雙向單排配筋T形剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究

張彬彬,曹萬林,潘 毅,張建偉

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京100124,2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都610031,3.中國建筑科學(xué)研究院,北京100013)

目前,全國大部分城市已經(jīng)禁止使用粘土磚。為了取代粘土磚墻體,國內(nèi)學(xué)者研究了一些新型多層住宅結(jié)構(gòu),如小型混凝土空心砌塊結(jié)構(gòu)[1]、鋼結(jié)構(gòu)多層住宅[2]、異形柱結(jié)構(gòu)[3]等,然而這些新型的結(jié)構(gòu)仍存在著諸多缺陷。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,廣泛應(yīng)用于高層建筑,之前有關(guān)研究主要針對(duì)高層剪力墻住宅結(jié)構(gòu),現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范[4-6]也主要針對(duì)高層剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)編制內(nèi)容,高層剪力墻住宅結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)已相對(duì)較成熟。能否在多層剪力墻結(jié)構(gòu)中套用高層剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求和配筋方式是亟需研究的課題。

北京市規(guī)劃委員會(huì)2004年頒布的“北京市建筑設(shè)計(jì)技術(shù)細(xì)則”(結(jié)構(gòu)專業(yè))中,涉及到了多層剪力墻結(jié)構(gòu),主要從適用范圍、抗震等級(jí)、結(jié)構(gòu)計(jì)算、抗震構(gòu)造等方面進(jìn)行了論述,并涉及到了單排配筋剪力墻的內(nèi)容,編入地方設(shè)計(jì)規(guī)定這在全國也剛剛開始,目前較少抗震試驗(yàn)研究[7～10],有些方面只能是原則性的。對(duì)于單排配筋剪力墻的配筋和構(gòu)造措施,在細(xì)則中僅提出了兩個(gè)構(gòu)造簡圖,缺乏相關(guān)的試驗(yàn)和理論分析依據(jù),因此有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究,完善抗震設(shè)計(jì)方法。為此,本文設(shè)計(jì)了2個(gè)1/2縮尺的雙向單排配筋混凝土T形剪力墻模型,分別沿腹板方向和翼緣方向,對(duì)其進(jìn)行了低周反復(fù)荷載下的抗震試驗(yàn)研究。

1 模型結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)概況

設(shè)計(jì)了兩個(gè)縮比為1∶2的雙向單排配筋混凝土 T形剪力墻模型結(jié)構(gòu),編號(hào)分別為 SWT-1和 SWT-2,試件高均為1 350 mm,墻肢厚度為140 mm,豎直分布筋和水平分布筋均采用ф6@100,試件SWT-1沿腹板方向加載,SWT-2沿翼緣方向加載。試件SWT-1的配筋圖、立面圖和剖面圖如圖1所示,試件 SWT-2配筋圖、立面圖、剖面圖同試件SWT-1。

圖1 試件SWT-1配筋圖、立面圖、剖面圖(單位:mm)

墻體節(jié)點(diǎn)和加載板均采用C20商品混凝土現(xiàn)澆,混凝土材料實(shí)測力學(xué)性能見表1,鋼筋實(shí)測力學(xué)性能見表2。

表1 實(shí)測混凝土力學(xué)性能

表2 實(shí)測鋼筋力學(xué)性能

試驗(yàn)加載裝置如圖2,試驗(yàn)施加低周反復(fù)荷載;在加水平荷載之前,首先施加一豎向荷載P=403.2 kN,并保持其在試驗(yàn)過程中不變,即控制試件的軸壓比為0.30;在距基礎(chǔ)頂面1 500 mm高度處用拉壓千斤頂施加低周反復(fù)水平荷載,在試件基礎(chǔ)頂部及距基礎(chǔ)頂面1 500 mm處分別布置一個(gè)位移傳感器,用IMP應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集豎向荷載、水平荷載和水平位移,并用其繪制滯回曲線,人工測繪裂縫。試驗(yàn)分為兩個(gè)階段進(jìn)行加載:第一階段為彈性階段,采用荷載和位移聯(lián)合控制的方法;第二階段為彈塑性階段,采用位移控制的方法。

