预制钢筋混凝土剪力墙结构抗震性能研究进展

预制钢筋混凝土剪力墙结构抗震性能研究进展

结构体系设计预制钢筋混凝土墙结构是一种高度工业化的建筑结构体系。主要优点是节省劳动力，现场施工高效，劳动强度低，重量轻，结构强度和变形能力优于混合结构。预制钢筋混凝土剪力墙结构抗震性能的研究是预制钢筋混凝土剪力墙结构进入实际应用的重要保证。本文在文献的基础上,对普通预制装配式钢筋混凝土剪力墙结构、无粘结后张拉预应力预制混凝土剪力墙结构、预制叠合板式剪力墙结构及其它类型的预制剪力墙结构的抗震性能进行了综述。1无粘结预应力混凝土剪力墙结构体系预制装配式混凝土剪力墙结构较早的形式为预制装配式钢筋混凝土墙板结构(预制装配式大板结构),20世纪60年代该结构体系在欧洲得到迅速发展,随后被中国引进,然而由于预制装配式大板结构体系在地震中表现不佳,其抗震性能有待进一步研究提高。20世纪90年代,美国和日本的预制混凝土抗震性能研究项目PRESSS(PrecastSeismicStructuralSystemResearchProgram)提出了无粘结后张拉预应力预制混凝土剪力墙结构体系(unboundedpost-tensionedprecastconcretewallstructure,简写为UPPCW结构),该结构体系具有自恢复中心能力和较好的抗震能力。预制叠合剪力墙结构是一种半装配式结构,该结构体系兼备现浇结构和装配式结构的特点,是现浇结构向全装配式结构发展的必备阶段。其它具有新型结构形式的预制装配式剪力墙结构体系(如预制圆孔板剪力墙结构)同样具有良好的抗震性能,该类预制装配式剪力墙结构的抗震性能正受到研究人员的关注。2结构体系内的斜裂缝CloughRW等、尹之潜等进行了预制装配式钢筋混凝土墙板结构(大板结构)整体性能的振动台试验研究及数值分析。研究表明:大板结构的破坏机理为墙板之间水平接缝的剪切滑移和墙体的摇摆,竖向接缝主要起耗能作用。大板结构的破坏过程为:(1)装配板缝逐渐松动,底部水平板缝开裂,墙体发生有限的剪切滑移。(2)结构在底部裂通的水平缝以上形成一个整体质量块,沿水平通缝做摇摆振动,导致了水平面通缝的抬起和闭合。姜洪斌、陈再现等对预制钢筋混凝土剪力墙结构进行了拟静力试验和拟动力子结构试验研究。研究表明:预制构件之间的变形能力较强,在出现可见斜裂缝之前,试验模型的刚度退化显著。采用的水平接缝连接技术(预制混凝土插入式预留孔灌浆钢筋搭接)具有较好的可靠性,在地震作用下能够保证其连接性能。WilsonJL等利用数值模拟和能力谱法研究了装配式大板结构的抗震性能。研究表明:预制楼板和预制剪力墙墙片的连接处是结构的关键部位,地基的软硬程度和基础的埋置深度对节点锚固长度有显著影响。对于浅基础和软土地基,装配式结构能够保证其整体抗震性能。3新型预制钢筋混凝土剪力墙结构20世纪90年代,美日联合项目PRESSS研究了预制钢筋混凝土结构抗震性能,此项目促成了一种新型预制钢筋混凝土剪力墙结构(UPPCW结构)。UPPCW结构通过后张拉穿过预制剪力墙墙板及其水平接缝的钢筋或钢绞线而构成,其特点为在地震作用下结构发生较大位移,但结构的损伤和残余位移没有或很少,即该结构具有自恢复中心能力。UPPCW结构的最大缺陷在于耗能能力不足。3.1结构自恢复中心能力在UPPCW结构中增加与混凝土有粘结的软钢,形成部分无粘结后张拉预应力预制钢筋混凝土剪力墙结构(PartialUnboundedPost-tensionedPrecastConcreteWallStructure,简写为PUPPCW结构),PUPPCW结构的示意如图1所示(文献)。图2为现浇剪力墙结构、UPPCW结构、PUPPCW结构在往复水平荷载作用下的滞回曲线。从图2中可以看出,UPPCW结构的耗能能力较差,现浇剪力墙结构和PUPPCW结构的耗能能力较好,PUPPCW结构的滞回曲线成对称的旗子形,卸载后结构的残余位移较少。文献进行了传统剪力墙结构和UPPCW结构的拟静力试验对比研究(文献)。研究表明:层间位移角达到2.5%时,传统剪力墙结构发生明显损伤,UPPCW结构完好无损,传统预制剪力墙延性性能和耗能能力优于UPPCW结构;层间位移角达到3%时,UPPCW结构没有明显的损伤,而传统剪力墙则发生严重破坏。HenryRS等在UPPCW结构中设计了不同大小、不同布置方式的圆形和椭圆形软钢耗能剪力键,利用软钢的屈服耗能增加结构的耗能能力。