夹心保温叠合剪力墙竖向钢筋间接搭接性能试验研究

时间：2021-06-16 09:28:59 来源：CABR建筑工业化周剑

1、研究背景

　　双面叠合剪力墙由双面叠合墙板和空腔后浇混凝土组成，双面叠合剪力墙结构体系在欧洲，尤其德国，得到了广泛的应用。该体系自2005年开始引入国内市场后，结合我国国情，以宝业集团为代表的各大企业及科研机构针对其进行了比较全面的试验研究。目前，该体系已相对成熟，且已被纳入国家标准《装配式混凝土建筑技术标准》GB/T 51231-2016。但双面叠合剪力墙一般用于内墙，对于外墙，采用传统双面叠合形式无法实现保温结构一体化，限制了叠合剪力墙在外墙中的应用。

　　为解决叠合剪力墙的外墙应用问题，宝业集团提出了采用玻纤直杆式连接件和平面不锈钢桁架式连接件的夹心保温叠合剪力墙构造(图1)。夹心保温叠合剪力墙的竖向分布钢筋采用搭接连接，这种搭接连接与现浇剪力墙钢筋搭接不同，属于间接搭接;与双面叠合剪力墙钢筋搭接也不同，缺少了钢筋桁架的横向约束作用，代之以连接内外叶墙板的连接件。

　　为给夹心保温叠合剪力墙的工程应用及标准编制提供可靠依据，中国建筑科学研究院有限公司与宝业集团合作，对所提的夹心保温叠合剪力墙的竖向分布钢筋搭接性能进行了较全面的试验研究。

2、研究内容

　　根据研究目的和文献资调研结果，本项目的研究内容主要包括：

　　(1)通过对60个钢筋间接搭接对拉试件进行单向拉伸试验，考虑钢筋直径、混凝土强度、横向连接件种类及位置和钢筋搭接长度的影响，对间接搭接的力学性能进行讨论分析，并建议合理的搭接长度取值。

　　(2)在单向拉伸试验确定的搭接长度基础上，通过对3个竖向分布钢筋间接搭接的无轴压剪力墙进行拟静力试验，研究其在往复荷载作用下的各项力学性能，进而检验单向拉伸试验建议的搭接长度的合理性。

3、单向拉伸试验

3.1 试件设计

　　钢筋采用HRB400级，直径选择8mm和10mm;混凝土强度选择C30和C40;搭接长度由实测的混凝土强度反算得到。设计全现浇钢筋直接搭接的对照试件;考虑到横向连接件布置的位置对间接搭接的影响，设计连接件位置与受拉钢筋位置是否对应的对照试件。试件构造如图2所示，试件参数见表1。

　　试件命名规则：连接件形式及位置(R和T分别代表玻纤直杆和钢筋桁架，A代表位置对应)-混凝土强度-钢筋直径-钢筋搭接长度-贴片(1代表搭接区全长贴片，2代表仅端部贴片)。

3.2 试验现象

　　典型试件破坏现象如图3所示。在搭接长度较大时试件主要以一根受拉钢筋达到极限承载力进而拉断为破坏模式。在搭接长度较小时试件主要以一根或数根钢筋拔出为破坏模式。钢筋屈服前自由端即已出现滑移，随着荷载增加受拉钢筋被拔出混凝土。

3.3 试验结果分析

3.3.1 两种连接件对比分析

　　采用两种连接件的试件承载力统计如图4所示。

　　可知：在C40和C50混凝土情况下，钢筋桁架和玻纤直杆连接件试件的极限承载力基本相同。两种连接件试件的承载力和破坏模式基本相同，搭接长度为0.5la和0.6la时大多发生钢筋拔出破坏，个别试件发生钢筋拉断破坏;搭接长度为0.8la、1.0la、1.2la和1.4la时试件均发生钢筋拉断破坏。

　　两种连接件试件搭接钢筋的应变分布如图5所示，可见采用两种不同连接件的试件中被连接钢筋的应变分布基本相同。

　　典型试件的连接件应变如图6所示，两种连接件的应变数值均非常小，相对于搭接钢筋的应力可以忽略不计。

3.3.2 搭接长度分析

　　以下从不同角度对搭接长度进行分析。

　　(1)粘结强度

　　在钢筋拔出试验中，将发生粘结破坏时钢筋与混凝土界面的最大平均粘结应力定义为粘结强度τu，τu按下式确定：

　　本文试件在搭接长度不足时均发生拔出破坏，破坏形态与钢筋锚固拔出破坏相同，因此可以认为与钢筋锚固类似，在间接搭接情况下，为达到钢筋受拉屈服直至拉断的承载力，所需的搭接长度与粘结强度成反比。钢筋受拉时，若要使得钢筋间接搭接的极限承载力不小于钢筋锚固时的极限承载力(极限状态均表现为钢筋拉断)，则需满足：

　　钢筋锚固粘结强度τa可根据《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010附录C得到。将本文搭接试验得到的搭接粘结强度τs与τa对比发现，所有试件均满足(最大比值为1.18)，也即搭接长度取为1.2la时，间接搭接的极限承载力将不小于钢筋锚固承载力，实现钢筋可靠连接。

