T形短肢剪力墻延性性能分析

李志鵬，郭 棣，吳耀鵬

（西安建筑科技大學，陜西 西安 710055）

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)具有建筑布置靈活、結(jié)構(gòu)自重較輕等優(yōu)點，在小高層及高層住宅中得到了廣泛應(yīng)用．《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》在一般規(guī)定中列出了關(guān)于短肢剪力墻設(shè)計的條文［1］．

關(guān)于T形截面短肢剪力墻的低周反復荷載試驗研究證明，在翼緣受壓、受拉兩個方向上，構(gòu)件的延性差異很大，翼緣受壓側(cè)延性很差，限制了其工程應(yīng)用［2］．筆者在已有研究的基礎(chǔ)上編寫了考慮縱筋粘結(jié)滑移的T形短肢剪力墻的彎矩－曲率關(guān)系分析計算程序，通過理論計算對其延性性能進行分析，探討改善其延性性能的方法．

1 非線性分析原理

1．1 基本假定

計算采用的基本假定有：變形過程中短肢剪力墻截面應(yīng)變符合平截面假定;不考慮混凝土抗拉強度;構(gòu)件不受剪切變形影響;根據(jù)文獻［3］，考慮由于縱筋粘結(jié)滑移引起的附加曲率．

1．2 材料的本構(gòu)關(guān)系

混凝土采用肯特（Kent）和帕克（Park）建議的本構(gòu)模型，其應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系為式中：σc為混凝土的應(yīng)力，MPa;k為約束箍筋對混凝土強度的增大系數(shù);f'c為混凝土圓柱體抗壓強度，MPa;εc為混凝土的應(yīng)變;ε20c為應(yīng)力下降到20%時的應(yīng)變值;參數(shù)Z規(guī)定了直線下降段的坡度，

式中：ρs為體積配箍率，%;b″為混凝土受約束核心寬度，mm;sh為箍筋間距，mm．

假定鋼筋為理想彈塑性材料，其應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系為

式中：σs為鋼筋的應(yīng)力，MPa;Es為鋼筋的彈性模量，N/mm2;fy為鋼筋的屈服強度，MPa;εs為鋼筋的應(yīng)變;εy為鋼筋的屈服應(yīng)變．

1．3 非線性分析方法

為了分析在任一截面形狀和荷載角下的彎矩－曲率關(guān)系，采用文獻［4］中提供的方法，將截面沿x和y向劃分條帶形成網(wǎng)格，如圖1所示．假定任一網(wǎng)格（面積為ΔA）上混凝土應(yīng)力σc，i均勻分布．根據(jù)截面中縱筋的實際配置，在程序參數(shù)輸入文件中輸入各鋼筋單元的位置坐標和面積，即可求出截面任一點的應(yīng)變、應(yīng)力，進而可得到截面的內(nèi)力、彎矩（M）和對應(yīng)的曲率（φ）．

圖1 計算模型

程序計算流程如圖2所示．

圖2 程序計算流程

2 配筋調(diào)整與分析

選擇文獻［2］中肢寬比為5的試件ZT5－5，針對翼緣受壓、受拉時的受力情況進行對比分析，有關(guān)參數(shù)及配筋詳見文獻［2］．

計算得到兩根試件的彎矩－曲率關(guān)系曲線如圖3中實線所示．根據(jù)圖3可以看出，同一構(gòu)件在翼緣受壓、受拉兩種不同的水平力作用下，截面曲率和延性呈現(xiàn)明顯差異．T形截面短肢剪力墻在翼緣受拉、腹板受壓時構(gòu)件的曲率達到峰值后急劇下降，表現(xiàn)出明顯的“脆性”性質(zhì)，延性性能很不理想;在翼緣受壓、腹板受拉時，構(gòu)件承載力達到峰值后，對應(yīng)的峰值曲率增加，之后承載力緩慢下降，出現(xiàn)一較長的屈服平臺，破壞過程緩慢，延性很好．

圖3 調(diào)整前后構(gòu)件的彎矩－曲率關(guān)系曲線

理論分析表明，這一差異的存在是由T形短肢剪力墻截面翼緣及腹板的嚴重不對稱造成截面配筋的不對稱引起的．

保持總配筋量相當，調(diào)整其截面的配筋形式，如在腹板處配置較多鋼筋，減小翼緣配筋，同時提高配箍率與縱筋形成約束骨架，可提高混凝土的變形能力，改善其延性性能．調(diào)整前翼緣配筋率1．43%，腹板配筋率0．82%;調(diào)整后翼緣配筋1．14%，腹板配筋1．15%，配筋（TT5－5）如圖4所示．

圖4 調(diào)整后構(gòu)件的配筋（單位：mm）

計算得到調(diào)整配筋后的彎矩－曲率關(guān)系曲線如圖3中虛線所示．根據(jù)圖3可以看出，調(diào)整配筋后，構(gòu)件的承載力稍有提高，同時峰值荷載對應(yīng)的位移增大，構(gòu)件的延性性能有所改善．

3 箍筋的影響

試驗證明，箍筋會約束混凝土的橫向變形．箍筋越多、越強，對核芯混凝土的約束應(yīng)力越大，受約束混凝土的抗壓強度和峰值應(yīng)變都隨之加快增長．將試件 ZT5－5的配箍率 λ分別提高至0．4%和0．5%，其彎矩－曲率關(guān)系曲線如圖5所示．

圖5 不同配箍率時構(gòu)件的彎矩－曲率關(guān)系曲線

由圖可5知，隨著配箍率的提高，構(gòu)件的承載力基本保持不變，在達到最大承載力后下降段逐漸趨于平緩，極限位移有較大增加，構(gòu)件的延性性能有明顯提高．

4 結(jié)語

考慮縱筋的粘結(jié)滑移影響，對T形短肢剪力墻的延性進行了分析．提出通過調(diào)整截面配筋方式來改善構(gòu)件性能的方法，并對構(gòu)件延性受配箍率的影響進行了分析．得到如下結(jié)論．

1）短肢剪力墻在翼緣受壓和翼緣受拉情況下，構(gòu)件的受力和變形性能有很大差異;翼緣受拉時構(gòu)件的延性較大，抗震性能不理想．

2）使用文中提出的方法調(diào)整縱向鋼筋在墻肢截面的布置，在端部設(shè)置較多的鋼筋，可以提高構(gòu)件的受彎承載力，改善構(gòu)件的延性性能．

3）隨著配箍率的提高，構(gòu)件的變形能力明顯增加．調(diào)整截面的配筋形式，并增加箍筋的配置是改善T形短肢剪力墻翼緣受拉方向延性性能的有效措施．

［1］中國建筑科學研究院．JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010．

［2］郭棣．寬肢異形柱的試驗研究［D］．西安：西安建筑科技大學，2001．

［3］張衛(wèi)輝．考慮粘結(jié)滑移的鋼筋混凝土異形柱非線性分析［D］．長沙：湖南大學，2006．

［4］朱伯龍，董振祥．鋼筋混凝土非線性分析［M］．上海：同濟大學出版社，1984．

［5］郭棣，吳敏哲，謝異同．寬肢T形柱的滯回特性及耗能分析［J］．世界地震工程，2002，18（2）：146 －149．

［6］郭棣，吳敏哲，田煒．T形截面鋼筋混凝土柱偏心受壓分析［J］．西安建筑科技大學學報，2001，33（2）：138－143．

［7］張杜，葉獻國．鋼筋混凝土異形柱非線性分析［J］．合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2003，26（4）：18－25．