L形短肢剪力墻破壞試驗研究

祝彥艷

(煙臺市建筑設(shè)計研究股份有限公司，山東煙臺264000)

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是一種新型的建筑結(jié)構(gòu)形式。由于其建筑功能、工程造價均比較合理，近年來在我國得到了廣泛地應(yīng)用和發(fā)展。短肢剪力墻為異型柱和一般剪力墻的過渡形式，有其固有的特性。由于傳統(tǒng)觀念上短肢剪力墻抗震性能較差，使得該結(jié)構(gòu)在高烈度區(qū)域應(yīng)用不多?？拐鹨?guī)程中的相關(guān)規(guī)定是建立在少量結(jié)構(gòu)試驗和高烈度地區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗不多基礎(chǔ)上的，缺乏系統(tǒng)、深入的研究和實際強震的考驗。

國內(nèi)外對該類結(jié)構(gòu)體系的理論和實驗研究主要以結(jié)構(gòu)的整體性能分析為主。本文基于1/2比例實體模型試驗從細部出發(fā)，對個體構(gòu)件進行試驗，從更加細觀的方面得到短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的破壞規(guī)律，并針對其破壞特點，提出一些有益建議。

圖1 L形截面試件配筋

1 模型設(shè)計

本次試驗共設(shè)計了4個1/2縮尺比例的L形截面短肢剪力墻構(gòu)件模型，試件縱向高度為1.4m，截面厚度為100mm，按墻截面的高厚比為5∶1、8∶1確定試件的截面高度。為模擬實際整體結(jié)構(gòu)中樓板對試件的約束作用，同時方便水平荷載和豎向軸壓荷載的加載，試件端頭范圍內(nèi)做成矩形。端部矩形塊內(nèi)有兩層鋼筋網(wǎng)，以提高局部抗壓能力;為防止側(cè)面局部混凝土被壓碎，加放10mm厚的鋼板，以提高混凝土的局部承載力。試件都采用細石混凝土澆筑，設(shè)計強度等級為C40，實測混凝土的力學性能見表1，試件截面參數(shù)及配筋見圖1。其中，L500表示試件為L形截面，截面高厚比為5，其它試件編號以此類推。所有試件的箍筋和拉結(jié)筋均為4鋼絲。鋼筋的力學性見表2。

試驗?zāi)Ｐ胃魑锢砹拷?jīng)無量綱化后其相似關(guān)系為:幾何尺寸，l=1/2;位移，u=1/2;轉(zhuǎn)角，θ=1，鋼筋面積:As=1/4;荷載，p=1/4;彎矩，M=1/8;應(yīng)力，σ=1;應(yīng)變，ε=1;彈性模量，E=1。

表1 混凝土實測的力學指標

表2 鋼筋實測的材料性能指標

2 試驗加載

本試驗采用低周反復(fù)加載，加載裝置為100t電液伺服作動器配合反力支架進行豎向與水平雙向加載。水平荷載由往復(fù)作動器提供，水平加載點位于墻體頂部加載中心。將水平連接裝置固定在加載梁上，再將作動器后端固定在反力墻上，作動器前端與水平連接裝置相連。通過水平裝置給試件施加推拉往復(fù)水平荷載。豎向荷載由豎向油壓千斤頂提供。

在試驗時根據(jù)設(shè)計的軸壓比施加相應(yīng)豎向荷載，并保持不變，然后施加往復(fù)的水平荷載，采用荷載和位移混合控制方式，試件屈服前采用荷載控制，并根據(jù)預(yù)算的荷載值調(diào)整荷載的級差，屈服后采用位移控制加載，按屈服位移的一倍循環(huán)加載，每一級位移循環(huán)3次，直至試件破壞或荷載下降至最大荷載的85%左右為止。

用水平裝置進行加載時，L型短肢剪力墻構(gòu)件沿工程軸方向加載。加載方向如圖2所示，加載時先施加推力，用‘+’表示，再施加拉力，用‘－’表示，如此往復(fù)進行加載。加載示意圖見圖3。其中，D為屈服位移，F(xiàn)r為開裂荷載，F(xiàn)y為屈服荷載。