圖2 試驗(yàn)加載示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 T形剪力墻承載力實(shí)測結(jié)果

試件的實(shí)測結(jié)果如明顯開裂水平荷載Fc、明顯屈服水平荷載Fy、極限荷載Fu見表 3。μcy=Fc/Fy指明顯開裂荷載與屈服荷載兩者的比值;μcu=Fc/Fu指明顯開裂荷載與極限荷載兩者的比值;μyu=Fy/Fu指明顯屈服荷載與極限荷載兩者的比值,也就是屈強(qiáng)比。屈強(qiáng)比越大,延性越差。根據(jù)試件的對(duì)稱性,明顯屈服荷載和極限荷載取正、負(fù)兩向加載的平均值。

表3 開裂荷載、明顯屈服荷載、極限荷載的實(shí)測值及相應(yīng)的比值

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,試件SWT-1的屈服荷載和極限荷載要大于試件SWT-2,并且其屈強(qiáng)比較試件 SWT-2小,在此處可以初步得出延性比試件SWT-2好。

2.2 T形剪力墻承載力計(jì)算結(jié)果

鋼筋混凝土 T形剪力墻SWT-1、SWT-2的軸壓比為0.3。墻肢高度與厚度之比為9.7,屬高墻類型,此外從鋼筋應(yīng)變分析,墻肢根部的縱向受拉鋼筋屈服或拉斷,受壓區(qū)的混凝土壓碎,墻板裂縫主要為斜向裂縫,破壞形式主要為彎剪破壞,因此承載力計(jì)算可將墻體考慮為偏心受壓構(gòu)件。鋼筋混凝土T形剪力墻SWT-1、SWT-2的極限承載力計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較見表4。

表4 T形剪力墻極限承載力計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比較

2.3 延性性能分析

明顯開裂水平荷載Fc對(duì)應(yīng)的明顯開裂位移Uc;明顯屈服水平荷載Fy對(duì)應(yīng)的明顯屈服位移Uy,根據(jù)正負(fù)兩向的屈服荷載確定正負(fù)兩向的屈服位移,根據(jù)試件的對(duì)稱性,屈服位移Uy取正負(fù)兩向均值;Ud為正負(fù)兩向彈塑性最大位移的均值;θP為彈塑性位移角;μ=Ud/Uy為最大彈塑性位移與屈服位移的比值,即延性系數(shù),它是反映剪力墻延性的主要參數(shù)之一。具體的實(shí)測值見表5。

表5 試件的位移、延性系數(shù)實(shí)測值

從表5中可以看出,SWT-2(翼緣方向加載)的延性比SWT-1(腹板方向加載)降低15.8%,說明試件SWT-1的延性明顯高于試件SWT-2。

2.4 剛度實(shí)測值分析

試件頂點(diǎn)抗側(cè)移剛度衰減的規(guī)律可以反映出整個(gè)試件的剛度衰減規(guī)律,試件各階段剛度實(shí)測值及衰減系數(shù)見表6。表中Ko為初始彈性剛度;Kc為明顯開裂割線剛度;Ky為明顯屈服割線剛度;βco=Kc/Ko,表示從初始彈性到明顯開裂過程中剛度的衰減;βyc=Ky/Kc,表示從明顯開裂到明顯屈服過程中的剛度衰減;βyo=Ky/Ko,表示從初始彈性到明顯屈服過程中剛度的衰減。

表6 各試件各階段剛度實(shí)測值及其衰減系數(shù)

由表6不同階段的剛度衰減系數(shù)可以看出,試件SWT-2的剛度衰減比試件SWT-1更快。特別是在開裂到構(gòu)建屈服階段,SWT-2的衰減系數(shù)比SWT-1的大36.4%。說明沿翼緣加載,雖然初始剛度大和開裂荷載較大,同時(shí)剛度衰減也快。延性較SWT-1較差。

