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摘 要：提出了一种适用于低层建筑的装配式剪力墙结构，并对3个足尺预制剪力墙试件进行了低周往复加载试验。结果表明：在合理范围内增加轴压比, 墙体的承载力有明显提高，两个试件都是延性破坏，延性和耗能能力均有所增强；减小剪跨比会使墙体开裂荷载和原始刚度变大，但延性变差, 水泥砂浆层出现脆性破坏。
关键词：新型低层装配式剪力墙；抗震性能；耗能能力；刚度退化
0 前言
装配式剪力墙结构具有经济性、便捷性、绿色性和抗震性能好等优点，符合我国建筑发展的趋势。近年来，国家大力推进装配式建筑的发展，装配式剪力墙结构得以不断优化和创新，进而更好地实现“等同现浇”的连接要求。
朱张峰等对新型混合装配式剪力墙进行了试验和有限元数值模拟，得出预制墙体抗震性能优于现浇墙体的结论；臧旭磊等阐述了装配式剪力墙的水平节点连接方式，并分析了当前发展面临的问题；高林等通过试验得出预制装配式型钢混凝土剪力墙的抗震性能稍弱于现浇墙体，但能够基本实现“等同现浇”。
装配式剪力墙结构体系现行的高层建筑连接方法，施工难度大、要求精度高且成本较高，不适宜在低层建筑中推广应用。为促进装配式剪力墙结构在低层建筑中的应用，本文将预制剪力墙、水泥砂浆和边缘约束构件结合在一起，形成一种适用于低层结构的新型装配式剪力墙体系。新型装配式剪力墙体系的新在于其将预制墙板、水泥砂浆层和现浇边缘构件有机结合并大大减少了墙体配筋，具有施工方便快捷、更加经济的优点。水泥砂浆层的存在和配筋减少使得新型装配式剪力墙不适用于中高层结构，只能适用于低层结构。但其抗震性能是否满足低层结构的要求尚未可知。因此，本文对3个足尺预制剪力墙试件进行拟静力试验，研究新型装配式剪力墙的抗震性能。
1 试验概况
1.1 试件设计与制作
本试验设计3个1∶1比例剪力墙试件，对3个墙体进行编号，分别为SW1、SW2、SW3，墙体高度为3 000 mm，厚度为160 mm，宽度分别为1 800 mm、1 800 mm、3 600 mm。
试件采用C30混凝土，钢筋为HRB400级钢筋。墙体为预制剪力墙，并采用20 mm厚M7.5 砂浆层与基础连接。预制剪力墙的纵向钢筋、横向钢筋均采用φ6@300双层双向通长布置，墙体两侧预留与现浇边缘构件连接的搭接钢筋220 mm，钢筋层间距为96 mm，边缘构件纵向受力筋采用φ10 钢筋布置，箍筋采用 φ6@300布置，边缘构件宽300 mm，厚度与预制剪力墙相同，SW1、SW2具体尺寸及配筋见图1，SW3较SW1仅墙体宽度增加，其余不变。
1.2 试件加载装置及制度
试验装置图及现场照片见图2。试验过程中用地脚螺栓将基础与试验台座连接固定，避免在试验加载过程中基础产生水平滑移。分配梁中心处放置一千斤顶，通过滑动支座作用在轴向反力架上，用来提供竖向荷载。SW1、SW3设计轴压比为0.05，竖向荷载分别为275 kN、480 kN；SW2设计轴压比为0.1，竖向荷载为550 kN。试验中水平荷载由MTS试验机（1 000 kN）提供，规定墙体背光面为正面。
加载制度采用荷载-位移混合控制。荷载和位移控制阶段分别以20 kN和0.5Δy为加载增量，以试件是否屈服为分界点，分别循环一次和两次。试验采用动态测试系统采集数据，当水平承载力降低至峰值荷载的85%以下或者墙体已经破坏时，停止加载。规定位移方向为作动器内拉为正、外推为负。
2 试验现象
对于试件SW1，水平荷载为140.58 kN时，边缘构件底部向上10 cm处出现裂缝，对应墙顶水平位移为2.51 mm。随着加载进行，边缘构件下部出现数道裂缝，且沿水平方向向内延伸，裂缝在预制墙体部分沿与水平接缝30 °方向继续开展。水平荷载为300 kN时，裂缝持续向墙体内部发展，观察到钢筋应变已大于屈服应变，此时，墙顶的水平位移为11.24 mm ，试件中部缝隙增多。
