地下车站叠合混凝土外侧墙底部节点抗震性能试验研究

Experimental Studies on Seismic Performance of Bottom Joints of Precast Concrete Composite Outer Walls in Underground Metro Station

摘要

针对一种适用于单柱双跨地下车站的叠合混凝土结构方案，开展了其关键受力部位——外侧墙底部节点大尺度模型的低周反复荷载试验，结果表明：叠合试件和现浇对比试件的破坏形态接近，均为侧壁底部、腋角上缘截面发生压弯破坏，单面叠合和双面叠合试件均具有良好的整体性；叠合试件与现浇对比试件的荷载-位移角滞回曲线总体都比较饱满，表现出较好的滞回性能，其承载力均能满足设计要求；2个叠合试件的延性系数均为3.1，比相应的现浇对比试件高约3.3%；叠合试件的耗能能力和刚度退化规律总体上与现浇对比试件相近。在此基础上，通过有限元分析，进一步研究了叠合侧壁底部连接构造对节点抗震性能的影响，结果表明：根据拼缝截面承载力等效原则设计叠合侧壁底部连接钢筋时，试件的正、反向承载力均与相应的现浇对比试件接近。

Abstract

In order to study the safety of the precast concrete composite structure， which was suitable for the single-column double-span underground metro station， low-reversed cyclic loading tests were conducted on large-scale models of the bottom joint of outer wall which was the key part of the structure. The results showed that the failure patterns of the composite specimens were similar to that of cast-in-place （CIP） specimen， all of which were compressive bending failure at the bottom of the wall and the upper edge of the haunching， and both the composite specimens with single-skin wall and double-skin wall had good structural integrity. The P-δ hysteresis loops of the composite specimens and the CIP specimen were generally full， showing a stable hysteresis response， and the bearing capacity of all the specimens can meet the design requirements. The ductility coefficients of the two composite specimens were both 3.1， which were about 3.3% higher than that of the CIP specimen. The energy dissipation capacity and stiffness degradation of the composite specimens were similar to those of the CIP specimen in general. On the basis， the influence of different designed details on the seismic performance of the bottom joint was further analyzed through the finite element analysis. The results showed that the bearing capacities of the composite specimens were close to that of the CIP specimen when the connecting steel bars of the composite walls were designed according to the principle of equivalent bearing capacity of the bottom sections.

Graphical abstract

关键词

地下车站 / 叠合混凝土结构 / 外侧墙底部节点 / 抗震性能 / 低周反复荷载试验 / 有限元分析

Key words

underground metro station / precast concrete composite structure / bottom joint of outer wall / seismic performance / low-reversed cyclic loading test / finite element analysis

0 引 言

地下车站装配式混凝土结构因其在提升建造效率、工程质量、工业化和绿色化水平等方面的积极作用，而受到越来越广泛的关注^［1-3］。

在装配式混凝土结构中，叠合混凝土结构是一种重要的结构形式，它具有整体性好、预制构件运输和吊装要求不高、接缝防水构造简单等优势，在国内外的建筑结构中已有比较广泛的应用^［4］。近年来，有学者针对在地下车站中应用叠合混凝土结构开展了相关技术分析^［5-7］和试验研究^［8-10］。上述工作初步验证了地下车站叠合混凝土结构的可行性与安全性。但总体而言，已有工作尚处于起步阶段，且主要针对的是采用特定连接构造的单面叠合构造方案，更全面、系统的研究尚有待进一步开展。

目前，地下车站结构普遍采用单柱双跨结构形式，适用于该结构形式的、典型的叠合混凝土结构方案如图1所示。该方案中，整体结构由叠合顶板与顶纵梁、叠合中板与中纵梁、现浇或预制底板与底纵梁、预制中柱以及叠合外侧墙组成。其中，叠合外侧墙可根据基坑支护条件和现场施工条件的不同选择单面叠合［图1（a）］或双面叠合［图1（b）］构造。为了研究该结构方案的安全性，本文首先针对其关键受力部位——外侧墙底部节点开展大尺度模型的抗震性能试验研究，并在此基础上通过有限元滞回分析，进一步研究叠合侧壁底部连接构造对节点抗震性能的影响。本文的研究成果将为地下车站叠合混凝土结构的推广应用提供依据和参考。