圖2 試件加載方向

圖3 加載示意

3 試驗現(xiàn)象

4個試件在力控制階段，推進方向時均在腹板處產(chǎn)生首條裂縫，且裂縫幾乎為水平。隨著載荷的增加，腹板產(chǎn)生多條新裂縫，原裂縫也沿水平方向開始延伸。載荷繼續(xù)增加，腹板繼續(xù)產(chǎn)生多條新裂縫，與水平方向約成45°夾角，載荷繼續(xù)增加推進方向屈服。在位移控制階段，腹板繼續(xù)產(chǎn)生新裂縫，與水平方向約成60°夾角。隨著循環(huán)位移的加大，在腹板底部邊緣開始產(chǎn)生豎向短裂縫，混凝土有被壓酥的跡象。之后腹板產(chǎn)生多條新裂縫，與水平方向大約成130°夾角，并且原有裂縫開始向翼緣延伸，延伸方向與水平方向成約150°夾角，然后拉方向開始屈服。之后在推拉各自方向位移控制時，腹板中下部裂縫加寬，寬度最大達到2mm左右，腹板底部邊緣混凝土有少量剝落。再后，腹板底部邊緣混凝土被壓酥，腹板中下部裂縫進一步加寬，翼緣產(chǎn)生多條新裂縫，并與腹板的裂縫形成貫穿裂縫，腹板底部邊緣混凝土有少量剝落，腹板中下部裂縫進一步加寬，局部寬度達到2.5mm左右，腹板產(chǎn)生多條新裂縫，與水平方向成60°左右夾角，腹板底部25cm以下混凝土被嚴重壓酥并且大量剝落，鋼筋外露并彎曲，隨后承載力大幅下降，構(gòu)件破壞。構(gòu)件典型破壞現(xiàn)象如圖4所示。

圖4 試件破壞裂縫

4 試驗結(jié)果分析

4.1 滯回曲線

四片L形截面的鋼筋混凝土短肢剪力墻試件在低周反復(fù)水平荷載作用的荷載位移滯回曲線如圖5所示。

圖5 滯回曲線

通過對比分析，它們存在以下特點:滯回曲線呈現(xiàn)出一頭大一頭小的不對稱形狀。這是由于在反復(fù)荷載作用下，由于翼緣和腹板在正負兩個方向力作用下的剛度退化程度不同，試件的水平力作用方向不同，其承載能力和變形也不同，翼緣位于受拉區(qū)時試件的承載力高于翼緣受壓時的承載力。隨著試件剪跨比的減小、軸壓比的提高，短肢剪力墻的延性明顯下降、耗能能力變差。剪跨比較大、軸壓比較低時，如試件L500－1(剪跨比為2.8，軸壓比為0.2)，其滯回曲線呈現(xiàn)比較豐滿，曲線的下降段也比較平緩，表明其耗能和構(gòu)件的延性較好。當試件截面剪跨比較小，軸壓比較高時，如試件L800－1(剪跨比為1.75，軸壓比為0.2)，其滯回曲線變?yōu)楹哪芴匦院懿畹姆碨形，構(gòu)件屈服后很快達到其極限強度，延性很差，在荷載的數(shù)次反復(fù)作用后，斜裂縫反復(fù)張開、閉合，曲線的下降段比較陡峭，剛度嚴重退化，滯回曲線“捏攏”現(xiàn)象明顯。

4.2 應(yīng)變分析

鋼筋和混凝土應(yīng)變數(shù)據(jù)直接反映了結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。同軸壓比下不同剪跨比構(gòu)件的腹板底部截面縱筋的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系如圖6。

從圖中可以加載初期試件各點應(yīng)變較好地符合平截面假定，試件開裂后，當有裂縫發(fā)展延伸到應(yīng)變片位置時，之后的應(yīng)變片數(shù)據(jù)就遭到破壞而失真。剪跨比大的試件更好地符合了平截面假定，這應(yīng)該是因為剪跨比小的試件受到了一定的剪切變形的影響。從圖6中可以看出L形截面短肢剪力墻截面應(yīng)變基本符合平截面假定。

5 結(jié)論

本文基于4片L形截面的鋼筋混凝土短肢剪力墻在低周反復(fù)水平荷載作用下的試驗，研究了鋼筋混凝土短肢剪力墻的破壞現(xiàn)象和延性，得到了以下結(jié)論及建議。

