鋼筋混凝土異型剪力墻高層結(jié)構(gòu)抗震性能試驗及理論分析研究

劉建新,沈 杰,朱美春

(上海師范大學(xué) 建筑工程學(xué)院,上海 201418)

0 引 言

隨著大型城市的發(fā)展,越來越多的高層(或超高層)建筑結(jié)構(gòu)被建造,成為現(xiàn)代國際化都市建設(shè)的一個重要標(biāo)志之一.傳統(tǒng)的高層鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)[1]整體抗震性能較好、過去被廣泛的使用在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計和建造中;然而,國內(nèi)外大量的科學(xué)研究和工程實踐表明:傳統(tǒng)的高層鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)雖然具有良好的整體抗震性能,但剪力墻間距小、使用空間受限,不易形成大的使用空間,極大地限制了它的廣泛應(yīng)用.本文作者在國內(nèi)1995年首先提出一種新型異型剪力墻結(jié)構(gòu)[2]的概念,即異型剪力墻建筑結(jié)構(gòu),并對其抗震設(shè)計進行了初步的探討[2],表明它能夠克服傳統(tǒng)剪力墻結(jié)構(gòu)(如雙肢剪力墻結(jié)構(gòu))自重大、剪重比大、剪力墻間距小、使用空間小、平面布置不靈活等缺點,同時具有很強的整體抗震能力.這種新型結(jié)構(gòu)的組成為每片剪力墻隔層錯跨布置,并且相鄰兩片剪力墻互相錯開布置.根據(jù)使用要求可相鄰錯層或不錯層布置各片剪力墻,這樣使同一層房間的開間由原1個開間寬增大為2個開間寬或3個開間寬甚至更大;同時這種隔層錯跨的布墻方案可有效增大抗側(cè)剛度、整體耗能能力,受力變形均勻,減小自重、減小地震作用、節(jié)能節(jié)材.

國外學(xué)者在錯列剪力墻方面提出了一些概念并作了一些純理論的結(jié)構(gòu)分析研究[1,3],指出錯列剪力墻可以有較好的經(jīng)濟性,相對傳統(tǒng)剪力墻(如雙肢剪力墻結(jié)構(gòu))而言,節(jié)省了混凝土材料,抗側(cè)剛度和承載力降低不多,技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)較好,但底層局部構(gòu)件(柱)等內(nèi)力極大,配筋設(shè)計困難,且剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震延性降低明顯,受力后階段側(cè)移發(fā)展較大,水平承載力降低很快;要克服這些缺點,還需要理論、試驗及工程實踐的研究.

在過去的十幾年中,本文作者[2,4-6]首先對異型剪力墻結(jié)構(gòu)——隔層錯跨剪力墻結(jié)構(gòu)分析了這種結(jié)構(gòu)體系的工作機理、對其進行了二維橫、縱向多方面的結(jié)構(gòu)分析、研究了其抗震設(shè)計、構(gòu)造措施、設(shè)計方案,提出了一些設(shè)計建議和構(gòu)造措施;有專家對錯列剪力墻結(jié)構(gòu)的相關(guān)體系進行了理論和試驗研究;在前人的研究基礎(chǔ)上,文獻[7-8]對錯列剪力墻結(jié)構(gòu)作了相關(guān)的理論和試驗研究,對隔層錯跨剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震受力變形也作了相關(guān)的理論分析,推動了隔層錯跨剪力墻結(jié)構(gòu)這種新型結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用研究水平[2,4-5];文獻[7-8]引用了本文作者提出的新型隔層錯跨剪力墻結(jié)構(gòu)概念和有關(guān)研究結(jié)果,并在研究證實該新型剪力墻結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的結(jié)構(gòu)和建筑大空間功能的基礎(chǔ)上,又對該新型剪力墻結(jié)構(gòu)了進行抗震性能的比較研究和彈塑性地震反應(yīng)分析,推動了研究的進展.

但是，以上所有的理論與試驗研究都是針對于單榀二維平面錯列剪力墻體系而言的，缺乏對隔層錯跨剪力墻體系具體的試驗研究及與理論的對比研究和驗證.本文作者對隔層錯跨剪力墻體系作了具體的試驗，同時在建立異型錯跨剪力墻模型及考慮混凝土結(jié)構(gòu)非線性性能的基礎(chǔ)上，對其進行了非線性有限元理論分析，并與試驗結(jié)果進行了比較研究，其理論分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好.

如上所述，結(jié)合本試驗與理論分析研究的成果、對這種異形剪力墻承載力、剛度及變形能力、延性等抗震性能指標(biāo)及其變形和破壞機制已有的一些理論分析和數(shù)值抗震非線性研究[2,9]以及多個學(xué)者的研究結(jié)果[2-3,10-12]，表明：異型剪力墻建筑結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)剪力墻結(jié)構(gòu)相比，具有建筑使用空間大、水平荷載承載力強、整體抗側(cè)剛度大、抗震承載力大、延性保持良好、自重小、所受地震力小，節(jié)約材料、降低成本等優(yōu)點.值得一提的是，本研究制作了異型剪力墻結(jié)構(gòu)模型(圖1模型制作圖，圖2模型試驗)，用美國MTS電液伺服系統(tǒng)對模型進行了低周反復(fù)加載抗震試驗. 下面的章節(jié)為試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計、低周反復(fù)加載抗震試驗及試驗與理論對比分析全過程.由于這種新型異形剪力墻結(jié)構(gòu)所進行的低周反復(fù)加載抗震試驗過程困難程度較高，目前國內(nèi)外還很少見報導(dǎo).