1 试验方案

1.1　试件设计

以某实际工程为背景，共设计了3个地下车站外侧墙底部节点试件。其中，PCJ1和PCJ2分别为采用单面叠合侧壁和双面叠合侧壁的试件，RCJ为相应的现浇对比试件。3个试件的施工图如图2所示。受试验条件限制，3个试件均设计为1/2缩尺模型。3个试件所采用的钢筋和混凝土材性试验结果见表1和表2。PCJ1由于采用单面叠合侧壁，其侧壁底部连接钢筋仅在内叶预制板处配置，外侧竖向钢筋为整体连续形式。PCJ2由于采用双面叠合侧壁，其侧壁底部在内、外叶预制板处均配置连接钢筋。此外，由图2可见，3个试件的侧壁内、外侧竖向钢筋配筋不同，外侧明显多于内侧，这与工程原型结构相应部位的配筋设计方案一致。

需要说明，3个试件的侧壁底部截面均按钢筋面积等效原则设计，即PCJ1和PCJ2侧壁底部的连接钢筋面积与RCJ相应的侧壁竖向钢筋面积相等。由于预制板厚度的影响，PCJ1和PCJ2侧壁底部的连接钢筋比RCJ相应的侧壁竖向钢筋更靠近截面中和轴，后文将结合试验和有限元分析结果对这一构造的影响作进一步说明。

1.2　加载方案

地下车站的外侧墙主要处于平面外受力状态。因此，本试验在试件的侧壁顶部施加平面外水平反复荷载。此外，为反映结构自重的影响，本试验在侧壁顶部施加竖向恒定荷载，其数值按轴压比0.1计算得到。3个试件均采用如图3所示的加载装置。

试验加载包括两个阶段，首先施加竖向恒定荷载，然后再进行水平反复加载。水平反复加载按照我国现行标准《建筑抗震试验规程》（JGJ/T 101—2015）中规定的荷载-位移混合控制方式进行，即：①试件开裂前按照荷载控制加载；②试件开裂后按照位移控制逐级递增反复加载，每一级加载的位移角δ=0.5%，每级位移角循环加载3次；③试验后期，当顶部水平荷载下降至最大荷载的85%以下或位移超过加载设备极限时，试验结束。

1.3　测试方案

试验的主要测试内容包括：①试件顶部水平加载点处的侧移和荷载；②试件底板的水平侧移；③试件关键截面处钢筋与混凝土应变；④试件的裂缝发展情况；等等。

2 主要试验结果与分析

2.1　受力过程与破坏形态

2个叠合试件的受力过程与相应的现浇对比试件相近，均经历了开裂、屈服、达到荷载峰值和破坏四个阶段：①开裂阶段。单面叠合试件PCJ1和双面叠合试件PCJ2的开裂荷载分别为40 kN和30 kN，略小于现浇对比试件RCJ的开裂荷载（50 kN）；3个试件的第一条裂缝均为侧壁底部水平方向的受弯裂缝，其中PCJ1和PCJ2的初始裂缝均位于内叶预制板底部界面处，RCJ的初始裂缝则位于侧壁底部、腋角上边缘处。②屈服阶段。位移角增大到1.0%的过程中，RCJ侧壁底部的竖向钢筋以及PCJ1和PCJ2的连接钢筋均出现受拉屈服，3个试件均在侧壁底部、腋角上缘以上区域新增多条水平裂缝。通过裂缝描线可见，在正反向加载过程中部分内、外侧水平裂缝贯通。③荷载峰值阶段。钢筋屈服后，随着位移角的增大，试件顶部水平荷载仍继续增大。3个试件均在位移角增大到1.5%的过程中达到水平荷载峰值。在此过程中，3个试件的侧壁底部受拉侧裂缝不断扩展，受压侧逐步出现竖向裂缝，并开始出现混凝土起皮和剥落现象。其中，RCJ的侧壁内、外侧竖向裂缝主要集中在保护层区域；单面叠合试件PCJ1的侧壁外侧竖向裂缝分布与RCJ的基本一致，内侧竖向裂缝则主要集中在内叶预制板叠合界面及其下部的翻浆层处；双面叠合试件PCJ2的侧壁内、外侧竖向裂缝均主要集中在内、外叶预制板叠合界面及其下部的翻浆层处。④极限阶段。随着位移角继续增大，3个试件的顶部水平荷载均开始逐渐下降。最终，3个试件均因侧壁底部内侧、腋角上缘区域的混凝土压碎、竖向钢筋或连接钢筋压屈而发生破坏。在此过程中，RCJ的侧壁底部外侧和腋角区域外侧混凝土保护层大面积剥落，但2个叠合试件未发生这一现象。3个试件的最终破坏形态如图4所示。

