剪力墻抗震能力設(shè)計(jì)措施有效性的校驗(yàn)與改進(jìn)

韓 軍,李英民,陳偉賢

(1.重慶大學(xué) a.土木工程學(xué)院;b.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400045;2.中山大學(xué)基建處,廣州510275)

目前大部分國(guó)家抗震規(guī)范采用的抗震設(shè)計(jì)思路是取用比設(shè)防烈度水準(zhǔn)明顯偏低的地震作用(小震)進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面設(shè)計(jì),利用不顯著降低構(gòu)件承載力前提下結(jié)構(gòu)足夠的延性來(lái)達(dá)到在較強(qiáng)地震作用下結(jié)構(gòu)損傷不嚴(yán)重,在預(yù)估的更強(qiáng)地震作用下(大震)不造成危及生命的嚴(yán)重破壞或結(jié)構(gòu)倒塌的目標(biāo)[1-2]。選用較低承載力的設(shè)計(jì)思路導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗震的關(guān)鍵因素是如何保證抗側(cè)力結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性。20世紀(jì)70年代后期,新西蘭知名學(xué)者 T.Paulay和R.Park提出的能力設(shè)計(jì)法是保證結(jié)構(gòu)具有足夠延性的主要技術(shù)措施,得到了一致的認(rèn)可,其核心思想實(shí)際上是通過(guò)一定的構(gòu)件承載能力級(jí)差設(shè)計(jì)措施來(lái)控制結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下出現(xiàn)預(yù)期的延性破壞模式。但中國(guó)抗震規(guī)范[3]采取的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能力設(shè)計(jì)措施在汶川地震中并未有效引導(dǎo)結(jié)構(gòu)形成預(yù)期的破壞模式[4-5],規(guī)范采取的抗震能力設(shè)計(jì)措施的有效性引起了廣泛關(guān)注,開展了有針對(duì)性的研究,但大多集中在框架結(jié)構(gòu)的能力措施上[6-8];汶川地震中少量剪力墻結(jié)構(gòu)震害表明,按中國(guó)2001版抗震規(guī)范設(shè)計(jì)的剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能基本達(dá)到預(yù)期設(shè)防目標(biāo)要求,但重災(zāi)區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)較少,未能充分檢驗(yàn)剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)能力措施控制其出現(xiàn)預(yù)期破壞模式的有效性和合理性,且中國(guó)抗震規(guī)范采取的剪力墻能力設(shè)計(jì)措施明顯有別于其他國(guó)家規(guī)范,中國(guó)2010版抗震規(guī)范修訂時(shí)對(duì)能力設(shè)計(jì)措施進(jìn)行了修改,但對(duì)其有效性進(jìn)行計(jì)算分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的研究很少見(jiàn),已有研究多側(cè)重于“強(qiáng)墻弱連梁”和框架剪力墻的多道防線[9-11],針對(duì)剪力墻自身抗彎和抗剪的能力設(shè)計(jì)措施的研究很少,其他國(guó)家有少數(shù)文獻(xiàn)[12-13]對(duì)規(guī)范采用的剪力墻能力設(shè)計(jì)措施進(jìn)行了校驗(yàn),但由于各國(guó)規(guī)范之間存在的顯著差別,其結(jié)論并不適用于中國(guó)規(guī)范。因此,亟需對(duì)中國(guó)剪力墻能力設(shè)計(jì)措施的有效性進(jìn)行校驗(yàn)和評(píng)估,找出其中存在的問(wèn)題并進(jìn)行改進(jìn),以便剪力墻構(gòu)件在強(qiáng)震中更為有效的實(shí)現(xiàn)其預(yù)期破壞模式,保證其在大震甚至是超大震下的抗倒塌性能。該文通過(guò)理論分析指出中國(guó)01版抗震規(guī)范中剪力墻能力設(shè)計(jì)措施可能存在的問(wèn)題;對(duì)按規(guī)范設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)算例進(jìn)行精細(xì)有限元?jiǎng)恿r(shí)程分析,驗(yàn)證規(guī)范能力措施對(duì)控制剪力墻構(gòu)件出現(xiàn)預(yù)期破壞模式的有效性和可行性,并對(duì)其改善措施進(jìn)行了試算對(duì)比分析,給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議,并被2010版新規(guī)范修訂時(shí)采納。

