多層單排配筋剪力墻結(jié)構(gòu)模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

曹萬林,楊興民,張建偉,楊亞彬,董宏英

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100124)

多層黏土磚房限制應(yīng)用以后,研究新的多層住宅體系成為工程亟需.目前多層住宅結(jié)構(gòu)體系主要采用混凝土砌塊結(jié)構(gòu)[1]、輕型鋼結(jié)構(gòu)[2]、異形柱框架結(jié)構(gòu)[3]和密肋輕板結(jié)構(gòu)[4]等.然而這些新型的結(jié)構(gòu)仍存在著一些不足.混凝土空心砌塊是目前砌體結(jié)構(gòu)的主要材料,混凝土空心砌塊之間的連接主要靠砌塊之間砂漿的黏結(jié)力,因此抗震性能較差.配筋砌體結(jié)構(gòu)是在空心砌塊的孔洞豎向配置鋼筋,但鋼筋呈沒有綁扎的束狀,芯柱內(nèi)灌注混凝土無法振搗密實(shí),難以保證其抗震的可靠性.在異形柱框架結(jié)構(gòu)中,其柱肢截面的高厚比較小,在一定條件下會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能產(chǎn)生一些不利影響.輕型鋼結(jié)構(gòu)在多層住宅中也有應(yīng)用,輕型鋼結(jié)構(gòu)具有自重小、工業(yè)化程度高、施工工期短和結(jié)構(gòu)抗震性能好的優(yōu)點(diǎn),但由于多層住宅高度和跨度都較小,無法充分發(fā)揮鋼材高強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì).鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)有良好的抗震性能和防火性能,既能承重又能抵抗側(cè)向力,是住宅建筑中最常用的結(jié)構(gòu)形式,但以往建造的主要是高層剪力墻住宅結(jié)構(gòu),目前有關(guān)剪力墻設(shè)計(jì)的規(guī)范和規(guī)程[5-7]的適用范圍主要是10層及 10層以上的高層結(jié)構(gòu),對(duì)高層剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求直接用于多層剪力墻結(jié)構(gòu)顯然是不合理的.因此,研究造價(jià)較低、易于推廣且能滿足抗震要求的多層鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)是必要的.本文研究的多層混凝土剪力墻住宅結(jié)構(gòu),其墻體厚度為 140 mm,為使這種采用雙向單排配筋剪力墻施工簡(jiǎn)便并防止干縮裂縫的產(chǎn)生,同時(shí)研究了相應(yīng)的部分免拆模板技術(shù).由于單排配筋剪力墻地震作用下的工作性能是工程界極為關(guān)注的問題,為此,本文設(shè)計(jì)了一個(gè)4層混凝土剪力墻結(jié)構(gòu),用以比較雙向單排配筋混凝土剪力墻與雙向雙排配筋混凝土剪力墻的動(dòng)力性能.

1 模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)概況

1.1 模型設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了1個(gè)1∶4縮尺的 4層剪力墻結(jié)構(gòu)的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?模型編號(hào)為 SWST(4).模型配筋見圖 1.

模型的平面由 4個(gè)對(duì)稱布置的、幾何尺寸完全一致的 L形截面剪力墻組成,4個(gè) L形墻肢之間通過連梁和樓板相連.一層層高 875mm,二層至四層層高均為 750mm,墻肢厚度為 35mm;一側(cè)墻體采用雙向雙排配筋,豎直分布筋和水平分布筋均為○/2.2@120;另一側(cè)墻體采用雙向單排配筋,豎直分布筋和水平分布筋均為○/2.2@60.

圖1 SWST(4)配筋詳圖Fig.1 SteelbardetailsofSWST(4)

四層剪力墻結(jié)構(gòu) SWST(4)的墻體采用 C20混凝土澆注,基礎(chǔ)采用 C30混凝土澆注,實(shí)測(cè)墻體混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為 25.63MPa,其彈性模量為 25.6GPa.鋼筋的力學(xué)性能見表 1,為了滿足模型和原型的相似關(guān)系,用設(shè)置附加質(zhì)量的方法,在模型的各層樓板附加質(zhì)量塊,并將附加質(zhì)量塊用水泥砂漿固定在樓板上以防止振動(dòng)過程中鐵塊滑動(dòng).總附加質(zhì)量塊質(zhì)量為 6.282t,其中頂層為 2.517t,其他 3層每層各1.255t,模型與原型的各物理量相似系數(shù)見表 2.