圖6 縱筋應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系

(1)短肢剪力墻按截面高厚比的定義，一般屬于中高剪力墻，其破壞模式隨剪跨比的減小和軸壓比的提高從彎曲破壞漸變?yōu)閺澕羝茐?，試驗中剪跨比大?的試件其破壞模式為彎曲破壞，剪跨比小于2的試件其破壞模式為彎剪破壞，但破壞仍是受彎曲承載力控制，隨軸壓比的增大，只是加重了試件的剪切損傷，反向加載時剪切損傷更明顯。

(2)隨軸壓比的增大試件的正向極限承載力增加明顯，由于腹板端部混凝土容易壓碎，和反向加載時剪切破壞成分的加大，反向極限承載力在截面高厚比較大的試件隨軸壓比增大反而減小，隨軸壓比的增大，試件的延性減小，反向加載時由于試件是由于腹板混凝土壓碎而破壞的，其延性下降特別明顯，故建議對L形截面短肢剪力墻宜按照腹板受壓方向，也即其延性最不利方向來控制其軸壓比限值。

(3)短肢剪力墻從彈性階段進入塑性階段后，由于應(yīng)力重分布，截面翼板上正應(yīng)力分布更不均勻，剪滯效應(yīng)明顯，其最大正應(yīng)力出現(xiàn)位置隨著反復(fù)的水平加載會出現(xiàn)變動。所以短肢剪力墻務(wù)必使截面留有應(yīng)力重分布的空間，避免構(gòu)件因應(yīng)力集中而提前破壞，又能保證翼板的大部份截面隨著塑性變形的發(fā)展能漸次發(fā)揮其全部的承載能力。

(4)L形截面短肢剪力墻不小于裂縫間距量測的混凝土應(yīng)變和鋼筋的平均應(yīng)變基本能符合平截面假定，故對帶翼緣短肢剪力墻的計算分析可近似采用平截面假定進行簡化計算。

L形截面短肢剪力墻的破壞薄弱處均為腹板無翼緣支撐一側(cè)的下部，且均屬于彎剪破壞。因此，此處范圍內(nèi)應(yīng)合理調(diào)整截面配筋，并適當加強此處的縱向配筋率，加大斜裂縫頂部混凝土壓區(qū)高度;或是在此處加設(shè)暗柱或型鋼來提高薄弱面受力性能，使得整體構(gòu)建承載力增大，同時也會使翼緣得到充分發(fā)揮。試件破壞時在腹板面上形成很多剪刀式長裂縫，可以通過在對角線加交叉鋼筋的方法來提高抵抗破壞的能力。

[1]GB50010－2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S］

[2]李宏男，李兵．鋼筋混凝土剪力墻抗震恢復(fù)力模型及試驗研究[J］．建筑結(jié)構(gòu)學報，2004，25(5):35－42

[3]李杰，李奎明．鋼筋混凝土短肢剪力墻結(jié)構(gòu)試驗[J］．建筑科學與工程學報，2007，24(4):12－20

[4]苗亞洲，陳宗平，蘇益聲，等．型鋼高強混凝土短肢剪力墻低周抗震性能試驗研究[J］．建筑結(jié)構(gòu)，2010，40(8):99－102

[5]鄭亮．型鋼混凝土短肢剪力墻抗震性能理論分析及試驗研究[D］．北京:北方工業(yè)大學，2008

[6]張譽．混凝土結(jié)構(gòu)基本原理[M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000

[7]孫濤．T形型鋼短肢剪力墻低周反復(fù)荷載試驗研究[D］．西安:西安建筑科技大學，2010

[8]李杰，周建營，周德源，等．L形和Z形寬肢異形柱低周反復(fù)荷載試驗研究[J］．建筑結(jié)構(gòu)學報，2002，23(1):9－15

[9]董宏英，曹萬林，胡國振．不同連梁跨高比帶暗支撐雙肢剪力墻抗震性能試驗研究[J］．地震工程與工程振動，2005，25(2):92－96

[10]黃選明，曹萬林，呂西林．不同型式暗支撐短肢剪力墻抗震性能試驗研究[J］．地震工程與工程振動，2005，25(6):60－66