1 現(xiàn)有剪力墻抗震能力設(shè)計(jì)措施對(duì)比分析

RC剪力墻構(gòu)件能力設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)是引導(dǎo)剪力墻底部一定區(qū)域發(fā)生彎曲破壞,并對(duì)此區(qū)域采取嚴(yán)格的針對(duì)性延性保障措施以保證其具有足夠的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力,其他部位不出彎曲鉸;并且采取措施保證剪力墻任何部位都不發(fā)生剪切失效,從而使得結(jié)構(gòu)的破壞具有較好的可控性和耗能性。其主要措施是增大底部加強(qiáng)區(qū)以上的剪力墻設(shè)計(jì)彎矩和增大剪力墻所有部位的剪力設(shè)計(jì)值。對(duì)于剪力墻構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)主要有以下3種方法:

1)美國(guó)規(guī)范方法[14]:按設(shè)計(jì)地震作用組合下的計(jì)算彎矩進(jìn)行抗彎承載力設(shè)計(jì)(如圖1(a)),采用極限剪力作為設(shè)計(jì)值保證不出現(xiàn)剪切破壞(圖2(a));

2)新西蘭[15]和歐洲[16]規(guī)范方法:對(duì)剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)段取基底最大設(shè)計(jì)彎矩(如圖1(b))進(jìn)行抗彎承載力驗(yàn)算,其上部樓層剪力墻取直線分布彎矩進(jìn)行抗彎承載力設(shè)計(jì)。為了保證“強(qiáng)剪弱彎”,歐洲規(guī)范考慮彎曲超強(qiáng)對(duì)剪力墻剪力計(jì)算值乘以不小于1.5的增大系數(shù),對(duì)框剪結(jié)構(gòu)等雙重結(jié)構(gòu)體系取如圖2(b)中設(shè)計(jì)剪力包絡(luò),對(duì)剪力墻1/3高度以上考慮高振型影響取值較大,頂部剪力設(shè)計(jì)值不小于底部設(shè)計(jì)值的一半;新西蘭規(guī)定剪力設(shè)計(jì)值 Vu=ωvφo,w vE,如圖2(c)所示,其中 ωv為和結(jié)構(gòu)基本周期相關(guān)的動(dòng)態(tài)剪力放大系數(shù),以30層結(jié)構(gòu)為例,ωv為2.3,φo,w為彎矩超強(qiáng)系數(shù),一般大于1.4;

3)中國(guó)規(guī)范方法[3]:①對(duì)于一級(jí)抗震等級(jí)設(shè)計(jì)的剪力墻各截面彎矩設(shè)計(jì)值,底部加強(qiáng)部位及其上一層應(yīng)按墻底截面彎矩計(jì)算值采用,其他部位可按墻肢組合彎矩計(jì)算值的1.2倍采用,如圖1(c)所示;②對(duì)于底部加強(qiáng)部位(1/8結(jié)構(gòu)高度和底部2層的較大值)剪力設(shè)計(jì)值在一、二和三級(jí)抗震等級(jí)時(shí)分別放大1.6、1.4和1.2倍,如圖2(d)所示,對(duì)于9度區(qū)按實(shí)配調(diào)整,以保證剪力墻構(gòu)件“強(qiáng)剪弱彎”性能。

圖1 剪力墻抗彎能力調(diào)整措施示意

圖2 剪力墻抗剪能力調(diào)整措施示意

可見(jiàn),各國(guó)規(guī)范都采用了一定的“強(qiáng)剪弱彎”措施以保證剪力墻在達(dá)到所需的彈塑性彎曲變形之前不發(fā)生剪切破壞,但具體措施差別較大,新西蘭規(guī)范剪力增大系數(shù)相對(duì)最大,常大于2.0;歐洲規(guī)范對(duì)底部1/3結(jié)構(gòu)高度的剪力設(shè)計(jì)值放大1.5倍,對(duì)其以上部位放大較多;中國(guó)規(guī)范對(duì)底部加強(qiáng)部位剪力設(shè)計(jì)值進(jìn)行了放大,但對(duì)加強(qiáng)部位以上的剪力墻剪力未進(jìn)行放大。在剪力墻抗彎能力設(shè)計(jì)方面,美國(guó)規(guī)范方法未對(duì)剪力墻計(jì)算彎矩進(jìn)行能力調(diào)整,剪力墻破壞部位不易得到控制,沿結(jié)構(gòu)高度范圍都可能發(fā)生彎曲破壞,不利于采取針對(duì)性的延性構(gòu)造措施;新西蘭和歐洲規(guī)范除結(jié)構(gòu)底層以外對(duì)計(jì)算彎矩放大較多;中國(guó)規(guī)范方法相比歐洲和新西蘭方法底部加強(qiáng)部位以上樓層放大系數(shù)取較小的定值1.2。

