短肢剪力墻結(jié)構(gòu)頂層端節(jié)點(diǎn)的空間受力研究

王飛，余向前，傅劍平

（1重慶大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院重慶400045 2重慶市設(shè)計(jì)院重慶4000153重慶大學(xué)土木工程學(xué)院重慶400045）

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)頂層端節(jié)點(diǎn)的空間受力研究

王飛1，余向前2，傅劍平3

（1重慶大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院重慶400045 2重慶市設(shè)計(jì)院重慶4000153重慶大學(xué)土木工程學(xué)院重慶400045）

在兩個短肢剪力墻無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力樓蓋子空間結(jié)構(gòu)模型的低周反復(fù)加載試驗(yàn)研究基礎(chǔ)之上，本文通過對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)頂層端節(jié)點(diǎn)在試驗(yàn)試件的破壞失效結(jié)果分析，以及節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋的應(yīng)變分析，“L”型短肢剪力墻頂層端節(jié)點(diǎn)在水平加載過程中從二維平面節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)的受力模式，空間節(jié)點(diǎn)受力比二維平面節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜得多，空間節(jié)點(diǎn)比平面節(jié)點(diǎn)抗震性能更有利，因此在工程設(shè)計(jì)中建筑物角部應(yīng)盡可能采取“L”形墻肢的建議。

短肢剪力墻；頂層端節(jié)點(diǎn)；空間受力分析。

1 引言

目前國內(nèi)外進(jìn)行鋼筋混凝土框架研究，絕大多數(shù)情況下研究僅局限于平面受力的框架節(jié)點(diǎn)。從已有的研究成果以及工程實(shí)踐來看，對于框架結(jié)構(gòu)這種簡化分析是切實(shí)可行的，但是對于短肢墻無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力樓蓋結(jié)構(gòu)體系，由于空間較大，墻肢較薄，且墻肢翼緣內(nèi)有預(yù)應(yīng)力筋束通過，就顯得節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、受力復(fù)雜。圖1是文獻(xiàn)[1]短肢剪力墻無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力樓蓋結(jié)構(gòu)頂層子空間模型試驗(yàn)試件的外觀圖，圖2是試驗(yàn)試件的總體尺寸及加載裝置圖。為敘述方便起見，本文將與水平加載方向平行的梁稱為受彎梁，把與水平加載方向垂直的梁稱為受扭梁。

圖1 試件的外觀圖

圖2 總體尺寸及加載裝置圖

本試驗(yàn)采用低周反復(fù)水平加載方式進(jìn)行加載試驗(yàn)。試驗(yàn)時，首先進(jìn)行無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的張拉，通過張拉0.45fptk的控制應(yīng)力在板內(nèi)建立預(yù)應(yīng)力；然后通過在板面上加砝碼的方式施加2.0kN/m2的豎向均布荷載；最后由水平拉、壓作動器逐級往復(fù)施加水平荷載。在受彎梁的鋼筋屈服前按荷載控制，受彎梁屈服后按位移控制，每個位移延性系數(shù)下往復(fù)兩次，直至試件失效試驗(yàn)結(jié)束。在試驗(yàn)中，通過圖2所示裝置測定不同受力階段試件的變形；通過對穿過節(jié)點(diǎn)墻肢及梁內(nèi)縱筋沿縱向開槽，在槽內(nèi)密貼應(yīng)變片的方式量測不同受力階段連接區(qū)內(nèi)及墻肢端、梁端鋼筋的應(yīng)變大小及分布情況；通過在節(jié)點(diǎn)區(qū)各層水平箍筋長肢上按間距100mm貼應(yīng)變片的方法量測不同受力階段節(jié)點(diǎn)區(qū)各層水平箍筋的受力情況。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]試驗(yàn)結(jié)果分析，短肢剪力墻無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力樓蓋結(jié)構(gòu)頂層端節(jié)點(diǎn)是空間受力連接區(qū)。由于帶翼緣的扭梁可以平衡一部分墻端的彎矩，故節(jié)點(diǎn)不是簡單的平面受力情形，而是復(fù)雜的空間受力情況。另外，從試件破壞失效后端節(jié)點(diǎn)圖片來看，尤其是試件二端節(jié)點(diǎn)墻肢角部混凝土被掀起破壞嚴(yán)重，這說明僅按前面的二維平面分析是不夠的，因此本文對節(jié)點(diǎn)的空間受力情況作進(jìn)一步的研究。分析研究這種結(jié)構(gòu)體系頂層端節(jié)點(diǎn)的空間受力性能，對在設(shè)計(jì)中采用空間節(jié)點(diǎn)的模式比采用平面節(jié)點(diǎn)的模式有更清楚的認(rèn)識，提出了合理化設(shè)計(jì)建議。