改为位移控制加载。1.5Δy循环：边缘构件成为主要受力构件，中部发现多条裂缝，裂缝间距变密，边缘构件下部出现大量相交裂缝。2Δy循环（最大水平荷载为399.87 kN）：裂缝进一步发展，坐浆层处缝宽陡增，约束边缘构件下部部分混凝土开始压碎掉落，受力筋开始暴露在外。3Δy第一次循环 （墙顶水平位移为33.95 mm）：两侧边缘构件下部混凝土破碎，墙体水泥砂浆处缝宽4 mm，对应荷载为337.07 kN，受力筋裸露在外约12 cm，水平荷载低于峰值荷载的85%，停止加载，观察墙体破坏现象，墙体出现弯剪破坏。SW1墙体的裂缝分布和破坏情况见图3。
对于试件SW2，水平荷载为180.59 kN时，一条斜向下的裂缝在边缘构件下部受拉侧被发现，对应顶部水平位移为3.26 mm。继续加载，裂缝逐渐增多且沿45 °方向发展，SW2较SW1不同的是裂缝在边缘构件部分并非水平发展，也呈现斜裂缝。水平荷载为320.99 kN （墙顶水平位移为10.8 mm），水泥砂浆层与预制墙体间出现明显贯通缝，观察到贯通筋已经屈服，屈服位移大小与SW1相近。
接下来采用位移控制加载。1.5Δy循环：加载至1.2Δy时（墙顶水平位移为13 mm），边缘构件中部裂缝迅速发展；1.5Δy第二次循环，右侧边缘构件中部一条长裂缝沿45 °方向不断向下延伸。2Δy 循环（最大水平荷载为436.45 kN）：左侧试件中部裂缝以接近45 °方向迅速向下发展，与右侧长裂缝呈“V”形贯通趋势，试件中下部已有裂缝成网状分布。3Δy循环：边缘构件下部混凝压碎，受力筋开始裸露在外；3Δy（墙顶水平位移为33.69 mm）第二次循环时，由于轴压比增大，两侧边缘约束构件下部混凝土破碎较SW1并不明显，此时荷载为369.17 kN，受力钢筋暴露在外4 cm，水平荷载低于峰值荷载的85%，停止加载，观察墙体破坏现象，墙体出现弯剪破坏。SW2墙体的裂缝分布和破坏情况见图4。
对于试件SW3，当顶部水平荷载加至200.67 kN时，出现第一条裂缝（墙顶水平位移为1.39 mm），缝隙位于墙体边缘构件下部受拉侧，裂缝水平越过边缘构件迅速斜向下发展至水泥砂浆层。加载继续进行，裂缝多集中在边缘构件下部且裂缝发展相对缓慢。水平荷载为560 kN时，坐浆层处裂缝迅速发展，但试件正面中部几乎没有裂缝，裂缝竖向间距较小但发展不充分。加载至600.47 kN 时，墙体顶部左侧出现三条近乎平行且间距一致的长裂缝，向并左下方迅速延伸，墙体屈服位移Δy=9 mm。水平荷载为660.90 kN 时，试件顶部水平位移由12.36 mm突变为18.24 mm，混凝土较少脱落，坐浆层完全破坏，墙体出现沿水泥砂浆层的剪切滑移破坏。SW3墙体的裂缝分布和破坏情况见图5。
试件SW3破坏模式与SW1、SW2大不相同。究其原因，墙体剪跨比减小使得墙体初始刚度过大，边缘构件内的竖向贯通筋不能完全发挥作用，进而导致低层装配式墙体延性较差，墙体在屈服后便迅速发生剪切滑移破坏。
3 试验结果与分析
3.1 滞回曲线
各组试件的滞回曲线见图6。由图6可知，对于试件SW1和SW2，试件加载至240 kN前，墙体的荷载位移呈线性关系，此时的滞回环较窄，残余变形很小。随着试验加载的进行，试件从弹性状态向塑性状态过渡，加载到300 kN后，塑形变形持续增大，滞回曲线呈现出远离荷载轴而更靠近位移轴的趋势；试件屈服后，随着加载位移和循环次数的增加，滞回环面积大幅增大，滞回曲线更加光滑饱满，呈现出一定的“捏拢现象”。而对于试件SW3，滞回环狭长，“捏拢现象”十分明显，破坏时刚度突然下降，显然是发生了脆性破坏。
分析各试件滞回曲线可知：①SW1墙体在承载力、延性性能等方面均达到了低层建筑结构抗震的要求；②SW1的滞回曲线被SW2的滞回曲线包围在内，SW2的塑性变形能力更稳定，抗震性能更好；③与试件SW1比，试件SW3“捏拢现象”十分明显，虽然承载力增大，但延性差、耗能能力下降，不利于抗震。
3.2 骨架曲线
各试件骨架曲线见图7。
分析骨架曲线可知：试验加载至240 kN前，SW1和SW2骨架曲线近乎一致，加载至300 kN后开始有明显差异，但曲线变化趋势相似，都有明显下滑段；SW3承载力远大于SW1，但曲线更陡且没有较明显的下降段。分析可知：①增大轴压比可以提高墙体的极限承载力；②试件SW3承载力远大于SW1，但其表现为脆性破坏，说明减小剪跨比后墙体抗震性能明显降低。
3.3 特征荷载