2.5 滯回特性分析

圖3反映了兩試件在低周反復(fù)荷載作用下的“水平荷載F-頂點(diǎn)水平位移U”滯回曲線,它綜合反映剪力墻的剛度、強(qiáng)度、變形和耗力能力。

SWT-2與SWT-1相比較,滯回環(huán)中部捏攏略重,耗能不及SWT-1。

SWT-1滯回環(huán)包含面積較SWT-2大、捏攏較輕、耗能好、承載力高。

SWT-2在腹板的兩個(gè)方向加載時(shí)候不對(duì)稱,所以一側(cè)承載力大,另一側(cè)承載力小。

圖3 “F-U”滯回曲線

2.6 骨架曲線

實(shí)測的試件的“水平荷載F-頂點(diǎn)水平位移U”的骨架曲線為圖4。

從圖4可知:試件SWT-1、試件SWT-2結(jié)構(gòu)從開裂、屈服直至進(jìn)入破壞的全過程中,骨架曲線的變化基本上比較平坦,試件的正向骨架曲線和負(fù)向骨架曲線比較接近,結(jié)構(gòu)的工作性能較為穩(wěn)定。

2.7 耗能能力

滯回曲線在一次循環(huán)中所圍面積大小可以反映結(jié)構(gòu)耗能能力。所圍面積越大,說明結(jié)構(gòu)的消能能力越強(qiáng),同時(shí),結(jié)構(gòu)消能能力也可通過耗能系數(shù)來表示。耗能系數(shù) Ψ表示如下 :

其含義是:結(jié)構(gòu)消散的地震能量值SABCDA與在正反兩個(gè)方向上假設(shè)從加載直至極限位移時(shí)結(jié)構(gòu)一直處于彈性狀態(tài)下所吸收的地震能量(即SΔOBE+SΔODF)的比值。

圖4 “水平荷載F-頂點(diǎn)水平位移U”骨架曲線

圖5 結(jié)構(gòu)消能系數(shù)計(jì)算示意圖

根據(jù)結(jié)構(gòu)的荷載一位移滯回曲線可知,結(jié)構(gòu)的消能系數(shù)Ψ主要與結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)和滯回曲線的形狀有關(guān)。延性系數(shù)越大,結(jié)構(gòu)的耗能系數(shù)Ψ越大。通過對(duì)試件試驗(yàn)所得極限荷載點(diǎn)滯回環(huán)的計(jì)算,可得:

試件SWT-1的耗能系數(shù)明顯比試件SWT-2高,耗能能力優(yōu)于試件SWT-2。

2.8 破壞特征

2.8.1 試件SWT-1的破壞過程

在第一循環(huán)前期,試件SWT-1基本處在彈性階段,到加載到100 k N時(shí)候,腹板首先開裂,出現(xiàn)了水平裂縫,進(jìn)入第二循環(huán)以后,水平裂縫發(fā)展到翼緣,第二循環(huán)末,水平裂縫集中分布在翼緣中部,腹板底和翼緣頂分別產(chǎn)生了一條斜裂縫。隨著加載循環(huán)次數(shù)的增多,試件的水平裂縫寬度逐步增大,豎向裂縫長度不斷增長。加載到第四循環(huán)負(fù)向290 k N時(shí),翼緣靠腹板面頂部出現(xiàn)兩條短斜裂縫,原來上部出現(xiàn)的兩條長斜裂縫繼續(xù)向下延伸,腹板端部混凝土壓酥,翼緣對(duì)應(yīng)腹板處的裂縫寬度達(dá)2.5 mm,此時(shí)試件已經(jīng)進(jìn)入塑形階段。第五循環(huán)正向加載過程中,試件的裂縫逐步加寬,已經(jīng)屈服。在負(fù)向加載到380 k N時(shí),混凝土被壓碎大面積脫落,長的斜裂縫突然變的很寬且迅速延伸到底部,試件基本破壞。