在整个受力过程中，3个试件的腋角和底板仅出现了少量细微的裂缝，底板中的横向受力钢筋远未屈服。2个叠合试件中的桁架筋均未屈服，也未观察到明显的叠合面滑移，这表明2个叠合试件均具有良好的整体性。

2.2　滞回曲线

基于侧壁顶部的水平荷载以及侧壁位移角测试结果，得到3个试件的荷载（P）-位移角（δ）滞回曲线，如图5所示。

由曲线分析可见：① 3个试件的滞回曲线总体都比较饱满，表现出较好的滞回性能。其中，单面叠合试件PCJ1的滞回曲线与RCJ的更接近；双面叠合试件PCJ2由于侧壁外侧连接钢筋更靠近中和轴，从而使得其反向承载力偏低，因此其滞回曲线在反向加卸载部分的形态与RCJ的存在一定差别。② 3个试件的正向荷载峰值均明显小于反向荷载峰值，这一规律与试件侧壁内、外侧的竖向钢筋配筋差别一致，与实际工程的设计计算结果也是一致的。③同一级位移角下3个加载循环的顶部水平荷载逐渐减小，表明在反复加载过程中混凝土不断产生累积损伤，试件出现了强度退化现象。④ 3个试件在加载后期均表现出一定的捏拢现象，这主要是由加载后期试件侧壁底部的裂缝不断扩展、混凝土保护层剥落、竖向钢筋或连接钢筋与混凝土之间的滑移加剧等因素引起的。

2.3　骨架曲线

图6所示为3个试件的荷载（P）-位移角（δ）骨架曲线，表3列出了3个试件的特征点荷载与位移角。

由图表分析可知：① 3个试件在反复加载过程中均经历了比较明显的开裂、屈服、荷载峰值和极限破坏四个阶段，这与试件的受力过程及观察到的试验现象保持一致。开裂之前，所有试件的骨架曲线在正、反向均近似为一条直线；开裂后，骨架曲线开始向水平方向倾斜，表现出一定的刚度退化；屈服后，荷载增加缓慢但位移增加迅速，刚度退化现象明显；达到荷载峰值之后，荷载随着位移的增大逐渐下降，表现出负刚度特性。②单面叠合试件PCJ1的正向承载力比相应的现浇对比试件RCJ低约19.1%，但反向承载力高约8.1%。双面叠合试件PCJ2的正向承载力与相应的现浇对比试件RCJ接近，但反向承载力低约23.8%。PCJ1的正向承载力和PCJ2的反向承载力明显偏低的试验结果与试件设计结果相吻合，这主要是由于2个叠合试件的连接钢筋位置受预制板影响，其有效高度相比RCJ的竖向钢筋明显减小但钢筋面积相等，如按比例增大连接钢筋的面积则可有效提高2个叠合试件的承载力，后文将结合有限元分析进一步说明。③与反向不同，PCJ2的正向承载力与相应的RCJ接近，这主要是由于PCJ2的侧壁预制板厚度相对较薄，而侧壁内侧连接钢筋数量较少（面积仅为外侧连接钢筋的25%），这使得侧壁内侧竖向连接钢筋位置变化对正向承载力的影响减小，且相关影响显著小于反向。④ 3个试件的反向承载力均明显高于正向承载力，这一现象与试件侧壁内、外侧竖向钢筋的配筋差别一致，也与实际工程中侧壁的设计计算结果一致。