将新型低层装配式混凝土墙体低周反复试验过程中几个关键受力特征点定义如下：边缘构件观察到第一条裂缝或骨架曲线有非线性变化趋势时所对应的水平荷载为开裂荷载；采用能量等值法计算出屈服荷载和屈服位移；用试验加载过程中两个方向的最大加载荷载作为峰值荷载；取构件破坏时对应荷载或水平加载荷载低于0.85Pmax（峰值荷载）时对应的加载荷载为极限荷载。表1为试验过程中每个墙体相应的特征荷载。
由表1可知，SW2的特征荷载均略大于SW1，SW3的特征荷载均远大于SW1，但其极限荷载小于峰值荷载，呈现出脆性破坏趋势。进而可得：①水泥砂浆层与边缘构件内设置贯通筋可以很好地共同作用，提高墙体的抗震能力；②适当增大轴压比可以优化墙体的抗震能力；③减小剪跨比使墙体初始刚度过大，延性大幅下降，不利于抗震。
3.4 位移延性
SW1、SW2、SW3在特征荷载作用下对应的墙顶水平位移Δcr、Δy、Δmax、Δu见表2，进而计算出位移角Δu /H（H为墙体高度）和位移延性系数Δu /Δy。
由表2可知：①SW1、SW2的延性系数均大于3，表明新型低层装配式墙体延性性能较好；②试件SW1的位移角略大于SW2，而SW2延性系数更大，这表明增大轴压比能优化墙体的延性性能；③ SW1、SW2、SW3的最大位移角值为1/88，3个试件在加载过程中均未出现明显的平面外倾斜现象，这表明低层装配式墙体抗倒塌能力良好；④SW3的延性系数远小于SW1，不利于抗震，且SW3发生剪切滑移破坏，说明减小剪跨比对墙体的整体性能不利。
3.5 刚度退化
骨架曲线上任意一点与原点相连的直线斜率为墙体在该加载点的等效刚度，其值为K=F/Δ，随着加载荷载的增大以及位移控制加载中循环次数的增多，墙体刚度下降，这就是刚度退化。采用平均割线刚度表示试件的刚度退化，平均割线刚度的计算公式见式（1）：
式中：±Pi分别为第i级加载中正负向加载荷载的最大值；±Δi为与±Pi相对应的墙顶水平位移。
图8为各组试件的刚度退化曲线。由图8可知，各试件都经历了由快速下降到缓慢下降的变化过程，SW1、SW2位移加载到1 mm时刚度退化约54%，位移控制加载阶段试件刚度退化速度逐渐减慢，近似平行于位移轴，无刚度突变情况。SW3初始刚度远大于SW1、SW2，刚度退化速度略慢，随着加载的进行，试件刚度随水平位移的增大而趋向于平行于位移轴。
分析可得：新型低层装配式剪力墙可以满足低层建筑的刚度要求；SW1、SW2的刚度退化曲线近乎重叠。因此，轴压比对墙体刚度特性基本无影响。对比SW1和SW3，剪跨比较小的墙体，破坏时刚度更大，位移控制阶段退化曲线更陡峭，累积损伤效应更显著。
3.6 耗能能力
新型低层装配式剪力墙的耗能能力可以用等效黏滞阻尼系数ζeq表示，其值越大表示耗能能力越强。3个构件在特征荷载作用下的ζeq值见表3。
由表3可知，与SW1相比，SW2的ζeq值在开裂、屈服、峰值、破坏阶段分别提高了约14.3%、5.2%、12.2%、11.9%，SW3的ζeq值在开裂、屈服、峰值阶段分别降低了约33.3%、-12.5%、20.5%。因此，试验加载过程中主要依靠墙体两侧边缘构件设置的贯通筋屈服耗能，水泥砂浆层协同耗能，但作用较小。新型低层装配式墙体的耗能能力符合相关规范要求；增加轴压比会提高墙体的耗能能力，减小剪跨比会使墙体的后期耗能能力大幅降低。
4 结论
（1）新型低层装配式剪力墙 （SW1）通过水泥砂浆层和墙体两侧边缘构件与基础连接，能够保证竖向贯通筋的强度充分发挥，且水泥砂浆层不会剪切滑移，整体性和抗震性能较好，达到适用于低层建筑的抗震要求。
（2）增大轴压比，新型低层装配式剪力墙（SW2）各方面的性能均有提升，抗震性能更好。
（3）减小剪跨比，新型低层装配式剪力墙（SW3）承载力大幅增加，但其没有明显的下降段，延性下降，呈现突然破坏的趋势，耗能能力骤降，最终墙体脆性破坏，抗震性能差。
（4）SW2较SW1、SW3表现出较好的抗震性能，现场作业方便快捷，更经济实用，为新型低层装配式剪力墙在实际工程中的应用提供了参考。
（编辑：奚雅青）
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