因此,中國(guó)規(guī)范方法相比國(guó)外規(guī)范存在的主要問(wèn)題是底部加強(qiáng)區(qū)段上下的彎矩和剪力設(shè)計(jì)值沿高度有減小的突變,其帶來(lái)的具體不利影響可能有:

1)底部加強(qiáng)部位及其上一層按墻底截面彎矩計(jì)算值采用,可能致使底層外的其他加強(qiáng)部位樓層及加強(qiáng)部位上一層設(shè)計(jì)彎矩增大較多,在強(qiáng)震中可能不出塑性鉸或塑性變形較小,而剪力墻底部截面在強(qiáng)震中塑性變形集中而延性需求可能過(guò)大,這種能力設(shè)計(jì)調(diào)整方案未能充分發(fā)揮整個(gè)底部加強(qiáng)區(qū)的塑性變形能力,也使得底部加強(qiáng)區(qū)除墻底截面以上部位的延性構(gòu)造措施未能真正起到作用;

2)剪力墻加強(qiáng)部位以上對(duì)其抗彎能力進(jìn)行了增大,而未對(duì)其進(jìn)行“強(qiáng)剪弱彎”措施調(diào)整,其抗剪安全性存在較大隱患,特別是底部加強(qiáng)部位上一層,設(shè)計(jì)彎矩增大較多,會(huì)使其實(shí)際能夠形成的剪力可能大于其設(shè)計(jì)剪力導(dǎo)致剪切失效先于彎曲破壞,汶川地震中都江堰有幾棟框剪結(jié)構(gòu)在3層及以上出現(xiàn)了剪切裂縫,可能與此有一定的關(guān)系。

因此,中國(guó)規(guī)范關(guān)于剪力墻的抗彎和抗剪能力設(shè)計(jì)措施的有效性需進(jìn)行驗(yàn)證和改善。為此,下文通過(guò)精細(xì)有限元?jiǎng)恿r(shí)程算例對(duì)比分析來(lái)考察中國(guó)規(guī)范剪力墻能力設(shè)計(jì)措施的實(shí)際控制效果及提出改進(jìn)措施。

2 非線性地震反應(yīng)分析模型

非線性動(dòng)力時(shí)程分析已成為結(jié)構(gòu)抗震性能研究的主要手段之一,得到了廣泛的應(yīng)用。已有研究表明[17],在地震反應(yīng)分析中采用纖維模型可較合理地模擬框架柱在雙向彎曲和變化軸力間的耦合作用;有限元柔度法以單元截面力場(chǎng)的假定作為單元建立的出發(fā)點(diǎn),對(duì)于軸向和彎曲變形為主的梁柱單元該假定通常能準(zhǔn)確滿足,不受單元所處非線性狀態(tài)的影響,因此能較好地模擬單元進(jìn)入軟化階段后的強(qiáng)非線性問(wèn)題。該文采用OpenSees[18](Open System for EarthquakEEngineering Simulation)平臺(tái)上基于柔度法的梁柱纖維單元模擬框剪結(jié)構(gòu)中的梁和柱。材料對(duì)象分別采用基于Scott-Kent-Park的單軸約束混凝土模型和基于Menegotto-Pinto的鋼筋模型,保護(hù)層和樓板混凝土采用無(wú)約束混凝土,梁柱核心區(qū)采用約束混凝土;非線性分析時(shí)材料強(qiáng)度取平均值;截面采用纖維截面(Fiber Section),單元采用基于柔度法的非線性梁柱單元,單元設(shè)置5個(gè)積分點(diǎn),通過(guò)單元層次的迭代可確定各控制點(diǎn)的截面抗力和截面剛度,采用Gauss-Lobatto法沿桿長(zhǎng)積分計(jì)算整個(gè)單元的抗力和單元?jiǎng)偠染仃嚒?/p>

