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1、装配式建筑单元设计及其结构试验研究 王可卿 盛超 朱忠阳 郭华瑜 南京工业大学建筑学院 宿迁学院建筑工程学院 南京工业大学土木工程学院 摘 要： 针对装配式建筑体系中剪力墙在施工方面存在的困难, 设计了一种由梁和上、下半墙组成的半体剪力墙单元, 为了研究其结构抗震性能, 文中对 2 个现浇剪力墙和 1 个预制装配式剪力墙进行了低周反复荷载试验, 分别研究了预制装配式剪力墙与现浇剪力墙的破坏形态、滞回曲线以及承载能力。试验结果表明:施工缝位置对结构的影响更大, 半体剪力墙通过合理的连接方式能够满足建筑与结构的要求。关键词： 装配式建筑; 剪力墙; 试验研究; 作者简介：王可卿 (1989) ,
2、女, 江苏南京人, 硕士, 主要研究方向为公共建筑设计;作者简介：郭华瑜 (联系人) , 教授, E-mail:.收稿日期：2016-03-20基金：宿迁学院基金 (2014KY07) Research on the design elements of prefabricated building system and the structural testsWANG Keqing SHENG Chao ZHU Zhongyang GUO Huayu College of Architecture, Nanjing Tech University; Architecture and Civi
3、l Engineering, Suqian College; College of Civil Engineering, Nanjing Tech University; Abstract： For the difficulty of shear wall construction the prefabricated building system, this paper introduced a new building unit, which includes beam, the upper half and lower half of the wall.To study its perf
4、ormance, two situ shear walls and a prefabricated shear wall were tested under cyclic loading.The failure modes, hysteresis curves and carrying capacity of the prefabricated shear walls were analyzed.The experimental results showed that the construction joints have a larger influence on the structur
5、e.The half shear wall unit with reasonable connection could meet the requirements of structures through the structural experiments.Keyword： prefabricated building; shear wall; experimental research; Received： 2016-03-20引用本文:王可卿, 盛超, 朱忠阳, 等.装配式建筑单元设计及其结构试验研究J.南京工业大学学报 (自然科学版) , 2017, 39 (6) :130-135.
6、装配式建筑在许多发达国家中已成为建筑工业化的重要组成部分, 欧洲是装配式建筑的发源地, 早在 17 世纪就开始了建筑工业化之路。日本和韩国借鉴了欧美的成功经验, 在探索建筑标准化设计上, 特别是装配式建筑结构体系整体性抗震、隔震设计方面取得了突破性进展, 代表性的建筑是 2008 年日本建成的东京塔。我国从 20 世纪五、六十年代开始研究装配式混凝土建筑的设计施工技术, 形成了一系列装配式混凝土建筑体系, 如装配式多层框架、装配式大板等建筑体系。随着高层、超高层建筑的兴起, 建筑形式、建筑体系呈现出多样化, 但由于装配式建筑功能及物理性能的局限及装配式建筑设计与施工技术研究不够, 因而, 20
7、 世纪 90 年代中期以后, 装配式混凝土建筑已逐渐被全现浇混凝土建筑体系取代, 特别是预制构件抗震的整体性和技术经济性较差, 导致装配式建筑体系长期处于停滞状态, 装配式工业化建筑模式也就没有得到迅速的发展1。加快发展装配式建筑体系, 走建筑工业化之路, 符合我国绿色、低碳、可持续发展的理念。住建部在已完成的征求意见稿建筑产业现代化发展纲要中明确提出, 到 2020 年, 装配式建筑占新建建筑的比例要达到 20%以上, 到 2025年, 装配式建筑占新建建筑的比例要达到 50%以上, 从而明确了未来 510 年建筑产业现代化的发展目标2。目前, 在一级抗震、设防烈度为 8 度、建筑结构高度
8、100 m 的建筑物中, 装配式混凝土结构体系一般采用剪力墙结构体系或框架-剪力墙结构体系, 预制部件为叠合梁、叠合板、预制柱、外墙挂板、楼梯、阳台等, 通过现浇剪力墙和叠合板连接预制构件。为了进一步提高混凝土结构建筑物的装配率, 推进建筑工业现代化的发展, 有学者通过国家“十二五”科技支撑计划项目, 开展了相关模型的抗震试验研究3-5, 结果表明, 采用相应连接的预制试件抗震性能与现浇结构基本相当。同时重点研究了预制剪力墙及连接技术, 主要有 U 形套箍的竖向连接方式6、插入式预留孔灌浆钢筋连接搭接方式7、齿槽式连接8方式等。现有的研究成果表明, 装配式预制剪力墙总体上能够达到现浇结构的性能
