傳統(tǒng)及局部設(shè)縫短肢剪力墻地震反應(yīng)分析

王竹林 張敏

(廣西科技大學(xué)土木工程學(xué)院，廣西 柳州 545006)

短肢剪力墻是我國(guó)近年來興起的抗側(cè)力構(gòu)件，相對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，短肢剪力墻避免了露梁露柱的缺點(diǎn)，在中國(guó)的民用建筑中應(yīng)用廣泛。如何提高該短肢剪力墻抗震性能是目前研究的熱點(diǎn)。很多學(xué)者的研究表明，T形、L形截面短肢剪力墻，當(dāng)截面翼緣處于受拉側(cè)時(shí)，墻體延性、耗能較差，這主要是因?yàn)閴w縱筋配置不對(duì)稱，截面翼緣一側(cè)的縱向受拉縱筋遠(yuǎn)多于截面腹板一側(cè)，因而本文在T形、L形截面短肢剪力墻的翼緣上沿墻體塑性鉸區(qū)設(shè)置豎縫［1］，將配置在翼緣上的一部分縱筋與翼緣上的其他縱筋分離，以解決短肢剪力墻截面翼緣處于受拉區(qū)時(shí)，墻體延性、耗能較差的缺點(diǎn)［2］，本文重點(diǎn)分析局部設(shè)縫短肢剪力墻在地震作用下的反應(yīng)和耗能。

1 結(jié)構(gòu)布置與配筋

結(jié)構(gòu)共10層，每層層高3 m，采用鋼筋混凝土短肢剪力墻，其中一榀結(jié)構(gòu)平面及連梁配筋如圖1所示，按照文獻(xiàn)［3－4］規(guī)定，假設(shè)該結(jié)構(gòu)位于抗震設(shè)防烈度為7°的地區(qū)，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1 g，地震分組為第一組，短肢剪力墻抗震等級(jí)為三級(jí)。樓面恒載為5 kNm2，樓面活載為 2 kNm2，考慮梁上隔墻自重荷載標(biāo)準(zhǔn)值為8.4 kNm。短肢剪力墻厚度為200 mm。連梁及主梁的截面尺寸為200 mm×600 mm。

圖1 一榀結(jié)構(gòu)平面及連梁配筋圖(單位:mm)

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，梁墻截面受力鋼筋采用HRB335，箍筋采用HPB300。在短肢剪力墻底部按文獻(xiàn)［1］中的結(jié)構(gòu)塑性鉸長(zhǎng)度計(jì)算公式設(shè)置豎縫，縫高1.8 m。設(shè)縫前后短肢剪力墻的配筋如圖2、表1和表2所示，設(shè)縫前后結(jié)構(gòu)在配筋總量上是一樣的。

圖2 短肢剪力墻邊緣構(gòu)件示意圖

表1 T形局部設(shè)縫和不設(shè)縫短肢墻的邊緣構(gòu)件配筋

表2 十字形短肢墻的邊緣構(gòu)件配筋

2 局部設(shè)縫前后地震作用分析

2.1 自振周期

采用PKPM軟件SATWE［5］進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，可求出短肢剪力墻局部設(shè)縫前后的自振周期，如表3所示?？梢娋植吭O(shè)縫的結(jié)構(gòu)自振周期小幅增長(zhǎng)，表明設(shè)縫后結(jié)構(gòu)剛度降低很小，可忽略不計(jì)。

表3 結(jié)構(gòu)自振周期 s

2.2 小震作用彈性分析

利用SATWE可以計(jì)算小震作用的地震反應(yīng)。圖3分別給出了在小震作用下的樓層側(cè)移、剪力、位移角曲線。

圖3 小震作用下的地震反應(yīng)

短肢剪力墻底部設(shè)縫后，各樓層位移、樓層剪力以及樓層位移角變化很小，結(jié)構(gòu)尚處于彈性狀態(tài)下，設(shè)縫對(duì)結(jié)構(gòu)在小震作用下的地震反應(yīng)的影響可忽略。

2.3 大震作用彈塑性時(shí)程分析

利用PKPM軟件中的EPDA＆PUSH模塊對(duì)局部設(shè)縫前后的短肢剪力墻進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析［6］，可得出大震作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)以及塑性鉸分布。分別采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類場(chǎng)地的廣州人工波(GUZ1)、Taft波(TAF)和ELCENTRO波(ELC)等地震波，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析，圖4給出了3種地震波作用下結(jié)構(gòu)的樓層最大側(cè)移曲線圖。

設(shè)縫前后2種結(jié)構(gòu)在上述3種地震波作用下地震最大側(cè)移曲線都非常接近，這說明結(jié)構(gòu)并不會(huì)因?yàn)榈讓泳植吭O(shè)縫而使結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)變大。在上述3種地震波中ELCENTRO波作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)移最大，取該波作用下結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移和底層剪力時(shí)程曲線進(jìn)行分析，如圖5(a)和圖5(b)所示，圖5(c)為出現(xiàn)最大頂點(diǎn)位移時(shí)刻樓層位移角曲線圖。