剪力墻的非線性模擬一直是結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的難點(diǎn),以往研究多采用宏觀模型[19],應(yīng)用較多的是等效梁模型、三垂直桿元模型和多垂直桿元模型等,但此類模型沒(méi)有考慮構(gòu)件的軸向、彎曲效應(yīng)與剪切效應(yīng)的耦合,結(jié)果依賴于試驗(yàn)結(jié)果擬合,精度難以保證,且模型參數(shù)較多,定參困難,應(yīng)用較為麻煩。為了克服這些缺點(diǎn),呂西林[20]基于框架桿系纖維模型提出了纖維墻元模型,即由承受軸力及彎矩的纖維子單元與承受剪切變形的剪切子單元相合成的墻元計(jì)算模型,是對(duì)多垂直桿元模型的改進(jìn),盡管其仍不能考慮剪力墻彎曲與剪切效應(yīng)的耦合作用,但其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好,可近似模擬剪力墻在地震中的非線性反應(yīng),國(guó)際上比較流行的IDARC、PERFORM 3D等商用軟件中剪力墻構(gòu)件也采用了這種模型。該文借鑒纖維墻元模型的思想在Opensees分析平臺(tái)上采用纖維梁柱單元附加剪切子單元來(lái)模擬剪力墻,剪力墻構(gòu)件分析結(jié)果與試驗(yàn)吻合較好[21]。

3 算例設(shè)計(jì)

按中國(guó)2001版抗震規(guī)范設(shè)計(jì)8度0.3 g區(qū)3×3跨12層框剪結(jié)構(gòu),Ⅱ類場(chǎng)地,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,底層層高3.9m,其他層層高3.3m,跨度 6m,圖3給出其平面布置示意圖。Y向左右各布置一道剪力墻,剪力墻長(zhǎng)度6m,算例基本情況見(jiàn)表1。梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,柱、墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)1～6層為C35,7～12層為C30。約束混凝土及鋼筋材料參數(shù)取值參見(jiàn)文獻(xiàn)[23]。剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí),框架抗震等級(jí)為二級(jí),底部加強(qiáng)部位為1～2層。模型中梁邊各取6倍板厚范圍內(nèi)的板和板筋參與工作,近似考慮樓板的影響;不考慮土結(jié)相互作用,基礎(chǔ)底部約束假定為固結(jié)。動(dòng)力時(shí)程分析選用6條地震波,其中包括按雙頻段選波法在強(qiáng)震地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中選出的3條實(shí)際地面運(yùn)動(dòng)記錄和2條采用ARMA模型擬合相應(yīng)規(guī)范反應(yīng)譜的人工波,如表2和圖4所示。本算例彈性設(shè)計(jì)剪重比從下到上為8%～16.8%,大于規(guī)范要求的4.80%,經(jīng)Pushover分析計(jì)算得到屈服剪重比從下到上為18%～39%,說(shuō)明該結(jié)構(gòu)算例在大震下具有較高的保有抗側(cè)承載力[22]。

圖3 偏心框剪結(jié)構(gòu)算例平面布置示意圖

圖4 結(jié)構(gòu)算例選用地震波加速度反應(yīng)譜

表1 12層偏心框剪結(jié)構(gòu)算例基本情況

表2 計(jì)算所用地震記錄一覽表

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 剪切變形的影響

相對(duì)梁柱桿件而言,剪力墻的剪切變形不容忽略,剪力墻結(jié)構(gòu)非線性分析結(jié)果的可靠性將依賴于剪力墻模型的剪切單元的合理非線性剪切模型及參數(shù)的選取,目前應(yīng)用較多的剪力墻非線性滯回恢復(fù)力骨架線如圖5所示,各控制點(diǎn)參數(shù)的確定用的比較多的是廣澤公式[21],其定參過(guò)程詳見(jiàn)文獻(xiàn)[22],但需注意的是,按照廣澤公式計(jì)算出的屈服承載力有時(shí)會(huì)顯著低于按中國(guó)抗震規(guī)范公式的計(jì)算結(jié)果,如表3所示,對(duì)于按中國(guó)抗震規(guī)范設(shè)計(jì)的剪力墻屈服承載力若按廣澤公式計(jì)算則會(huì)帶來(lái)抗彎承載力與抗剪承載力的不匹配,導(dǎo)致計(jì)算中剪切先于彎曲破壞,因此比較合理的做法是采用規(guī)范公式計(jì)算剪力墻的屈服承載力,再利用廣澤公式提供的其與最大承載力及開裂荷載的比例關(guān)系來(lái)確定其它參數(shù)。剪切滯回曲線捏縮的程度與剪跨比、腹板配筋方式、腹板配筋率、截面正應(yīng)力水平、混凝土強(qiáng)度等諸多因素相關(guān)。鑒于問(wèn)題的復(fù)雜性,參照文獻(xiàn)[9]的簡(jiǎn)化方法處理:取用變形的捏縮系數(shù)為0.6,力的捏縮系數(shù)為0.25。卸載剛度退化指數(shù)β取為0.5,卸載剛度Kd=μ-βks0,μ為延性系數(shù),ks0為初始加載剛度。卸載至0后,反向加載先按上述捏縮系數(shù)加載至裂縫閉合點(diǎn),再按原點(diǎn)指向型加至先前一次最大位移點(diǎn)。

