填充墙对装配式剪力墙结构抗震性能的影响研究

遇春超 （龙口市城乡建设投资发展有限公司，山东 龙口 265716）

相对于传统的现浇混凝土结构，装配式结构具备安装方便、资源保护和绿色施工等优势，已逐渐在建筑中得到广泛应用。剪力墙在高层建筑中得到了越来越多的使用，其中联肢剪力墙是目前最常用的装配剪力墙结构形式[1]。由于填充墙是一种非结构性墙体，在设计阶段，仅根据墙体自身重量，采用周期性折减法来反映墙体对抗震性能的增强效应，而未考虑墙体对结构刚度的影响，导致墙体的层间变位及总体变形较大。如果填充墙设置不合理，则易产生短柱或薄弱层，或导致结构产生扭曲[2]。

本文基于3 组不同类型的拟静力试验对装配式剪力墙结构的抗震性能进行了研究，并分析了采用不同连接方式的填充墙对结构抗震性能的反应机理。

1 试验概况

1.1 试件制作

试验试件分别含有填充墙（SW-F/R）和不含填充墙（SW-N）两种，其中，含有填充墙的试件分为柔性连接（SW-F）和刚性连接（SW-R）。试件的组成部分主要有填充墙、剪力墙和梁，并使用套筒将梁和墙结合在一起。柔性连接采用弹性节点方式，在填充墙和剪力墙间预留50mm 缝隙，采用挤塑板进行填充，将填充墙中的纵向钢筋锚固在梁上，锚固长度为210mm；刚性连接采用嵌岩锚固的方式，将填充墙两端的钢筋锚固剪力墙上，锚固长度为210mm，锚固间隔为500mm；SW-F、SW-R 试件的底面与梁没有接头，并留有50mm 的缝隙。

1.2 加载试验

首先，采用2 台2000kN 的液压千斤顶对其进行垂直加载，再利用布置在墙顶上的刚度分布梁将其荷载平均分布在剪力墙上，并分三次依次进行轴向加载，同时在实验期间维持荷载不变，轴压比为0.3。试验采用2500kN 液压随动式MTS 加载方式对其进行横向往复加载，并在反力梁和千斤顶间布置小滑车，以确保其与被测对象的运动一致。基于相关规范要求，试验使用荷载-变形双重控制法。在试件未屈服之前，通过压力控制分段加载，每个阶段一个周期，各阶段荷载相差100kN；待试件接近屈服后，荷载差值降低至50kN；在试件屈服后，使用变形控制加载法，将最大变形量的倍增量作为增加幅度，每个阶段三个周期。在极限承载能力降低到85%或有显著破坏时，测试终止[3]。

1.3 裂缝分布情况及破坏形态

在荷载作用下，三组试件的第一道裂纹都发生在梁的左端位置，并在剪力墙左端墙肢交叉处斜向向上扩展。试验结果表明：SW-N试件的开裂从连梁的端部开始，然后逐渐向墙底延伸；连梁和剪力墙上产生的第一道裂纹均为弯曲竖向和水平裂缝。在此过程中，由于荷载逐渐变大，连梁的竖向和横向裂缝均呈现倾斜的趋势，最终产生了弯剪斜裂缝；在连梁及连梁与墙之间的节点位置，其开裂发展速度要大于墙底。当加载到极限时，由于连梁端部已经出现塑性铰区，其弯矩传递逐渐减弱，连梁的承载力也随之减小，最终达到了极限状态。SW-N 试件最终呈现在连梁处发生剪切破坏和墙肢区域的弯剪破坏形式。

针对SW-F 试件，在填充墙与剪力墙间预留50mm长的缝隙，采用挤塑板进行填充，削弱了其对剪力墙的限制效应。在受荷时，墙体内的裂纹扩展形态与SW-N试件基本相同，表现为墙体端部的剪切破坏及墙肢区域的弯剪破坏。然而，填充墙会与主要建筑构成一体，在受荷时，填充墙、连梁和剪力墙交叉部分的墙肢区域裂缝较SW-N 试件要多，但其墙肢整体开裂相对较少，填充墙自身仅在上部与连梁相接处有少量开裂。

针对SW-R试件，由于刚性连接是将填充墙两端的钢筋锚固在剪力墙上，所以其与主体结构形成了一个整体。在荷载作用下，墙体下部出现了弯剪破坏，同时，出现了梁末端与墙体的剪切破坏。相较于SW-N和SW-F 试件，SW-R 试件表面的裂纹情况明显要好于SW-N和SW-F试件。此外，构件组成部分的相交位置的裂纹要多于SW-F试件。填充墙上产生了斜裂缝，呈对角状，两侧与剪力墙连接区域产生裂缝并导致了相对位移，其破坏程度大于SW-F试件。

2 结果分析

2.1 滞回曲线

由试验结果可知，三个试件在加载前期均为弹性阶段，这时的滞回线近似为梭型，且围成的面积很少；在试件逐渐出现裂缝后，刚度逐渐减小，但滞回曲线围成的面积变大；在构件逐渐屈服时，滞回曲线随着纵筋间的粘结滑移而发生明显的“搓拉”效应，表现为“弓状”，且滞回曲线围成的面积不断扩大，耗能能力也逐渐增加；当到达极限承载力时，其滞回捏缩效果更为显著，滞回曲线从“弓型”变为“S”型，其承载力和能量消耗性能均有所降低[4]。