本文通過兩個短肢剪力墻無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力樓蓋梁、墻肢、板子空間結(jié)構(gòu)模型的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，圖3和圖4是試件失效后端節(jié)點(diǎn)破壞情況。

圖3 試件一失效后圖

圖4 試件二失效后圖

2 頂層端節(jié)點(diǎn)空間受力模型

從本次試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)的分析中可以看出，在試件前期加載的過程中受扭梁所受的扭矩不大，縱筋和箍筋應(yīng)變都很小（個別因應(yīng)變片質(zhì)量問題造成的數(shù)據(jù)異常應(yīng)排除在外），這時水平力主要由帶翼緣的受彎梁來傳遞給短肢剪力墻，即使最終加載到試件破壞，扭梁和箍筋的應(yīng)變大多數(shù)都未屈服，從而可以看出扭梁盡管平衡一部分墻端彎矩但并不大。另外，從上面試件失效后端節(jié)點(diǎn)圖片以及試驗(yàn)破壞現(xiàn)象的描述來分析，可簡化端節(jié)點(diǎn)的受力模型，根據(jù)力的平衡條件，可以繪出端節(jié)點(diǎn)在水平推力作用下的受力狀態(tài)圖（如圖5所示）。

圖5 端節(jié)點(diǎn)水平力作用下的受力狀態(tài)圖

3 頂層端節(jié)點(diǎn)空間受力現(xiàn)象及鋼筋應(yīng)變分析

從試件一失效后端節(jié)點(diǎn)的圖3來看，墻肢翼緣在大約梁底標(biāo)高處出現(xiàn)裂縫，接著在節(jié)點(diǎn)區(qū)也相繼出現(xiàn)了大致相互平行的裂縫，并且這些裂縫都是從墻肢的角部向墻肢翼緣的遠(yuǎn)端逐漸發(fā)展的，是從墻肢梁底標(biāo)高處的角部斜向上發(fā)展到板頂面。另外，從圖6試件一節(jié)點(diǎn)實(shí)測梁、墻正彎矩受拉鋼筋應(yīng)變來分析，在加載前期，節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋的應(yīng)變發(fā)展是由墻肢的角部向墻肢翼緣的遠(yuǎn)端逐漸減小的，在加載后期，從墻正彎矩受拉鋼筋應(yīng)變分布情況來看，豎直段1～10點(diǎn)應(yīng)變值與鋼筋彎入節(jié)點(diǎn)區(qū)水平段10～14點(diǎn)應(yīng)變大致差不多。這充分說明在加載前期“L”形墻肢主要是以彎梁傳遞水平力，這時墻肢主要是以墻肢腹板矩形截面受力，可以看作平面結(jié)構(gòu)體系，節(jié)點(diǎn)也是以平面受力為主；然而，在加載中、后期，隨著墻肢翼緣發(fā)揮作用，就不再是二維節(jié)點(diǎn)受力，而主要是空間節(jié)點(diǎn)受力機(jī)理。此外，即使墻肢腹部鋼筋也彎入板內(nèi)，但板面角區(qū)還是出現(xiàn)了“八”字型裂縫，因此在墻肢長范圍內(nèi)的板對傳遞水平力所作的貢獻(xiàn)較大。另外，在節(jié)點(diǎn)區(qū)的兩束預(yù)應(yīng)力筋盡管在板底出現(xiàn)了兩條裂縫，但對節(jié)點(diǎn)區(qū)最終破壞所起的作用不是很明顯?？傮w來說，試件一因鋼筋的粘結(jié)性能較好，并且墻肢腹部鋼筋也彎入板內(nèi)起了一部分作用，又因?yàn)閴χ摻钆涞幂^強(qiáng)，遠(yuǎn)未達(dá)到屈服，鋼筋受力不充分，故即使試件破壞失效后，節(jié)點(diǎn)區(qū)都沒有嚴(yán)重的破壞，能夠滿足抗震性能的基本要求。