圖5 剪力墻骨架曲線示意圖

表3 剪力墻剪切參數(shù)對(duì)比

考慮剪力墻剪切變形與否會(huì)顯著影響結(jié)構(gòu)地震反應(yīng),圖6和圖7分別給出了剪力墻Q1在大震下(以USA00581為例)的彎曲曲率滯回曲線和層間位移角沿樓層分布?？梢钥闯?考慮剪切變形與否對(duì)結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)和構(gòu)件損傷都有明顯的影響,不考慮非線性剪切變形時(shí)剪力墻構(gòu)件的彎曲破壞程度相對(duì)嚴(yán)重些,層間位移角相對(duì)明顯減小。因此,剪力墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)震反應(yīng)分析時(shí)必須考慮剪力墻的非線性剪切變形。

限于篇幅,分別以人工波AF1和實(shí)際地震動(dòng)USA00581為例,計(jì)算得到的剪力墻Q1的剪切變形值如表4所示,Q1大震下彎曲曲率滯回曲線和剪切變形滯回曲線分別如圖8和圖9所示?？梢?jiàn),1)采用規(guī)范公式確定屈服剪力時(shí),計(jì)算得到的剪力墻底部彎曲鉸相對(duì)更為嚴(yán)重,因?yàn)橐?guī)范公式在墻底部剪切屈服變形比廣澤公式大,相應(yīng)的剪切變形反應(yīng)小而彎曲變形比重更大;2)采用規(guī)范公式定參時(shí),3層剪力墻出現(xiàn)了剪切破壞,屈服系數(shù)達(dá)到了1.54,這是由于規(guī)范對(duì)剪力墻底部2層加強(qiáng)部位進(jìn)行了“強(qiáng)剪弱彎”能力調(diào)整,基本能達(dá)到要求,但第3層在加大了抗彎能力的情況下不進(jìn)行強(qiáng)剪弱彎調(diào)整則可能造成大震下的剪切失效,而采用廣澤公式,底層和3層都發(fā)生了剪切破壞,主要是廣澤公式計(jì)算出的剪切強(qiáng)度在1層明顯小于規(guī)范公式所致,因此,01規(guī)范的剪力墻抗剪能力措施不足以確保其大震下“強(qiáng)剪弱彎”,應(yīng)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

圖6 剪力墻Q1底層墻底在大震下的彎曲曲率滯回曲線(USA00581)

圖7 模型L-6層間位移角最大值沿樓層分布(USA00581)

表4 墻Q1剪切變形

圖8 剪力墻Q1在大震下的彎曲曲率滯回曲線

圖9 剪力墻Q1在大震下的剪切變形滯回曲線

4.2 抗彎能力措施控制效果

從圖8可以看出,人工波大震作用下僅底層墻底發(fā)生彎曲屈服,曲率延性系數(shù)達(dá)到了41,這是剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施無(wú)法達(dá)到的延性需求。圖10和表5給出了人工波大震下底層剪力墻底截面鋼筋、混凝土最大應(yīng)變,鋼筋最大屈服應(yīng)變達(dá)到0.032,邊緣構(gòu)件范圍內(nèi)混凝土被壓潰,墻體軸向承載力迅速降低(如圖11(a)所示),喪失穩(wěn)定的豎向承載能力,甚至其在中震時(shí)剪力墻曲率延性系數(shù)也達(dá)到了4.3;在實(shí)際地震波作用下,仍是僅墻底截面屈服,曲率延性約為10～14,但還具有較為穩(wěn)定的豎向承載力(如圖11(b)所示)。

1)人工波比選出的實(shí)際地震動(dòng)計(jì)算結(jié)果大很多,原因主要是,對(duì)于框剪結(jié)構(gòu)算例來(lái)說(shuō),由于剪力墻提供了大部分剛度,致使其底部出鉸后結(jié)構(gòu)周期增大較多,該文算例結(jié)構(gòu)第1周期0.96 s在反應(yīng)較大時(shí)周期變?yōu)?.5～5.7 s。而選波時(shí)根據(jù)彈性反應(yīng)譜選波法得到的實(shí)際地震動(dòng)在長(zhǎng)周期段反應(yīng)譜明顯小于規(guī)范反應(yīng)譜(如圖2),而人工波與規(guī)范反應(yīng)譜擬合較好。