研究表明:椭圆型剪力键的耗能能力优于其它形状的剪力键,利用其弯曲屈服能够有效增加结构的耗能能力,控制结构在荷载作用下的极限位移。KuramaYC在UPPCW结构中设置粘滞阻尼器和软钢阻尼器,降低结构在地震作用下的侧向位移。MarriottDJ等进行了设置有软钢阻尼器、粘滞阻尼器的UPPCW结构振动台试验研究。研究表明:软钢阻尼器和粘滞阻尼器有效提高了结构的耗能能力,降低了结构在地震作用下的位移。大震作用下,结构的损伤主要集中于软钢阻尼器和粘滞阻尼器,结构的其它构件损伤较小。吕西林等认为,UPPCW结构的自恢复中心能力与预应力、竖向自重荷载、结构墙体端部的构造措施、耗能软钢的含量比例有关。ErkmenB等认为,若能保证预应力筋不受压,初始预应力和最大的竖向轴力荷载对自恢复中心能力影响不大,但端部钢筋锚固细节对结构的滞回耗能和自恢复中心能力影响较大;预应力筋分布在预制剪力墙墙体的边缘时,结构的自恢复中心能力达到最优。同时认为,后张拉预应力对结构抗侧刚度和滞回耗能影响较大。无粘结后张拉预应力预制连梁(unbondedposttensionedprecastconcretecouplingbeams,简称为UP-PC连梁)通过后张拉穿过UPPC连梁和预制剪力墙墙肢的预应力筋,将UPPC连梁和预制剪力墙墙肢连接在一起(图3)。WeldonBD等研究了UPPC连梁在单调荷载作用下的非线性行为。研究表明:UP-PC连梁有以下优点:(1)在水平荷载作用下,UPPC连梁的非线性变形首先发生在UPPC连梁和预制剪力墙墙肢的交界面处,随着荷载增加,连接角钢屈服耗能,结构受到的损伤较小。(2)UPPC连梁具有自恢复中心能力,地震作用后,UPPC连梁的残余位移较小。WeldonBD等进行了UPPC连梁在低周反复荷载作用下的试验研究。研究表明:水平荷载作用下,UPPC连梁的非线性位移由连梁端部的开口大小决定。UPPC连梁的水平刚度,强度、延性和耗能跟角钢的性能密切相关。3.2uppcw结构的设计方法KuramaY等提出限制PUPPCW结构侧向位移的基于性能抗震设计方法,该方法能使PUPPCW结构在设计地震水准作用下不发生破坏,在大震作用下发生损伤但不倒塌。PUPPCW结构中,软钢和后张预应力高强钢筋共同抵抗弯矩,软钢屈服耗能,后张拉预应力提供自恢复中心能力。KuramaY通过非线性静力方法和非线性时程分析方法验证了该设计方法的有效性。研究表明:由于自恢复中心能力的存在,与常规软钢耗能结构相比,PUPPCW结构的软钢需求量较少。RestrepoJI等给出了在基础底部发生摇摆的UPPCW结构的抗震设计方法,通过拟静力试验验证了该设计方法的有效性。研究表明:利用该方法设计的墙片发生3%的侧向位移角时,墙体仍然具有侧向承载力及自恢复中心能力。PerezFJ等对带有竖缝的UPPCW结构进行分析,提出了基于设计目标的简化分析模型,并利用试验研究和纤维模型的分析结果,验证了简化模型计算的有效性。SriramA等指出,由于应变相容在UPPCW结构的截面上并不成立,传统的截面设计方法并不能用于该类结构的设计。SriramA提出了UPPCW结构的简化分析方法,并利用试验数据验证了该方法。研究表明:该方法不仅考虑了墙体主要侧向反应的特点,同时也可以精确量化墙体的中和轴位置、后张拉钢筋的伸长量以及连接键的变形特性。SaqanEI等改进PRESSS提供的设计方法,提出了无因次设计方法,该设计方法可以对结构的设计参数进行一系列的优化。SaqanEI通过实际计算,比较了PRESSS设计方法和无因次设计方法的优越性。PerezFJ等研究了竖缝连接为延性连接器的UPPCW结构的抗震性能,提出了基于基底剪力需求的抗震设计方法。竖缝连接为延性连接器的UPPCW结构的设计屈服过程为:(1)基底压力的增加;(2)延性连接器的屈服耗能;(3)墙和基础开裂导致的结构侧向刚度的下降;(4)预应力筋的屈服。研究表明:带有竖向连接键的UPPCW结构的性能,跟预应力筋的配筋率、初始预应力和竖向连接键的总剪切屈服力相关。4剪力墙性能研究潘陵娣等、连星等进行了预制叠合板式剪力墙(图4)的拟静力试验研究和非线性有限元分析。研究表明:预制叠合板式剪力墙的受力变形过程、破坏形态与普通钢筋混凝土剪力墙相似。