圖6 試件一節(jié)點(diǎn)實(shí)測梁、墻正彎矩受拉鋼筋應(yīng)變

圖7 試件二節(jié)點(diǎn)實(shí)測梁、墻正彎矩受拉鋼筋應(yīng)變

從試件二破壞失效后的圖4來分析。與試件一相同墻肢翼緣也是首先在梁底標(biāo)高處出現(xiàn)裂縫，然后在節(jié)點(diǎn)區(qū)以及墻肢底部相繼出現(xiàn)裂縫，且在節(jié)點(diǎn)區(qū)的裂縫也是從墻肢角部向墻肢翼緣遠(yuǎn)端逐漸發(fā)展的，同時在墻肢翼緣遠(yuǎn)端與扭梁底相交的角部出現(xiàn)了斜向上向第二束預(yù)應(yīng)力筋的裂縫。從圖7試件二節(jié)點(diǎn)實(shí)測梁、墻正彎矩受拉鋼筋應(yīng)變來分析，同樣先是墻肢鋼筋1～8點(diǎn)所起的作用較大，然后逐漸轉(zhuǎn)移給墻肢翼緣內(nèi)的鋼筋9、10點(diǎn)，即由平面節(jié)點(diǎn)受力逐漸轉(zhuǎn)為空間節(jié)點(diǎn)的受力。從端節(jié)點(diǎn)的內(nèi)側(cè)裂縫發(fā)展來看，節(jié)點(diǎn)區(qū)裂縫發(fā)育較充分，但在墻肢翼緣的內(nèi)側(cè)裂縫不是很明顯，在節(jié)點(diǎn)區(qū)板底沿預(yù)應(yīng)力筋束出現(xiàn)了裂縫，并且墻肢長內(nèi)的第一束預(yù)應(yīng)力筋的墊板壓陷了混凝土，這說明預(yù)應(yīng)力筋對節(jié)點(diǎn)區(qū)有不利影響。另外，除板面同樣出現(xiàn)了“八”字型裂縫以外，在節(jié)點(diǎn)區(qū)上部鋼筋的粘結(jié)滑移裂縫，在反復(fù)荷載作用下，混凝土被壓碎拉脫，并且在板面角部混凝土被掀起，這充分說明節(jié)點(diǎn)區(qū)頂部破壞嚴(yán)重。因節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋的粘結(jié)失效，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度嚴(yán)重退化，最終因試件承擔(dān)負(fù)彎矩的能力明顯下降而破壞。與試件一是明顯不同的，其主要原因是提高了梁下部承擔(dān)正彎矩鋼筋的用量，其鋼筋的錨固粘結(jié)性能較好，并且加強(qiáng)了梁端抗剪的箍筋，能保證梁端出現(xiàn)塑性鉸后有很好的轉(zhuǎn)動能力，這從試件二的滯回曲線可以看出，試件二承擔(dān)負(fù)彎矩的能力直到試件失效都沒有明顯的下降；另外，節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋的構(gòu)造與試件一不同（參考文獻(xiàn)[1]），節(jié)點(diǎn)區(qū)的負(fù)彎矩鋼筋，由于首先在節(jié)點(diǎn)區(qū)梁上部鋼筋的粘結(jié)性能退化，然后墻肢長范圍內(nèi)的板筋發(fā)揮了作用，當(dāng)節(jié)點(diǎn)區(qū)板面角部混凝土被鋼筋彈起后，板筋的粘結(jié)性能也迅速退化，最終因節(jié)點(diǎn)區(qū)板面角部混凝土的掀起，鋼筋的粘結(jié)失效而導(dǎo)致試件破壞。

從扭梁的縱筋和箍筋應(yīng)變分析結(jié)果來看，在加載中、后期，縱筋和箍筋應(yīng)變都逐漸增大，也就是說扭梁還是起到了一定的抗扭作用。從扭梁的上部縱筋應(yīng)變普遍比下部縱筋應(yīng)變要小，它們相差部分由與扭梁旁邊剛性連接的板筋來承擔(dān)，故板筋參加了一部分抗扭作用，應(yīng)考慮板作為翼緣的作用。值得說明的是，由于扭梁在反復(fù)荷載作用下，在墻肢翼緣與扭梁相交角部，出現(xiàn)了交叉斜裂縫，且不斷向節(jié)點(diǎn)區(qū)上部發(fā)展，再加上墻肢較薄，從而加速了墻肢翼緣節(jié)點(diǎn)區(qū)上部以及板面角部裂縫的發(fā)展。

從兩個試件試驗(yàn)結(jié)果來看，此類結(jié)構(gòu)考慮受彎梁的彎矩和受扭梁的扭矩與墻端彎矩平衡，在設(shè)計(jì)中按這種平衡關(guān)系，參照抗震設(shè)計(jì)的“強(qiáng)墻弱梁”的設(shè)計(jì)思路，能夠很好地滿足抗震性能。

4 結(jié)論

通過以上分析，空間節(jié)點(diǎn)受力比二維平面節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜得多，空間節(jié)點(diǎn)比平面節(jié)點(diǎn)抗震性能更有利，在加載的前期節(jié)點(diǎn)主要是以二維平面節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)為主，隨著加載進(jìn)一步推進(jìn)，逐漸轉(zhuǎn)移為空間節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)，這說明空間節(jié)點(diǎn)減輕了平面節(jié)點(diǎn)受力的負(fù)擔(dān)。故對于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，特別是建筑屋角部設(shè)計(jì)為“L”形的墻肢比“一”形的墻肢抗震性能好得多，因此在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能采取“L”形的墻肢。