表1 鋼筋的力學(xué)性能Table1 Mechanicalpropertiesofsteelbars

表2 模型與原型相似系數(shù)Table2 Similaritycoefficient

1.2 試驗(yàn)方案

固定在振動(dòng)臺(tái)上的試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D 2.試驗(yàn)中測(cè)試不同階段的前二階自振頻率和阻尼比;采用加速度傳感器來記錄振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面及不同樓層在地震力激勵(lì)下的絕對(duì)加速度反應(yīng);模型的二層和頂點(diǎn)相對(duì)基礎(chǔ)的位移;縱筋根部和一層連梁鋼筋應(yīng)變.選用平行于東西向輸入的ElCentro(1940)N-S地震波作為模擬地震振動(dòng)臺(tái)臺(tái)激勵(lì).根據(jù)時(shí)間相似關(guān)系的要求,輸入的 EICentro地震波持續(xù)時(shí)間為 53×0.5=26.5s,時(shí)間間隔為 0.02×0.5=0.01s.試驗(yàn)過程中臺(tái)面實(shí)際輸入值見表 3.模型各階段動(dòng)力特性測(cè)試過程見表 4.

圖2 固定在振動(dòng)臺(tái)上的模型Fig.2 Themodelfixedontheshakingtable

表3 模型 SWST(4)臺(tái)面實(shí)際輸入過程Table3 TestprocedureofSWST(4)

表4 模型SWST(4)模型各破壞階段自振特性測(cè)試過程Table4 MeasuredprocedureofSWST(4)dynamiccharacteristic

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 自振頻率及阻尼比

試驗(yàn)測(cè)得的模型在不同階段的前二階自振頻率及阻尼比見表 5.

從表 5可以看出,隨著地震波加速度峰值的不斷加大,模型裂縫的不斷發(fā)展以及塑性變形的不斷增加,2個(gè)模型的各階頻率都呈下降趨勢(shì),阻尼比呈增大趨勢(shì).

表5 模型SW前二階自振頻率及阻尼比測(cè)試結(jié)果Tab le 5 Test results of SW frequency and dam ping ratio

2.2 振型

試驗(yàn)測(cè)得了模型的前 2階振型.圖 3給出了 SWST(4)開裂前振型圖.由圖 3可見,開裂前模型的振型均呈彎剪型.

2.3 加速度反應(yīng)

模型各層絕對(duì)加速度反應(yīng)最大值見表 6.雖然本雙向單排配筋剪力墻結(jié)構(gòu)的豎直鋼筋和水平鋼筋配筋率僅為 0.18%,小于建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[7]規(guī)定的最小配筋率 0.25%,墻肢厚度為建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[7]規(guī)定的最小值,但是臺(tái)面的加速度峰值達(dá)到了 0.693 g,為建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[7]規(guī)定 9度地區(qū)設(shè)計(jì)基本地震加速度 0.40 g的 1.733倍.臺(tái)面加速度峰值為 0.693 g時(shí),模型的 4層加速度時(shí)程曲線見圖 4.

圖3 SWST(4)開裂前振型Fig.3 Vibration modes for SWST(4)before cracking

圖4 SWST(4)的 4層加速度時(shí)程曲線Fig.4 Time history curve of acceleration response for the fourth floor

表6 模型 SW ST(4)各層絕對(duì)加速度反應(yīng)最大值Tab le 6 Maximum acceleration responses o f SWST(4)each floor g

2.4 二層及結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移反應(yīng)

試驗(yàn)所得各階段模型的二層及頂點(diǎn)相對(duì)位移反應(yīng)最大值、位移角見表 7.

表7 模型 SWST(4)二層及頂點(diǎn)位移反應(yīng)最大值及位移角Tab le 7 Maxim um displacement response and drift angle o f SW ST(4)2nd floor and the top

建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[7]規(guī)定,鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下樓層的最大彈性層間位移角限值為 1/1 000,若把二層位移角近似作為層間位移角,由表7可見,位移角達(dá)到 1/1 084時(shí),臺(tái)面輸入最大的地震加速度為 0.262 g,是 9度多遇地震對(duì)應(yīng)的地震加速度時(shí)程曲線最大值 0.140g的 1.871倍.

建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[7]規(guī)定鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)薄弱層彈塑性層間位移角限值為 1/120,若把二層位移角近似作為層間位移角,由表 7可見,位移角達(dá)到 1/151時(shí),臺(tái)面輸入最大的地震加速度為 0.600 g,接近 9度罕遇地震對(duì)應(yīng)的地震加速度時(shí)程曲線最大值 0.620 g.