预制叠合板式剪力墙的极限承载能力、变形能力和延性低于普通钢筋混凝土剪力墙。设置不同边缘约束构造措施的预制叠合板式剪力墙的耗能能力、粘滞阻尼系数无明显差异。BenayouneA等研究了预制叠合板墙体在轴心荷载作用下的性能。研究表明:在轴心荷载作用下,所有的叠合板墙体均作为一个整体进行工作,直至破坏,预制叠合墙板体的极限承载力随着叠合板长细比的增加而非线性减小。LeeBJ等利用非线性有限元分析了预制3层空心板剪力墙的受力性能,提出预制3层空心板剪力墙可以提高剪力墙的保温性能和受力性能。研究表明:预制3层空心板剪力墙可以利用现行混凝土结构设计规范进行设计,但需同时考虑预制3层空心板剪力墙墙端所引起的应力对结构受力性能的影响。5节点性能试验研究张微敬等进行了单片和双片预制圆孔板剪力墙的拟静力试验和非线性有限元分析。研究表明:在低周反复荷载作用下,单片和双片预制圆孔板剪力墙墙体与基础梁之间出现贯通的水平裂缝,墙体的边缘构件几乎沿全高出现水平裂缝。单片和双片预制圆孔板剪力墙的破坏形态为弯剪破坏。朱张峰等对全预制装配式剪力墙结构(图5,NPC体系)节点性能进行了试验研究和有限元分析,对比研究了预制装配式节点与现浇节点的承载力、耗能、延性及滞回性能。结果表明:全预制装配式剪力墙结构可以达到与现浇结构相同或相近的承载能力以及抗震耗能能力。HamidNH等进行了多片预制空心板剪力墙(图6)共同作用的拟静力试验。试验模型包括6片预制钢筋混凝土剪力墙,其中2片预制剪力墙是承重构件,通过无粘结螺纹钢筋与基础相连,其它4片预制空心板剪力墙作为装饰墙板,不用于承重;相邻预制剪力墙之间通过橡胶垫或硅树脂填充剂连接。试验表明:层间位移达到2%时,结构没有破坏,承重墙和装饰墙上均没有出现裂纹;层间位移达到3%时,仅有少量的非结构构件损坏;层间位移达到3.5%时,结构的损伤发生在相邻剪力墙的连接处,即橡胶垫或硅树脂填充剂。6混凝土结构体系设计的基本规范和方法新西兰混凝土结构设计规范(NZS3101)详细介绍了UPPCW结构基于塑性性能的抗震设计方法,该方法考虑了UPPCW结构弯矩转角关系的应变不相容性及UPPCW结构竖向接缝之间的耗能连接。日本的预制混凝土建筑体系设计、制作和施工的标准规范较完善,主要体现在预制混凝土规范《预制混凝土建造规程》(JASS10)和《幕墙建造规程》(JASS14)。美国混凝土设计规范(ACI318)对预制钢筋混凝土剪力墙结构进行了简要的介绍,对其设计方法进行了一定的规定。LeeHJ指出,现行ACI318规范低估了楼板对混凝土结构受力性能的影响,并且实际荷载的传力路径不同于现行规范。LeeHJ给出了考虑楼板影响的混凝土结构强度和刚度的设计需求。Cleland认为,ACI318的设计方法旨在提高结构的强度和刚度,但忽视了冗余约束对结构的不良影响,有必要就此对该类设计方法进行修订。中国工程建设标准化委员会标准《整体预应力装配式板柱建筑技术规程》对建筑高度不超过60m、抗震设防烈度不超过8度的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地土矩形柱网的整体预应力装配式板柱建筑进行了介绍。深圳市《预制装配整体式钢筋混凝土结构技术规范》对竖向构件(墙、柱)为现浇,水平构件为预制装配式叠合梁、叠合板,外墙为预制外挂墙板的装配整体式结构的设计、施工、制作进行了规定。江苏省《预制装配整体式剪力墙结构体系技术规程》对水平构件采用叠合梁、叠合板,竖向构件为预制剪力墙,采用浆锚连接的装配式剪力墙结构进行了介绍。安徽省《叠合板式混凝土剪力墙结构技术规程》对叠合板式剪力墙的设计、计算、施工等进行了详细的规定。黑龙江省《预制装配整体式房屋混凝土剪力墙结构技术规范》对一种新型预制装配式剪力墙结构的设计、计算、施工进行了规定。该规范中,新型预制剪力墙的竖向结构构件为预制混凝土剪力墙,水平构件为预制混凝土叠合梁、叠合板,楼梯为预制混凝土楼梯,钢筋的竖向连接为插入式预留孔灌浆钢筋搭接连接,钢筋的水平连接方式为插销式焊接环连接。7预应力钢筋混凝土剪力墙结构体系的研究介绍了预制钢筋混凝土剪力墙构结构抗震性能研究的最新进展,所介绍的结构包括常规预制钢筋混凝土剪力墙结构、无粘结后张拉预应力预制混凝土剪力墙结构、预制叠合剪力墙结构以及其它新型的预制剪力墙结构;综述了国内外预制钢筋混凝土剪力墙结构设计规范以及设计方