結(jié)構(gòu)設(shè)縫前后頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線在地震作用前期基本保持一致，出現(xiàn)最大位移的時(shí)間和大小都基本相同，后期二者在位移方向上有所變化，但在大小上仍保持一致，這是由于二者出現(xiàn)塑性鉸的順序和數(shù)量不同所導(dǎo)致的，塑性鉸的出現(xiàn)會(huì)改變結(jié)構(gòu)本身的剛度和周期，影響地震反應(yīng)。

設(shè)縫前后結(jié)構(gòu)的底層剪力時(shí)程曲線變化基本一致，最大剪力出現(xiàn)在第2.2 s左右，大小基本相同。

圖4 樓層最大側(cè)移曲線

圖5 ELCENTRO波作用下地震反應(yīng)圖

結(jié)構(gòu)發(fā)生最大位移時(shí)刻，設(shè)縫后結(jié)構(gòu)的底層層間位移角比不設(shè)縫結(jié)構(gòu)底層層間位移角要大，這是因?yàn)榈讓佣讨袅植吭O(shè)縫后剛度變小，由于二者所受的底層剪力大小相近，所以設(shè)縫結(jié)構(gòu)的底層層間位移角會(huì)有所增加。盡管設(shè)縫后結(jié)構(gòu)底層的層間位移角增加了，但是與整個(gè)結(jié)構(gòu)的最大層間位移角相比底層層間位移角仍較小，同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)［2］中的結(jié)論，設(shè)縫短肢剪力墻延性性能要高于普通短肢剪力墻，抵抗反復(fù)荷載作用的能力更強(qiáng)，其允許層間位移角也應(yīng)高于普通短肢剪力墻，所以設(shè)縫結(jié)構(gòu)底層層間位移角增加對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不大。同時(shí)結(jié)構(gòu)中間樓層的層間位移角減小了，尤其是最大層間位移角減小了，而且設(shè)縫后各樓樓層的層間位移角分布更加均勻，結(jié)構(gòu)被破壞大多是由于最大層間位移角超限造成的，減小最大層間位移角對(duì)結(jié)構(gòu)抗震是有利的［7］。

2.4 塑性鉸分布圖

取3種地震波作用下地震反應(yīng)較大的ELCENTRO波來對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析［8］，結(jié)果表明，在相同地震條件下，未設(shè)縫結(jié)構(gòu)首先在4—6層連梁兩端出現(xiàn)塑性鉸，隨著地震作用的進(jìn)一步加大，各層連梁兩端陸續(xù)出現(xiàn)塑性鉸，底部剪力墻開裂，最后結(jié)構(gòu)達(dá)到最大位移。而設(shè)縫結(jié)構(gòu)首先在3—6層連梁兩端以及第7層十字剪力墻連梁處出現(xiàn)塑性鉸，進(jìn)而逐步達(dá)到最大位移。二者的破壞形態(tài)相似，但出現(xiàn)塑性鉸的順序和數(shù)量有所不同，設(shè)縫結(jié)構(gòu)中一開始塑性鉸出現(xiàn)得較多，這是由于設(shè)縫后改變了結(jié)構(gòu)的樓層位移角分布，降低了結(jié)構(gòu)的最大層間位移角，使結(jié)構(gòu)不易出現(xiàn)某個(gè)單獨(dú)的薄弱層，樓層位移角分布更加均勻使結(jié)構(gòu)的變形更加合理，增加了相鄰樓層的相互作用，對(duì)抗震有利。

圖6給出了結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)達(dá)到最大位移時(shí)刻的塑性鉸分布圖，其中圓形表示達(dá)到最大位移時(shí)刻出現(xiàn)的塑性鉸，方形代表在地震反應(yīng)過程中曾經(jīng)出現(xiàn)過的塑性鉸。設(shè)縫以后結(jié)構(gòu)在地震反應(yīng)過程中出現(xiàn)的塑性鉸個(gè)數(shù)明顯增多，而塑性鉸是結(jié)構(gòu)非常重要的耗能部位，塑性鉸數(shù)量增多可以使結(jié)構(gòu)在地震反應(yīng)中更多地消耗地震能量，保證結(jié)構(gòu)的安全。同時(shí)從圖中也可以看出塑性鉸分布的改變與圖5(c)中樓層層間位移角的分布變化情況是相符的。

圖6 設(shè)縫前后結(jié)構(gòu)塑性鉸分布圖

3 結(jié)論

在小震作用下，設(shè)縫前后結(jié)構(gòu)都還處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的位移及剪力變化都不大，表明在小震作用下設(shè)縫對(duì)于結(jié)構(gòu)本身的影響不大。在大震作用下，設(shè)縫前后結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)整體與小震的變化情況相似，但設(shè)縫使結(jié)構(gòu)的層間位移角分布更加均勻合理，設(shè)縫后結(jié)構(gòu)塑性鉸增多，改變了結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，這些對(duì)結(jié)構(gòu)抗震、增加安全性都是有利的。

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