2.4　延性与变形能力

延性是反映结构或构件受力性能的重要指标之一，通常以延性系数表示。延性系数μ定义为极限位移角δ_u与屈服位移角δ_y的比值，即μ=δ_u/δ_y。其中，屈服位移角δ_y一般基于骨架曲线通过能量法确定；极限位移角δ_u一般为试件荷载下降到峰值荷载的85%时对应的位移角，如试件荷载未下降到峰值荷载的85%，则取试件破坏时的位移角。3个试件的延性系数以及特征点荷载和位移角见表3。

对表中数据分析可得：① 3个试件的延性系数均值在3.0~3.1之间，均表现出试件具有较好的延性。② 2个叠合试件的延性系数均为3.1，比相应的现浇对比试件高约3.3%，这与所观察到的现浇对比试件在荷载峰值后破坏发展更严重的试验现象是一致的。③ 3个试件的极限位移角均值达到2.7%，表现出试件具有良好的变形能力。

2.5　刚度退化

刚度退化是指结构或构件在反复受力过程中刚度逐渐降低的特性，它在一定程度上反映了结构或构件的损伤程度。通常采用割线刚度K_j =P_j /Δ_j 来表示。其中，P_j 为第j级加载各循环顶部水平荷载的均值，Δ_j 为第j级加载各循环顶部水平位移的均值。3个试件的刚度退化曲线如图7所示。

分析可见：① 2个叠合试件的刚度退化规律与相应的现浇试件基本一致，在加载前期刚度下降速度较快，但随着位移角的增大，刚度下降趋势逐渐变缓，这表明试件的刚度退化主要集中在加载前期，即试件开裂和屈服阶段。②屈服后，3个试件的刚度下降均相对放缓，这主要是因为试件的刚度下降主要由混凝土裂缝的产生和发展引起，这一过程主要集中在试件屈服之前。③ 在同一级位移角下，3个试件的正向刚度均低于反向刚度，这主要与试件的侧壁内、外侧配筋差别以及腋角构造有关。④ 双面叠合试件PCJ2的反向刚度略低于相应的单面叠合试件PCJ1和现浇对比试件RCJ，这主要是因为PCJ2侧墙的外叶预制板构造使得外侧连接钢筋的位置相对更靠向中和轴，从而在一定程度上影响了PCJ2的反向承载力和刚度。

2.6　耗能能力

耗能能力是评估结构或构件抗震性能的重要指标之一。通过计算滞回曲线所包围的面积可对试件的耗能进行量化分析。图8所示为3个试件的累积耗能曲线。

分析可见：① 开裂前，3个试件基本处于弹性阶段，其耗能均较小；随着位移的增大，试件逐渐进入弹塑性阶段，耗能明显增大；在破坏阶段，随着混凝土损伤不断累积，试件水平荷载下降，但累积耗能仍然会随着位移角的增大而增加。② 同一试件在同级位移角下的反向耗能大于正向耗能，这主要与试件侧壁的内、外侧配筋与腋角构造导致的水平荷载差别有关。③ 2个叠合试件的累积耗能总体上与相应的现浇对比试件相近，仅在加载后期现浇对比试件RCJ的累积耗能略高，这主要是由于叠合试件侧壁的连接钢筋受预制板影响更靠近中和轴，从而使得水平荷载相应有所降低。

3 有限元分析

为了进一步分析叠合侧壁底部竖向连接构造对叠合外侧墙底部节点试件抗震性能的影响，本研究基于ABAQUS软件对叠合侧壁采用不同竖向连接构造设计参数的叠合外侧墙底部节点试件进行了滞回分析。