2.2 骨架曲线

从图1可以看出，SW-F试件与SW-N试件相比，其初始刚度基本相同，但其最大承载能力要高于SW-N试件；SW-R试样比SW-F、SW-N试样具有更高的初始刚度和最大承载力。由此说明，填充墙的加入使结构的最大承载力得到提高，在使用刚接节点时，填充墙对其初始刚度有明显的影响，因此，在抗震性能分析时，应该充分考虑这种效应。

图1 骨架曲线

2.3 刚度分析

由图2 可以看出，在载荷开始阶段，SW-R 试件的初始刚度较SW-N 试件提高了175%，SW-R 试件的初始刚度较SW-N试件提高了20%，这表明填充墙的存在提高了结构的刚度；刚性连接对初始刚度有明显的影响，而柔性连接虽能改善初始刚度，但提升幅度不大。SW-R试件具有最大的初始刚度，但其刚度衰减速率很大，且在其屈服后，其刚度与SW-N、SW-F 型试件趋于一致。

图2 刚度曲线

在载荷前期阶段，SW-F试件的填充墙和剪力墙处于分离状态，所以其初始刚度与SW-N试验结果相近；SW-R试件的填充墙与剪力墙的两个侧面相连，在受荷早期即开始工作，所以其初始刚度要比SW-N、SW-F试件大；在荷载作用的末期，填充墙逐渐出现裂纹，同时，墙与墙之间出现相对位移及裂纹，此时，填充墙慢慢脱离整体工作状态，进而导致其与其他两个试件的刚度曲线逐渐趋于一致。

从表1 可以看出，当连接方式为柔性时，填充墙对于结构的刚度影响较小，试验结果几乎相同；当连接方式为刚性时，填充墙的加入使结构刚度增大1.55倍，相应的周期折减因子在0.8 左右。填充墙属于一种不承重的墙体，一般都是局部设置的，在使用柔性连接时，可以参照砌体墙体的周期折减因子选取0.9～1之间；对于柔性连接，其周期折减因子取值范围在0.8～1。因此，建议在填充墙与主体结构的连接形式有差异的情况下，对墙体进行周期性折减时，要考虑填充墙具体布置形式及数量[5]。

表1 试件刚度结果表

2.4 耗能性能

耗能性能指的是试件在荷载作用中每一次循环产生的滞回曲线围成的面积，是评估抗震性能的一个关键参数。从计算结果可以看出，由于填充墙的加入，使得结构的耗能性能得到改善；在初始阶段，SW-R 试件的耗能性能比SW-F 试件稍大，但当载荷逐渐变大时，其耗能性能逐步提高，在其处于屈服阶段时，SW-F 试件的耗能性能逐步大于SW-R试件。总体而言，柔性连接比对应的刚性连接具有更大的耗能性能，这是因为柔性连接采用在墙体上预留缝隙、填充弹性填料等措施，使其具有良好耗能性能。

2.5 位移和延性

延性是反映构件发生塑性变形的程度，是评估结构抗震性能的一个关键参数，其概念是构件在极限状态下的水平位移。根据试验结果可知：

（1）填充墙增大了装配式剪力墙的承载能力。与SW-N 试件比较，SW-F 试件的最大承载力增加了7.9%，SW-R 试件的最大承载力增加了36.53%。刚性连接比柔性连接对构件最大承载力的作用更大。

（2）SW-F试件的正向开裂荷载及裂缝变形与SWN试件相似，但其反向开裂荷载较SW-N试件大；SW-R试件裂纹数量少于SW-N 试件，但其开裂荷载要大于SW-N 试件；当荷载逐渐变大的时候，SW-F 试件比SW-N 试件的屈服荷载提高了15.8%，SW-F 试件比SW-N 试件的屈服荷载提高了37.92%。在加载前期，当连接方式为柔性时，墙体之间的填充物没有受到压缩，因此，填充墙不会对结构产生太大的影响；当连接方式为刚性时，填充墙与结构形成一体，从而提高了结构的刚度和承载能力。

（3）填充墙会对剪力墙的延性产生一定的作用。试验结果表明，SW-F试件较SW-N试件在不同方向的延性系数降低了2.9%；SW-R试件较SW-N试件在不同方向的延性系数降低了12.5%。当连接方式为柔性时，填充墙被等效为梁，进而使梁的高度变大，导致梁塑性能力降低；当连接方式为刚性时，填充墙对结构的变形有很大的约束作用，同时对结构的延性也有很大的作用。

3 结语

（1）填充墙可以改变建筑物的损伤模式，减少建筑物的损害程度。当连接方式为柔性时，其破坏状态与不含填充墙的情况基本一致，均为梁的剪切破坏及墙的弯剪破坏，但因为加入了填充墙，梁的破坏情况有所改善；当连接方式为刚性时，剪切破坏是梁和墙最大的破坏形式，但在实际工程中，填充墙则与剪力墙组成为整体结构，既可以提高其承载能力，又可以减少连梁和剪力墙的破坏。

（2）填充墙对剪力墙的受力性能和抗侧刚度均有明显的提高。当连接方式为柔性时，其承载力较不含填充墙的试件增加了7.9%；当连接方式为刚性时，其承载力较不含填充墙的试件增加了36.53%；其初始刚度分别增加了20%和175%。

（3）当剪力墙结构无填充墙时，其耗能性能明显降低。填充墙能够消耗地震产生的能量，进而增加剪力墙的抗震性能；此外，针对耗能性能而言，柔性连接要优于刚性连接。

（4）由于填充墙的存在，剪力墙延性系数会出现一定程度的下降。不管连接方式为柔性还是刚性，均会对构件水平位移的发展有一定的限制作用，进而对其延性产生一定的影响；比较而言，柔性连接作用不明显，而刚度连接的影响要大得多。