圖10 墻體鋼筋和混凝土應(yīng)變輸出位置示意

圖11 剪力墻軸力時(shí)程曲線

表5 底層墻Q1鋼筋最大應(yīng)變(AF1)

2)僅在墻底截面出現(xiàn)嚴(yán)重的塑性鉸是由于采取的抗彎能力調(diào)整措施導(dǎo)致的,說(shuō)明了第1節(jié)中理論分析的正確性。8度0.3g區(qū)一級(jí)抗震等級(jí)的剪力墻一般受地震組合內(nèi)力控制,剪力墻抗彎承載力超強(qiáng)系數(shù)約為1.3(鋼筋平均值與設(shè)計(jì)值之比)×1.3(地震荷載分項(xiàng)系數(shù))×0.85(γRE)=1.436 5,實(shí)際上鋼筋平均值與設(shè)計(jì)值的比值1.3還并不能反映剪力墻抗彎承載力增大了1.3倍,實(shí)際上由于軸力項(xiàng)的影響承載力并未增大到1.3倍,因此一級(jí)剪力墻的底部加強(qiáng)部位超強(qiáng)系數(shù)約為1.43,考慮到中震下剪力墻構(gòu)件開裂后剛度退化周期變長(zhǎng),假設(shè)周期變長(zhǎng)1.3倍,中震地震作用約減小1.25倍,若實(shí)現(xiàn)中震下不屈服則要求抗彎承載力再增大2.86(中震到小震的地震力降低系數(shù))/1.43/1.25=1.6倍。因此,不考慮較軟土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用時(shí),假定墻底固接于地面,剪力墻在大震下甚至是中震下會(huì)過(guò)早出現(xiàn)塑性鉸,而能力調(diào)整措施使得除底層截面以外的部位不易出鉸,塑性集中在底部截面,導(dǎo)致其峰值反應(yīng)時(shí)曲率延性需求過(guò)大,甚至壓潰區(qū)域過(guò)大而喪失穩(wěn)定的豎向承載能力。根據(jù)文獻(xiàn)[1],結(jié)構(gòu)位移延性系數(shù)μΔ和曲率延性系數(shù)μφ存在如下關(guān)系:

式中:h w為墻截面長(zhǎng)度,H為墻總高。一般根據(jù)試驗(yàn)RC墻體在適當(dāng)構(gòu)造措施下位移延性系數(shù)可達(dá)到3～5,因此,算例中的剪力墻曲率延性系數(shù)可較為可靠的達(dá)到7～14。人工波作用下墻底曲率延性系數(shù)41明顯超出過(guò)多,沒(méi)有可靠措施能達(dá)到這樣大的延性需求。因此,應(yīng)對(duì)剪力墻抗彎能力措施進(jìn)行改進(jìn),減小墻底截面過(guò)大的延性需求。

需要說(shuō)明的是,“強(qiáng)墻弱連梁”措施引導(dǎo)連梁出現(xiàn)彎曲塑性鉸,是剪力墻結(jié)構(gòu)能力設(shè)計(jì)的主要措施之一,已有研究較多,該文未對(duì)此展開研究,而主要著眼于剪力墻構(gòu)件自身的能力調(diào)整措施的合理性和有效性上,算例大震中連梁彎曲塑性鉸曲率延性較大時(shí)達(dá)到9～15,起到了多道防線的作用,連梁更弱時(shí),連梁塑性耗能相對(duì)增大,剪力墻底部損傷會(huì)有所減小,但不會(huì)改變剪力墻損傷集中在底截面的狀況。