3.1　有限元建模与试验验证

本研究建立的叠合外侧墙底部节点ABAQUS有限元模型采用C3D8R单元模拟混凝土实体，采用B31单元模拟竖向和横向钢筋，采用T3D2三维桁架单元模拟桁架钢筋。此外，有限元模型中还采用了“标准（surface to surface）”的表面间离散方法模拟叠合界面处混凝土的接触行为。

为了反映材料在反复荷载作用下的损伤特性，本研究有限元模型中混凝土的本构模型采用了塑性损伤模型，钢筋的本构模型则采用的是考虑“包兴格效应”的随动硬化准则模型。本研究建立的叠合外侧墙底部节点有限元模型如图9所示。图10所示为有限元分析得到的叠合试件破坏形态。图11所示为滞回曲线和骨架曲线的分析结果与试验结果对比。

从对比结果可见，有限元模型分析得到的单面叠合和双面叠合外侧墙底部节点的破坏形态与试验结果接近，滞回曲线与骨架曲线形态以及承载力结果均吻合良好，这表明本研究建立的有限元模型具有较好的准确性和可靠性，可用于叠合外侧墙底部节点试件的滞回分析。

3.2　参数分析

由前文试件设计相关内容可知，单面叠合试件PCJ1和双面叠合试件PCJ2的侧壁底部连接钢筋均按照与现浇对比试件RCJ相应位置处竖向钢筋面积相等的原则进行设计。由于叠合侧壁预制板的影响，连接钢筋的位置比现浇试件相应竖向钢筋的位置更靠近中和轴，这对叠合试件的承载力和后期刚度等都会产生一定影响，前述试验结果也呼应了这一设计原则产生的影响。

鉴于此，本研究基于侧壁底部截面承载力等效原则设计了两个叠合试件PCJ1C和PCJ2C，即PCJ1C和PCJ2C侧壁底部的连接钢筋按照侧壁底部截面承载力与现浇对比试件RCJ的侧壁底部截面承载力相等的原则进行设计，并基于上一节中经试验验证的有限元建模方法对PCJ1C和PCJ2C进行了建模与分析。图12所示为滞回曲线和骨架曲线分析结果与试验结果的对比。

对上述图表分析可得：① 与基于钢筋面积等效原则设计的叠合试件PCJ1和PCJ2相比，基于截面承载力等效原则设计的叠合试件PCJ1C和PCJ2C，其滞回曲线和骨架曲线的总体形态与现浇对比试件更吻合。② 基于截面承载力等效原则设计的叠合试件，其承载力和刚度与现浇试件接近，其中PCJ1C的正、反向承载力与RCJ的分别相差+1.2%和+7.1%，PCJ2C的正、反向承载力与RCJ的分别相差+11.9%和+0.2%。

4 结 论

（1） 叠合试件与现浇对比试件的破坏形态基本一致，均以侧壁底部、腋角上缘截面发生压弯破坏为标志。其中，现浇试件的侧壁底部外侧和角部外侧混凝土保护层剥落严重，但2个叠合试件未发生这一现象。

（2） 叠合试件与现浇对比试件的滞回曲线形态相近，均较为饱满，表现出良好的滞回性能。

（3） 叠合侧壁底部连接钢筋按面积等效原则设计时，2个叠合试件的承载力均低于相应的现浇对比试件，但均能满足设计要求。

（4） 叠合试件与现浇对比试件均具有较好的延性，其中2个叠合试件的延性系数均为3.1，略高于相应的现浇对比试件（3.0）；叠合试件的刚度退化规律和耗能能力均与相应的现浇对比试件接近。

（5） 进一步的有限元滞回分析结果表明，叠合侧壁底部连接钢筋按拼缝截面承载力等效原则设计时，单面叠合和双面叠合试件的正、反向承载力均与相应的现浇对比试件接近。

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基金资助

国家自然科学基金项目(51878478)

中铁第一勘察设计院集团有限公司科研项目（院科20-25）