圖1 模型制作圖

圖2 模型試驗加載

1 異型剪力墻結(jié)構(gòu)低周反復(fù)加載抗震試驗

1.1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

為了研究鋼筋混凝土異型剪力墻結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)、滯回曲線、耗能能力、位移延性等抗震性能,按1∶6制作了試驗?zāi)Ｐ?圖1)進行試驗.試驗研究表明:只要節(jié)點構(gòu)造措施恰當(dāng),異型剪力墻結(jié)構(gòu)能具有較好抗震能力和延性,能滿足工程抗震的要求.

在設(shè)計模型試件時考慮以下幾個方面的因素:

按實際結(jié)構(gòu)1∶6縮比進行模型設(shè)計,考慮按7度抗震設(shè)防要求計算配置梁、柱、墻的受力鋼筋和構(gòu)造鋼筋,在梁柱墻節(jié)點及底層柱的柱截面處特別加強箍筋的配置(按抗震設(shè)防8度配置),剪力墻板雙面雙向構(gòu)造筋.

試件的制作過程:先根據(jù)設(shè)計的施工圖進行鋼筋下料,然后在鋼筋上的相應(yīng)位置貼應(yīng)變片,應(yīng)變片貼好后進行鋼筋綁扎和模板的制作,最后進行混凝土澆筑和養(yǎng)護.在上海師范大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗室用MTS電液伺服系統(tǒng)對模型進行了低周反復(fù)加載抗震試驗;加載裝置、加載方式及試驗現(xiàn)場見圖2.

1.2 試驗加載過程

本試驗采用的加載程序為:首先對試件施加50%的豎向荷載,反復(fù)2次后加至100%豎向荷載設(shè)計值,并在整個加載過程中維持不變,每個柱子的軸向力N=50 kN(首先兩次施加25 kN的豎向荷載,而后加至50 kN的豎向荷載).

然后,在水平方向施加低周反復(fù)荷載.水平荷載采用分級加載制度:在梁或柱中的主筋屈服前,加載采用荷載控制,并分級加載,直到試件屈服.在結(jié)構(gòu)梁或柱中的主筋屈服后,加載改為位移控制,即以頂部橫梁中心線水平屈服位移的整數(shù)倍控制加載,每級加載循環(huán)3次,直至試件破壞時為止.按位移控制加載時,應(yīng)使骨架曲線出現(xiàn)下降段,至少應(yīng)加載到荷載下降為極限荷載的85%時,方可停止試驗.

圖3 頂點位移和荷載的試驗與理論對比曲線

試件的整個試驗過程都在上海師范大學(xué)建筑工學(xué)院結(jié)構(gòu)大廳進行.水平試驗加載拉壓至±185 kN以前,鋼筋混凝土模型上沒有出現(xiàn)裂縫,模型的力和水平位移成線性關(guān)系,當(dāng)水平試驗加載大于185 kN,繼續(xù)增大時,一層混凝土柱底部首先出現(xiàn)裂縫,然后,一層剪力墻出現(xiàn)裂縫,然后,二層柱出現(xiàn)裂縫,整個結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)第一個屈服臺階;當(dāng)水平試驗加載大于247 kN,整個結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)第二個屈服臺階;當(dāng)荷載繼續(xù)增大到487 kN時,結(jié)構(gòu)水平承載力達到最大極限荷載.然后,位移增加,荷載下降至401 kN,試驗停止.結(jié)構(gòu)頂點水平荷載與位移的關(guān)系曲線如圖3所示.頂點位移和荷載的試驗與理論對比曲線見圖3.

2 試驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果比較分析及結(jié)論

圖4 異型剪力墻結(jié)構(gòu)數(shù)值模型

為全面地研究這種新型異型剪力墻建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力、開裂及抗震延性等,用ANSYS對其進行了非線性水平荷載理論數(shù)值分析(圖4).

結(jié)構(gòu)頂點水平荷載與位移的理論關(guān)系曲線如圖3帶點線所示.通過比較可以看出,理論曲線與試驗曲線比較接近,尤其是在荷載接近400 kN以前,二者都很接近;在400 kN以后試驗荷載值大于理論承載力.從試驗和理論上都說明該新型異型剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震能力、延性都在合理的范圍內(nèi).

結(jié)合文獻[1,3]多方面研究成果,表明本研究提出的異型剪力墻建筑結(jié)構(gòu)確實是一種建筑使用空間大、抗震承載力強、整體抗側(cè)剛度大、延性保持良好、自重小、所受地震力小,節(jié)約節(jié)能的、具有結(jié)構(gòu)、建筑雙重優(yōu)點的新型剪力墻結(jié)構(gòu),只要節(jié)點構(gòu)造措施恰當(dāng),它能具有較好抗震能力和延性,能滿足實際建筑工程抗震的要求,投入應(yīng)用.

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