4.3 能力措施的改善

為了改善中國(guó)2001版規(guī)范剪力墻構(gòu)件在強(qiáng)震中可能存在的剪切失效問(wèn)題,考慮到中國(guó)規(guī)范剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)以上剪力未放大,而國(guó)外規(guī)范又放大較多,結(jié)合中國(guó)國(guó)情本文取相對(duì)折中的剪力加強(qiáng)方案,對(duì)剪力墻加強(qiáng)部位設(shè)計(jì)剪力乘以增大系數(shù)1.6,加強(qiáng)部位以上樓層設(shè)計(jì)剪力取直線變化,結(jié)構(gòu)頂層取計(jì)算剪力值,如圖12所示,相比國(guó)外規(guī)范取值偏低,此設(shè)計(jì)剪力計(jì)算出的抗剪鋼筋與規(guī)范規(guī)定的構(gòu)造配筋取大值,需要說(shuō)明的是,中國(guó)規(guī)范對(duì)二、三級(jí)抗震墻底部加強(qiáng)部位剪力調(diào)整系數(shù)采用相對(duì)較低的增大系數(shù)的做法是不合理的,在相同的延性需求下理應(yīng)采用相同嚴(yán)格程度的延性措施。從剪力墻構(gòu)件計(jì)算剪力分布特征來(lái)看,剪力墻中上部抗剪承載力多數(shù)由構(gòu)造配筋控制,對(duì)于中下部計(jì)算剪力乘以1.4～1.6的增大系數(shù),對(duì)于避免剪力墻在強(qiáng)震中由于內(nèi)力重分布和高振型的影響而發(fā)生剪切失效將大有好處。這在后面的算例中將得到證明。

圖12 抗剪能力改進(jìn)措施

圖13 2010版抗震規(guī)范剪力墻抗彎能力調(diào)整措施

對(duì)于解決剪力墻僅在底部截面彎曲延性需求過(guò)大的問(wèn)題,可對(duì)剪力墻底部設(shè)計(jì)彎矩予以放大,但可能會(huì)帶來(lái)屈服部位上移至非加強(qiáng)部位;較為理想的改進(jìn)措施是將屈服部位控制在底部延性加強(qiáng)區(qū)內(nèi),盡量使加強(qiáng)區(qū)內(nèi)的截面盡可能多的屈服而耗散能量,減小底截面延性需求,使底部加強(qiáng)區(qū)采取的較為嚴(yán)格的延性措施能真正發(fā)揮作用。為此設(shè)計(jì)如表6所示的抗彎能力調(diào)整方案進(jìn)行非線性動(dòng)力反應(yīng)分析,考察各措施的有效性。算例R-01和R-02沿襲01抗震規(guī)范的思路增大底部加強(qiáng)部位的設(shè)計(jì)彎矩以期望減小剪力墻底截面的彎曲變形;R-03對(duì)剪力墻底部加強(qiáng)部位計(jì)算彎矩不進(jìn)行放大,僅對(duì)底部加強(qiáng)部位以上計(jì)算彎矩放大1.2倍;R-04和R-05在R-03的基礎(chǔ)上對(duì)底層計(jì)算彎矩進(jìn)行適當(dāng)放大。圖14給出了各算例剪力墻Q1的彎矩曲率。算例 R-01剪力墻底層底截面屈服仍很嚴(yán)重,曲率延性系數(shù)達(dá)到了31,第3層屈服程度較輕,曲率延性系數(shù)為1.5,其他層剪力墻未屈服;算例R-02剪力墻第1、3和4層發(fā)生彎曲屈服,曲率屈服系數(shù)分別為2.8、4.8和12.1,說(shuō)明底部計(jì)算彎矩放大后可能導(dǎo)致破壞部位轉(zhuǎn)移到非加強(qiáng)部位,不利于針對(duì)性的采取嚴(yán)格的延性構(gòu)造措施。算例 R-03剪力墻底部加強(qiáng)部位即第1、2層發(fā)生彎曲屈服,屈服系數(shù)分別為24.1和3.0,底層剪力墻承載力下降到極限承載力的75%,具有較為穩(wěn)定的豎向承載力(圖15(a)所示),其他部位未發(fā)生彎曲屈服,相比原01規(guī)范措施的控制效果有了明顯的改善,但底部延性需求仍較大;算例R-04剪力墻第1、2層屈服系數(shù)分別為11.2和26.5,說(shuō)明1層加強(qiáng)較多后2層屈服程度顯著加重,曲率延性需求過(guò)大;算例R-05剪力墻第1、2層屈服系數(shù)分別為14.5和9.8,極限承載力未下降,具有穩(wěn)定的豎向承載力(圖15(b)所示)。總體來(lái)說(shuō),R-03和R-05是比較符合將剪力墻彎曲破壞較為均勻的控制在底部加強(qiáng)區(qū)范圍內(nèi)的改進(jìn)措施,2010版新抗震規(guī)范即采納了R-03的改進(jìn)措施(圖13所示),盡管底部截面彎曲曲率仍較大,但考慮到剪力墻結(jié)構(gòu)實(shí)際土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用效應(yīng)將降低底層剪力墻構(gòu)件的地震反應(yīng),R-03的措施在實(shí)際情況中也可能取得較好的效果,可以肯定的是R-03的改進(jìn)措施比01抗震規(guī)范采取的抗彎能力措施更為有效;從該文算例計(jì)算結(jié)果來(lái)看R-05改進(jìn)措施是符合能力設(shè)計(jì)要求的最有效措施,究竟哪種抗彎能力改進(jìn)措施更為有效有待進(jìn)一步的土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用分析及結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究驗(yàn)證。