9、, 但是需要改进节点构造连接。因此, 现有的装配式预制剪力墙体系, 其节点连接技术成为预制剪力墙单元工程应用的关键技术。装配式建筑体系的特点就是高效、快捷、便于施工, 现有的剪力墙体系不管采用什么节点连接技术, 剪力墙与梁之间的现场连接都比较困难, 剪力墙与梁之间的施工缝无法做到密实, 所以实际工程中很难保证施工质量。本文设计了一种新型的装配式建筑单元, 该单元由梁和上、下半墙组成, 采用现有的连接技术连接。结构试验表明, 该建筑单元能够满足建筑与结构性能的要求。1 半墙式剪力墙建筑单元设计装配式预制剪力墙结构的可靠性主要依赖于拼接截面的可靠连接, 可靠的拼缝是保证其整体性和抗震性能的关键,
10、而装配式预制剪力墙结构在施工过程中不可避免地存在大量的施工缝。清华大学、哈尔滨工业大学、东南大学、中国建筑科学研究院等对带有水平施工缝和竖向施工缝的剪力墙装配结构进行了大量的研究, 取得了很多有价值的成果。同时实践表明, 不管连接技术有多么成熟, 在装配施工过程中, 后浇筑形成的施工缝必然弱化结构的性能。目前, 国内所采用的装配整体式剪力墙结构的连接是将上、下两层预制墙片在楼层梁处通过预留的竖向钢筋连接形成水平拼缝, 连接方式通常为套筒灌浆连接或约束浆锚搭接连接9, 其连接位置一般在楼面标高附近, 如图 1 所示。图 1 浆锚链接水平拼缝位置 Fig.1 Pulp anchor connect
11、ion horizontal seam position 下载原图上述建筑单元及连接沿用了传统的单元模式, 带来的问题就是施工不方便, 而且形成的水平拼缝正好落在受力较大的区域。本文设计的新型建筑单元是将梁和剪力墙组合在一起, 如图 2 所示。剪力墙及梁在工厂预制在一起, 将传统的剪力墙分为上下两个部分, 分别位于梁的上、下两侧, 现场安装时只需要将梁定位, 两层梁之间的墙体对接, 按照事先做好的构造就位, 连接可采用已有的任何一种方式。图 2 半墙式建筑单元 Fig.2 Semi-wall building unit 下载原图2 新型建筑单元的结构试验研究为了便于试验研究, 将新型建筑单元进
12、行简化, 因新型建筑单元 (包含的墙与梁) 采用整体现浇、工厂预制, 所以墙与梁之间的连接优于现场浇筑。故此, 只需要研究两个单元墙体之间的连接。2.1 试件设计试验共设计了 3 个剪力墙试件, 试件均采用 12 缩尺模型, 试件表面呈 I 形。将 3 个试件分别编号为 RCW1、RCW2 和 PCW1, 其中 RCW1 和 RCW2 为现浇试件, 区别在于 RCW1 的施工缝位于构件底部, RCW2 的施工缝留在构件中间。PCW1 为预制拼装试件, 具体做法是预制单元为楼层半层高的墙体, 接缝位置处做成齿槽形, 齿槽的水平段处放置钢板与墙内纵向分布筋焊接在一起, 拼缝处用结构胶填充, 试件如
13、图 3 所示。试件混凝土分 3 个批次浇筑完成, 混凝土等级采用C25, 保护层厚度取 25 mm。墙内水平和纵向分布钢筋均采用 HRB335 级钢筋, 直径为 6 mm, 分布筋的间距为 100 mm, 暗柱中的纵向钢筋采用 HRB335 级螺纹钢, 直径为 10 mm。图 3 试件连接形式 Fig.3 Specimen connections 下载原图2.2 试验材料2.2.1 混凝土试验所用水泥为宿迁项王牌 42.5R 普通硅酸盐水泥;细骨料采用人工中砂, 平均细度模数为 3.250, 颗粒级配符合二类级配区;粗骨料为天然二号碎石;拌和水为普通自来水, 混凝土的配合比见表 1 所示。根据
14、普通混凝土力学性能试验方法标准 (GB/T 500812002) 测定混凝土的材料力学性能, 实测混凝土立方体抗压强度见表 2 所示。表 1 混凝土配合比 Table 1 Concrete mix 下载原表 表 2 混凝土立方体抗压强度实测值 Table 2 Strength test results of cube concrete specimens 下载原表 2.2.2 钢筋试件中钢筋均选用 HRB335 级螺纹钢, 所用钢筋均为同一批次钢筋。根据金属材料室温拉伸试验方法 (GB 2282002) 测定钢筋的材料力学性能, 表 3 为HRB335 级螺纹钢的力学性能指标。表 3 钢筋强度
15、实测值 Table 3 Test mechanical properties of steel 下载原表 2.3 试件制作钢筋按照设计形式进行绑扎, 并在纵向分布钢筋端部焊接上钢板。剪力墙模板包括剪力墙墙身的模板及柱底座处的模板两部分组成, 预制剪力墙模板包括上半预制墙体、下半预制墙体以及底座处的模板三部分。浇筑之前, 在钢筋骨架相应位置上粘贴应变片。3 个构件的浇筑方法是:RCW1 构件的浇筑顺序是将构件的底座浇筑好, 待混凝土凝固后再浇筑上部墙体, 使得施工缝的位置处于构件的底部。RCW2 的浇筑顺序为首先将底座和墙体的部分一起浇筑好, 待混凝土凝固后浇筑上另一部分墙体, 从而使得施工缝的
16、位置出现在构件的中部。PCW1 为预制构件, 上、下两个预制墙体全部浇筑好, 最后拼装在一起。拼装以前打磨齿槽处的混凝土和钢筋保证混凝土和钢筋的平整度和尺寸的准确性, 最后在齿槽处涂抹结构胶将上、下两部分墙体拼装在一起。2.4 加载方案试验采用拟静力试验方法, 加载装置如图 4 所示。试验时, 水平荷载由 250 k N 的 MTS 电液伺服加载系统提供;竖向荷载由 300 k N 的液压千斤顶提供, 轴压比为 0.2。加载方案采用荷载位移混合控制加载, 即在达到屈服位移以前由力控制, 并以 10k N 为级数逐级递增加载, 每级荷载循环一次。达到屈服位移后, 以屈服位移控制, 每级位移以屈服位移为基础, 以 5 mm 为等差数列增加, 每级位移控制循环一次。当施加水平荷载最大值降至峰值荷载的 85%时, 认为试件已经发生破坏, 停止加载。图 4 加载装置 Fig.4 Test set-up 下载原图2.5 实验过程nt