2.5 層間剪力反應(yīng)

在基底地震波作用下,第 i層的最大名義層間剪力 Fi(t)max可近似計(jì)算為

式中,n為總層數(shù);aj為對(duì)應(yīng) j層的加速度;mj為對(duì)應(yīng) j層的集中質(zhì)量.實(shí)測(cè)各試驗(yàn)階段的基底剪力最大值見表8.

表8 模型 SWST(4)各階段基底剪力最大值Table 8 M aximum shearing force on the bottom of the SWST(4)

2.6 破壞狀況

SWST(4)破壞形態(tài)及裂縫分布見圖 5,破壞照片見圖 6.

圖5 SWST(4)破壞形態(tài)及裂縫分布圖Fig.5 Failure pattern and crack distribution of SWST(4)

由圖 5和圖 6可見,無論是腹板還是翼緣,均是單排配筋混凝土剪力墻比雙排配筋混凝土剪力墻破壞得輕;單排配筋墻體的裂縫寬度較小,這是由于雖然墻體的配筋量一樣,但是單排配筋墻體鋼筋的間距相對(duì)于雙排配筋墻體鋼筋間距小,其首先約束混凝土裂縫的幾率更大,其平面內(nèi)的抗震性能優(yōu)于雙排配筋剪力墻.

由圖 5(a)可見,雙向單排配筋墻體洞口處,左側(cè)邊緣約束構(gòu)件為三邊形箍筋的暗柱,右側(cè)邊緣約束構(gòu)件為四邊形箍筋的暗柱,左側(cè)洞口處和右側(cè)洞口處混凝土壓碎脫落的范圍區(qū)別不大.第 9次輸入加速度峰值為 0.363 g的地震波,單排配筋剪力墻腹板左側(cè)基礎(chǔ)的水平裂縫貫通,但裂縫寬度很小;右側(cè)基礎(chǔ)中部出現(xiàn) 1條斜裂縫.此時(shí),邊緣約束構(gòu)件一邊采用三邊形箍筋暗柱的單排配筋剪力墻雖然比邊緣約束構(gòu)件兩邊均采用四邊形箍筋暗柱的單排配筋剪力墻破壞嚴(yán)重一些,但臺(tái)面輸入的地震加速度峰值已達(dá)到了0.363 g,是 8度抗震設(shè)計(jì)基本地震加速度 0.20(0.30)g的 1.815(1.210)倍.因此采用簡(jiǎn)化的邊緣約束構(gòu)件是可行的.

圖6 SWST(4)破壞照片F(xiàn)ig.6 Failure pictures of SWST(4)

3 結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析

采用 SAP2000程序?qū)赡Ｐ瓦M(jìn)行兩彈性階段的動(dòng)力特性分析及時(shí)程地震反應(yīng)分析,分析時(shí)假定樓板在平面內(nèi)剛度為無窮大,結(jié)構(gòu)所有質(zhì)量按質(zhì)量凝聚方法集中到各層樓板上.鋼筋混凝土的彈性模量按復(fù)合材料確定,算式為

式中,ρc、Ec為混凝土的體積占有率和彈性模量;ρs、Es為鋼筋體積配筋率和彈性模量.模型的前 2階頻率的計(jì)算結(jié)果見表 9,前 2階實(shí)測(cè)振型與計(jì)算振型比較見圖 7.

表9 模型SW ST(4)頻率計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較Tab le 9 Com parison of SWST(4)frequency betw een test and calculation results

圖7 實(shí)測(cè)振型與計(jì)算振型比較Fig.7 Comparison of vibrationmode between testand calcu lation

本文研究和筆者的相關(guān)研究表明[8-10],在墻體的配筋率相同情況下,由于單排配筋墻體鋼筋的間距相對(duì)于雙排配筋墻體鋼筋間距小,其首先約束混凝土裂縫的幾率更大,其平面內(nèi)的抗震性能優(yōu)于雙排配筋剪力墻;由于剪力墻的翼緣和腹板共同工作,單排配筋剪力墻平面外的性能也可滿足多層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求.

4 結(jié)論

1)同等配筋率的條件下,單排配筋剪力墻平面內(nèi)的抗震性能優(yōu)于雙排配筋剪力墻平面內(nèi)的抗震性能.

2)本文及筆者相關(guān)研究表明,由于剪力墻的翼緣和腹板共同工作,單排配筋剪力墻平面外的性能可滿足多層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求.

3)單排配筋剪力墻邊緣約束構(gòu)件采用三角形箍筋暗柱,以及節(jié)點(diǎn)采用本文的簡(jiǎn)單構(gòu)造方式是可行的.

4)當(dāng)采取合理的設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施后,雙向單排配筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)可以滿足多層住宅結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求.

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