　　(2)搭接可靠标准

　　本文定义符合下述条件为有效搭接：搭接钢筋受拉可以屈服直至达到极限强度，并且在屈服前钢筋自由端不发生滑移，极限时钢筋自由端滑移不超过0.2mm。

　　对所有试件按上述标准进行分析判断后发现：搭接长度为0.5la时，多数试件钢筋无法屈服且均发生拔出破坏;搭接长度为0.6la和0.8la时，钢筋能够屈服，试件可能发生钢筋拉断或拔出破坏;搭接长度为1.0la时，钢筋能够屈服，大多数试件发生钢筋拉断破坏并符合前述有效搭接的条件;搭接长度为1.2la和1.4la时，所有试件钢筋均能屈服直至拉断，符合条件。因此，可以认为1.2la的搭接长度可以实现钢筋的有效搭接传力。

　　(3)有效搭接长度

　　钢筋间接搭接时，在拉力作用下钢筋上沿长度的应力分布并不均匀，随着加载端拉力增大，拉应力从加载端逐渐向自由端渗透。将钢筋应变不超过2倍混凝土极限拉应变的部分认为混凝土未发生明显开裂，即钢筋与混凝土间无明显滑移。进而将有效搭接长度定义为搭接长度去除自由端附近低应力段后的剩余长度。

　　按上述方法可得到所有试件的有效搭接长度，结果表明：发生钢筋拉断破坏的试件，有效搭接长度随搭接长度的增大而增大。在搭接长度为0.6la和0.8la时，有效搭接长度等于搭接长度;在搭接长度不小于1.0la时，有效搭接长度通常小于搭接长度，且对于1.2la和1.4la的试件，有效长度相差不大，均不大于1.2la。

3.4 单向拉伸试验总结

　　(1)连接件的形式对夹心保温叠合剪力墙的竖向钢筋搭接传力性能的影响可以忽略。

　　(2)叠合剪力墙间接搭接试件和现浇直接搭接试件的承载力和破坏模式基本相同。

　　(3)在单调拉伸作用下，竖向钢筋间接搭接的搭接长度取为1.2倍锚固长度可以实现有效传力。

4、墙体往复加载试验

4.1 试件设计

　　共设计3个试件，包括钢筋桁架连接件、玻纤直杆连接件和现浇直接搭接试件各1个，编号分别为SW-T、SW-R和SW-C。其中，桁架试件的内叶墙预制部分厚50mm，后浇部分厚150mm，预制外叶墙厚60mm，保温层厚60mm;直杆试件的内叶墙预制部分厚50mm，后浇部分厚150mm，预制外叶墙厚60mm，保温层厚40mm。竖向钢筋间接搭接长度取1.2倍设计锚固长度。试件构造如图8所示。

4.2 试验现象

　　试件破坏现象如图9 所示。3个试件的试验现象大致相同，在顶部往复水平力的作用下，试件根部与地梁的结合面处首先发生开裂;随着荷载增加，试件下部约40cm处出现水平裂缝并延伸至贯穿，同时根部接缝处裂缝宽度不断增大;水平裂缝开展主要集中在根部，地梁插筋被全部拉断后试件破坏。

4.3 试验结果分析

4.3.1 荷载 - 位移曲线

　　各试件的滞回曲线及骨架曲线如图10 所示。

4.3.2 承载力及刚度

　　各试件特征点荷载统计见表3，三个试件的开裂荷载和屈服荷载基本相同，SW-C的峰值荷载稍大于SW-T和SW-R。从对比情况可知，钢筋间接搭接的承载力与直接搭接基本相同。

　　定义往复水平力作用下每次循环最大位移时的割线刚度为等效刚度K，三个试件的等效刚度退化曲线见图 11。结果表明，在根部开裂前SW-C试件的刚度明显大于SW-T和SW-R，这是由于SW-C试件墙体为全现浇，而SW-T和SW-R两个试件为预制叠合墙，其底部现浇部分与地梁的结合面相对较弱，对刚度有所影响。在开裂后三个试件的刚度基本一致。

4.3.3 根部裂缝宽度

　　图12 给出了试件在加载至位移角1/1000、1/300、1/100时根部结合面水平裂缝宽度沿截面的分布情况。结果表明，间接搭接试件和直接搭接试件在同一位移角时结合面处裂缝宽度基本一致;随着位移角的增大，裂缝宽度增大。

4.4 墙体试验总结

　　(1)各试件均以根部结合面处开裂后地梁插筋拉断为破坏模式。

　　(2)各试件的滞回曲线和骨架曲线基本一致，承载力和开裂后刚度基本相同，变形能力基本相同。

　　(3)各试件的根部结合面裂缝宽度分布基本一致。

　　(4)在往复荷载作用下，搭接长度取为1.2倍锚固长度的间接搭接方式与直接搭接各项力学性能基本一致，可以实现有效传力。

5、总结

　　本项目通过60个对拉拉搭接试件的单向拉伸试验和3个往复加载的墙体试验，对采用玻纤直杆连接件、不锈钢桁架连接件的夹心保温叠合剪力墙的竖向分布钢筋间接搭接性能进行了较全面的研究，从不同角度分析验证了所取搭接长度及搭接构造的受力可靠性，可为夹心保温叠合剪力墙的工程应用提供依据。相关研究成果已纳入由宝业集团股份有限公司和中国建筑科学研究院有限公司联合主编的CECS标准《装配整体式夹心保温叠合剪力墙工程技术规程》(征求意见后修改阶段)。

　　本/篇/作/者

　　周剑，1989年1月出生，2015年硕士毕业于清华大学土木工程系，负责和参加多项装配式结构的研发、咨询及设计工作，作为主要起草人参编CECS等团体标准4项，发表学术论文十多篇，申请专利十余项。

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