2.8.2 試件Swt-2破壞過程

第一循環(huán)正向加載到75 k N時(shí)翼緣受拉端外側(cè)出現(xiàn)一條水平裂縫,隨著荷載的增加逐漸伸長并延伸到腹板。在145 k N時(shí)翼緣腹板交接處出現(xiàn)豎直裂縫。第二循環(huán)到第三循環(huán),腹板出現(xiàn)翼緣的水平裂縫繼續(xù)發(fā)展并延伸到腹板,第三循環(huán)末期240 kN時(shí)受拉端翼緣距基礎(chǔ)40 cm處出現(xiàn)一小段裂縫,試件進(jìn)入塑形階段。第四循環(huán)中,翼緣的斜裂縫繼續(xù)向下延伸,試件的水平裂縫隨著荷載和循環(huán)的增加而伸展。第五循環(huán)正向80 k N時(shí)腹板從翼緣往腹板端部延伸一條長水平裂縫,255 kN時(shí)延伸到端部,受拉裂縫寬度變寬,受壓區(qū)略微壓酥,負(fù)向270 k N時(shí)上部出現(xiàn)的水平裂縫以450角并快速延伸到基礎(chǔ)底部,翼緣內(nèi)側(cè)交角處有一短斜裂縫。第六循環(huán)隨著荷載的變化,翼緣裂縫寬度不斷增寬。受壓區(qū)一狹小三角區(qū)域被壓酥。第七循環(huán)中,試件進(jìn)入屈服,裂縫多壓區(qū)混凝土角部大部分壓酥,拉區(qū)混凝土脫落。最后,壓區(qū)混凝土很大面積剝落且有部分脫落,壓區(qū)翼緣端部的劈裂裂縫延伸到墻體中部。試件破壞。

圖7 SWT-1和SWT-2破壞圖

從圖6可以看出,雖然墻肢破壞了,但是兩墻的節(jié)點(diǎn)破壞很輕,說明采用這種簡化節(jié)點(diǎn)是可行的。由圖6可知:對(duì)于雙向單排配筋混凝土T形剪力墻,具有較好的抗震耗能能力,單排配筋T型剪力墻的性能也可滿足多層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求,且在墻體配筋率相等的情況下,其沿翼緣方向的抗震性能要優(yōu)于沿腹板方向的抗震性能。

3 受力機(jī)理分析

由于單排配筋T形剪力墻的幾何尺寸、邊界條件以及水平荷載的作用方式等諸多因素,鋼筋混凝土梁的抗剪機(jī)理不能完全適用于單排配筋 T形剪力墻結(jié)構(gòu)[11],單排配筋T形剪力墻除了在水平方向由剪切鋼筋傳遞和承擔(dān)抗剪之外,作用在單排配筋T形剪力墻頂部很大一部分的剪力是由斜向受壓“腹桿”桿系直接將力傳遞到剪力墻的基礎(chǔ)上去的。

在單排配筋T形剪力墻墻最早屈服的低周往復(fù)循環(huán)位移作用下,單排配筋T形剪力墻基底的大部分剪力是通過墻的壓彎區(qū)來傳遞受力的。由于此時(shí)墻上壓彎區(qū)的混凝土還沒有開裂,所以墻基底截面上的水平剪切位移比較小。

在反方向位移控制的條件下,截面上原來壓彎區(qū)會(huì)出現(xiàn)裂縫,而墻上先前受拉導(dǎo)致鋼筋屈服的截面位置將受到壓應(yīng)力作用,當(dāng)控制位移繼續(xù)加大,當(dāng)受壓鋼筋屈服時(shí),墻底將出現(xiàn)一條連續(xù)的寬裂縫。在裂縫位置,剪力主要由垂直截面的鋼筋承受,這種破壞伴隨較大的變形,這時(shí)的墻體將有很大的剪切位移。在往復(fù)位移循環(huán)作用下,壓應(yīng)力通過裂縫表面?zhèn)鬟f,這樣使得裂縫表面的剪切摩擦的強(qiáng)度和剛度逐步降低[12-14]。并且在垂直鋼筋粘結(jié)力退化和鋼筋“包興格”效應(yīng)等因素影響下,豎向鋼筋的剪切剛度也會(huì)快速降低[15-16]。

4 結(jié) 論

(1)在配筋率相等的情況下,單排配筋 T形剪力墻沿腹板方向的延性好于沿翼緣方向,抗震性能要優(yōu)于沿翼緣方向的抗震性能,且都滿足耗能系數(shù)。

(2)雙向單排配筋T形混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)可以滿足多層住宅結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)要求。為多層住宅結(jié)構(gòu)應(yīng)用雙向單排配筋T形混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)提供了基礎(chǔ)試驗(yàn)研究資料。

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