表6 剪力墻抗彎承載力調(diào)整方案

圖14 各改進(jìn)措施算例剪力墻彎矩曲率滯回曲線(Q1)

圖15 改進(jìn)措施剪力墻軸力時(shí)程曲線

以R-05為例,圖16和圖17分別給出采取規(guī)范抗剪能力措施和該文建議的改進(jìn)措施時(shí)剪力墻剪切變形滯回曲線。可見(jiàn),采用規(guī)范剪力墻抗剪能力調(diào)整措施時(shí),在第3、4層將出現(xiàn)剪切失效;而采用該文提出的抗剪能力調(diào)整措施,各層都未出現(xiàn)剪切失效。

圖16 算例R-05采取規(guī)范抗剪能力調(diào)整措施時(shí)Q1在大震下的剪切變形滯回曲線

圖17 算例R-05采取提出的改進(jìn)抗剪能力調(diào)整措施時(shí)Q1在大震下的剪切變形滯回曲線

5 結(jié)語(yǔ)

該文指出中國(guó)2001版抗震規(guī)范的剪力墻能力設(shè)計(jì)措施存在的問(wèn)題,通過(guò)精細(xì)有限元?jiǎng)恿r(shí)程算例分析,校驗(yàn)了中國(guó)規(guī)范剪力墻能力調(diào)整措施控制其預(yù)期破壞模式的有效性;提出了改進(jìn)措施,并進(jìn)行了算例驗(yàn)證,得到的主要結(jié)論有:

1)中國(guó)2001版抗震規(guī)范采用的剪力墻抗震能力設(shè)計(jì)措施理論上存在不足,亟需改進(jìn)。在剛性地基假定下的算例分析表明,剪力墻底截面彎曲延性需求過(guò)大、豎向承載力喪失,而底部延性加強(qiáng)區(qū)其他部位不屈服,未充分發(fā)揮底部延性加強(qiáng)區(qū)塑性耗能的目的;現(xiàn)行規(guī)范采用的抗剪能力措施不能避免底部加強(qiáng)區(qū)以上剪力墻樓層剪切失效。

2)對(duì)剪力墻抗彎能力設(shè)計(jì)改進(jìn)措施的算例對(duì)比分析表明,對(duì)剪力墻底部加強(qiáng)部位以上進(jìn)行抗彎能力增大調(diào)整、底部加強(qiáng)區(qū)除底截面外不進(jìn)行調(diào)整,可引導(dǎo)剪力墻彎曲屈服較為均勻的出現(xiàn)在底部延性加強(qiáng)區(qū)內(nèi),2010版抗震規(guī)范采用的改進(jìn)措施相比目前國(guó)外各國(guó)抗震規(guī)范更為合理。

3)提出了剪力墻抗剪能力設(shè)計(jì)改進(jìn)措施,即對(duì)剪力墻加強(qiáng)部位設(shè)計(jì)剪力乘以增大系數(shù)1.6(不區(qū)分抗震等級(jí)),加強(qiáng)部位以上樓層設(shè)計(jì)剪力取直線變化,結(jié)構(gòu)頂層取計(jì)算剪力值,設(shè)計(jì)剪力計(jì)算出的抗剪鋼筋與規(guī)范規(guī)定的構(gòu)造配筋取大值,通過(guò)算例分析表明其可有效避免剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)以上樓層強(qiáng)震中出現(xiàn)剪切失效。

4)剪力墻屈服后結(jié)構(gòu)周期變大較多,按彈性反應(yīng)譜雙頻段選波法選出的實(shí)際地震波比擬合規(guī)范反應(yīng)譜的人工波大震計(jì)算結(jié)果小很多,結(jié)構(gòu)強(qiáng)震非線性動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)選波原則和方法需進(jìn)一步開展研究。

5)該文針對(duì)剪力墻抗震能力設(shè)計(jì)措施開展了一些初步研究,提出的改進(jìn)措施在理論上更為合理,但其有效性還有待進(jìn)一步深入的土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用分析及結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究進(jìn)行驗(yàn)證。

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