盡管受扭梁對節(jié)點(diǎn)區(qū)有一定的不利作用，但受扭梁對空間節(jié)點(diǎn)區(qū)的總體作用不大。其主要原因是扭受梁在整個試件受力過程中發(fā)揮的扭矩作用并不大。

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋對空間節(jié)點(diǎn)區(qū)的作用是雙重的，在加載前期對節(jié)點(diǎn)抗震有利，延緩板開裂的時間及裂縫的發(fā)展，但在加載后期對節(jié)點(diǎn)的抗震是不利的，當(dāng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)為以空間受力為主時，且在無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋墊塊周圍出現(xiàn)了裂縫，這就加速了節(jié)點(diǎn)區(qū)裂縫的發(fā)展。故在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力筋對混凝土的局部作用問題，以及使結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)計(jì)的大震非彈性變形前不發(fā)生預(yù)應(yīng)力筋墊塊周圍混凝土出現(xiàn)裂縫的要求。

[1]王飛.短肢墻預(yù)應(yīng)力樓蓋結(jié)構(gòu)頂層端節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究[D].重慶大學(xué)，2004，7.

[2]余向前.短肢墻預(yù)應(yīng)力樓蓋結(jié)構(gòu)體系抗震性能試驗(yàn)研究[D].重慶大學(xué)，2004，7.

[3]傅劍平.鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震性能與設(shè)計(jì)方法研究[D].重慶大學(xué)，2002，7.

[4]GB 50010－2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]GBJ50011－2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

責(zé)任編輯：余詠梅

施工經(jīng)驗(yàn)

現(xiàn)澆空心樓板GBF管的抗浮驗(yàn)算

GBF管現(xiàn)澆空心板是在現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)中采取埋芯成孔工藝，在樓蓋內(nèi)按照設(shè)計(jì)要求等間距排放GBF管，并在管兩端部采取抗浮措施，使管與上下鋼筋網(wǎng)片連為一體，澆筑混凝土而成的。

GBF管的抗浮固定是現(xiàn)澆空心樓板整個施工過程中的控制重點(diǎn)和難點(diǎn)，控制方法有壓筋法和板下鋼管固定法兩種。壓筋法即在肋間設(shè)置支架鋼筋，采用“幾”字形支架，支架鋼筋分別布置在距GBF管端部200mm處，用以控制GBF管的上口位置和排與排之間的間距。待GBF管鋪設(shè)完后，在“幾”字形支架上部點(diǎn)焊通長壓筋。板下鋼管固定法即在模板支設(shè)前，利用手槍鉆在模板上鉆眼，待GBF管就位后，利用模板上已鉆好的眼，用鐵絲將GBF管與模板下架體連接。

GBF管的抗浮驗(yàn)算方法如下：考慮GBF管在流態(tài)混凝土中產(chǎn)生的浮力，對拉結(jié)鐵絲的直徑及間距進(jìn)行驗(yàn)算。以“壓筋法”為例：采用8號鐵絲，每間隔1m穿過模板，將通長壓筋與模板下腳手架鋼管連接，選取1mX1m計(jì)算單元，進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。

(1)浮力計(jì)算對于虛線區(qū)域，根據(jù)阿基米德定律：F浮=p混凝土gV=2.500 x9.8×3.14x0.12x0.9x4=2769.48(N)。

(2)應(yīng)力計(jì)算在一個計(jì)算單元中，有兩個拉結(jié)點(diǎn)。每個拉結(jié)點(diǎn)用1根8號鐵絲連接。

(3)安全性驗(yàn)算實(shí)際截面應(yīng)力σ=110.25N/mm2<[σ]= 210N/mm2，即每個拉結(jié)點(diǎn)采用1根8號鐵絲是安全的，完全可以抵抗計(jì)算單元內(nèi)GBF管的上浮力。

（摘自：《建筑工人》）

Spatial Analysis on the Behavior of Top Story Knee Joint of Concrete Structures with Short Shear Wall

This paper，based on revered cycle loading tests on the two specimens of concrete structures with short shear wall and unbonded tendons prestressed slab，analyzes the spatial analysis behavior of this concrete structure system under cyclic loading by the damage in the test specimen failure results analysis and strain analysis of reinforced node area.L-type short shear wall top story knee joints in the level of loading from two-dimensional plane stress state is gradually transformed into state space joint of the force model.Spatial mode by force than plane seems more complex than the plane mode，and seismic performance seem more favorable.so at the end of the paper，a suggestion is made to advercate that in building designs，the corner "L"-shaped wall should be greatly recommended.

short shear wall；top story knee joint；spatial analysis

TU312文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671-9107（2010）08-0027-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.8.027

2010-5-25

王飛（1973-），男，重慶武隆人，碩士，工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究。