向上的墙的相交区域使用，这有助于减少现场模板和加固组装。第三，在垂直接头中使用NLS可以避免水平钢筋突出，也可以避免水平钢筋穿过长壁狭窄的水平孔插入，从而便于现场安装。第四，由于NLS提供的连续性，可以将预制面板中的水平和垂直钢筋设计为抗剪切和抗弯矩，减少补强量。最后，在水平和垂直接头中都使用了NLS，而不是专用的钢筋接头，从而导致了宽松的安装公差和较少的突出钢筋接头，从而进一步提高了自动化产品线的效率。所有这些使EVE-PHSW成为快速且低成本的构建系统。

三、实验程序

（3.1）标本设计

这项研究的重点是EVE预制墙的剪切性能和竖向连接性能。请注意，具有剪切破坏模式的墙体中的垂直接缝比具有挠性破坏模式的墙体中的临界应力状态更为严格。因此，标本被设计成纵横比为1.0–1.3以确保剪切为主的变形模式。设计和测试了总共六个标有CS1.2，CS1.2H，CD1.3，PD1.3，PD1.3S和PT1.0的标本。图2展示了样品的设计细节，表1展示了测试矩阵。每个标本由一个剪力墙，一个基础梁和一个加载梁组成。基础梁和加载梁被设计为保留在弹性范围内，作为受力构件。所有标本的壁高为1920毫米，以适应装载设备的需要，并具有矩形横截面厚度tw相同，为200毫米，深度为hw。在墙体设计中考虑了三个变量：（i）边界元素的类型，即CBE或PBE； （ii）垂直接头的细节； （iii）预制板的配置。这些变量可以从标本标签，其中第一个字母C或P分别表示CBE或PBE；第二个字母S，D或T表示样品是由一个，两个或三个预制板组装而成的，以分别模拟图1中的预制板的配置。数字1.0、1.2或1.3表示样品的长宽比；最后一个字母H表示预制板的两个中间垂直孔保持空心而没有现浇混凝土，而最后一个字母S表示间隔开的垂直接缝（SVJ）。标本分为三组。第一组包括样本CS1.2和CS1.2H，具有相同的截面属性。但是，CS1.2H的两个中间垂直孔用聚苯乙烯块代替混凝土填充，而上下250毫米高的区域则用现浇混凝土填充，以增强防滑性。通过CS1.2和CS1.2H研究了内部现浇混凝土的效果。第二组由标本CD1.3，PD1.3和PD1.3S组成，它们均由两个预制板组装而成，并且硬件相同。 CD1.3或PD1.3的两个预制面板紧密接触组装，并通过连续的垂直接头（CVJ）连接； PD1.3S的预制板彼此间隔200毫米宽的现浇段，并通过SVJ连接。通过CD1.3和PD1.3研究了CBE和PBE的性能，而通过PD1.3和PD1.3S确定了CVJ和SVJ的性能。第三组包括标本PT1.0，该标本由三个预制板组成。在PT1.0中形成了两个CVJ，并评估了由多个预制板组装而成的EVE墙的性能。

用于预制板的混凝土和浇铸现浇混凝土的强度等级为C30（标称立方抗压强度fcu，d = 30 MPa）。除采用低长宽比外，所有样品均基于容量法设计为“强弯曲和弱剪切”

设计。也就是说，样品的抗折强度明显大于抗剪强度。为此，用大直径高强度HRB500（标称屈服强度fyn = 500 MPa）纵向钢筋加固了边界单元，而正常强度HRB400（fyn = 400 MPa）钢筋进行了加固。用作水平钢筋。所有标本的垂直接缝细节均与实际使用的项目相同（图1），其中水平附加拼接钢筋（HASR）与预制板（HDRP）的水平分布钢筋在相同高度重叠。受水平空间ld和s限制不同标本中的NLS非常相似。表1总结了每个试样的ld和s，其中laE表示GB 50010-2010（2010）中规定的钢筋在抗拉强度下的地震锚固长度。所有样本的ld范围从40d（1.0laE）到48d（1.2laE），显着小于拉紧时接触搭接接头所需的长度，所有钢筋均在GB 50010-2010中的同一部分（= 1.6laE）中重叠。同时，所有样本的s为4.5d或6.0d，符合ACI 318-14（2014）的要求至少1 in。（25.4 mm），d和（4/3）dagg（dagg表示粗骨料的最大标称尺寸）中的最大值，并且拼接钢筋的横向中心间距不应超过以下两者中的较小者： 152毫米和0.2升。

（3.2）标本制作

所有样品均按照实际施工程序进行施工。预制面板是由自动化生产线首先预制的。同时，下部基础梁的构造是从顶部伸出墙体纵向钢筋。将这些零件组装在一起后，再组装其他拼接钢筋和边界元件的钢筋。最后，通过浇筑现浇混凝土将荷载梁与下墙一起浇筑。考虑到专业的预制生产技术和狭窄的现场施工空间，预制集料板和现浇混凝土使用了类似于实际项目的粗骨料最大尺寸为10 mm的细骨料混凝土，以确保混凝土密度。另外，与上壁接触的基础梁的顶面为粗糙面。预制板的底部配有50 mm高的支撑腿（图2）；浇注现浇混凝土后，在水平接缝处形成剪力键，增强了这些接缝的防滑性。

（3.3）材料特性

在150毫米大小的立方体上进行了测试，结果列于表1中。在表1中，根据预制板或现浇混凝土与总面积的面积比来计算每个试样的平均混凝土立方抗压强度。 墙的横截面。 混凝土的轴向抗压强度fc，m根据GB 50010-2010取为0.76fcu，m。 表2总结了在拉伸试验中测得的钢筋的性能，其中fy，m，fu，m，Agt，εy分别表示测得的屈服强度，测得的拉伸强度和最大力和屈服应变下的总伸长率。 在表2中，CRB550表示具有550MPa的标称抗拉强度的冷轧带肋钢筋，并被用作二次构造钢筋。 HRB400和HRB500是热轧带肋钢筋，被用作主要的钢筋。

（3.4）测试设置，负载方案和仪器

图3显示了测试装置，其中将样品牢固地夹在反应地板上，并在恒定的轴向载荷N下承受周期性的横向载荷（表1）。所有样品的轴向载荷比N /（Awfc，m）约为0.07，其中Aw表示壁的总横截面积。垂直千斤顶可以在水平方向上自由移动，以适应顶部的横向位移。横向循环载荷受位移控制。位移用漂移比theta;表示，其定义为顶部横向位移Delta;的比值（受监控

在相对于壁基的D1高度（= 2070 mm）上，通过图3中的位移传感器D1）。 theta;以1 / 2000、1 / 1000、1 / 600、1 / 500、1 / 300、1 / 200、1 / 150、1 / 100、1 / 66和1/50的顺序增加。在1/500漂移之前施加一个周期，而三个周期之后（CS1.2H的两个循环）被应用。相对于壁基的横向加载点的高度H（即加载梁的质心）为2070mm。在每个加载周期中，首先施加推力，然后施加拉力，其中推力定义为正载荷，而拉力定义为负载荷。当无法保持轴向载荷或横向载荷时终止测试负载降至最大负载的一半以下。

应变计（SGs）安装在纵向和水平钢筋上，以监视各个位置的应变响应。如图3所示，位移传感器（DTs）用于研究样品的各种变形响应，例如顶部横向位移Delta;，剪切滑移和垂直和水平缝的打开变形以及基梁的滑移或旋转。

四、测试结果

所有试样的主要结果总结在表3中，其中HRY在下文中表示水平钢筋由于张力而屈服的点。 有效屈服点是由ASCE 41-17（2017）中概述的理想力-位移曲线产生的; 将极限点作为对应于横向载荷阻力减小20％的点； 剪切压缩比Fp /（fc，mbwhw）用于消除混凝土强度和横截面积的影响。 表3显示，对应于水平钢筋屈服的载荷占峰值载荷的0.50–0.73。

（4.1）标本CS1.2和CS1.2H

图4显示了CS1.2和CS1.2H的测试结果。以下，图4（c）中的VRY表示由张力产生的极限边界纵向钢筋的点。割线刚度K定义为K = F /Delta;（图4（d）），初始刚度K0通过线性拟合F相对于Delta;的加载周期为1/2000漂移的曲线而获得。考虑到试件的强度差异，他使用等效粘性阻尼比来评估所有试件的相对能量耗散能力，以便进行更好的比较。如图4（e）所示，他的值是磁滞能量与等效当量的相应弹性能之比粘性系统。

对于CS1.2，在水平方向上出现水平的腓骨裂。在1/1000漂移下距墙基的高度为0-700毫米，然后出现倾斜的裂缝，几乎没有水平裂缝；在1/500漂移下形成的纵横交错的裂缝；预制板（HDRP）的水平分布钢筋在1/200漂移下由张力产生;纵横交错的裂缝在1/150漂移下覆

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