開洞大小對短肢剪力墻抗震性能影響的試驗研究

賀晶方，蔣隆敏，劉　星

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

開洞大小對短肢剪力墻抗震性能影響的試驗研究

賀晶方，蔣隆敏，劉星

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

通過對1個未開洞的短肢剪力墻和2個開洞直徑分別為120， 160 mm的短肢剪力墻的低周反復(fù)荷載試驗，研究洞口大小對短肢剪力墻抗震性能的影響。試驗結(jié)果表明：隨著洞口尺寸的增大，試件的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載有所下降，但延性提高，滯回環(huán)更加飽滿，耗能能力增強(qiáng)，試件越來越接近框架特性；試件的破壞形式均為彎曲破壞，破壞時，腹板端縱筋屈服，翼緣端縱筋偶有屈服，腹板端、翼緣端箍筋均未屈服，腹板端混凝土壓碎。

短肢剪力墻；開洞；低周反復(fù)荷載試驗；抗震性能

0　引言

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是一種較新型的高層住宅結(jié)構(gòu)體系，于20世紀(jì)90年代由榮柏生院士首次提出［1］。該體系具有結(jié)構(gòu)布置靈活、抗側(cè)剛度大、自重小、工程造價低等優(yōu)點。通過十多年的工程實踐，目前已得到十分廣泛的應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外對短肢剪力墻性能的研究主要集中于軸壓比、截面形狀、加設(shè)暗支撐、不同連梁形式、孔洞位置等對短肢剪力墻性能的影響上［2-9］。目前，尚沒有關(guān)于洞口大小對短肢剪力墻抗震性能影響的研究。根據(jù)我國相關(guān)規(guī)范，短肢剪力墻是不允許在墻肢上開設(shè)孔洞的。但在實際使用過程中，因安裝管線、開窗等原因，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)經(jīng)常需要開設(shè)洞口，而洞口對短肢剪力墻的承載力、延性、抗側(cè)剛度、破壞形態(tài)等均有影響。因此，就開洞對短肢剪力墻抗震性能的影響進(jìn)行試驗研究具有一定的現(xiàn)實意義。為此，本文通過低周反復(fù)荷載試驗，研究洞口大小對短肢剪力墻抗震性能的影響。

1　試驗概況

1.1試件設(shè)計

影響短肢剪力墻性能的主要因素包括混凝土的強(qiáng)度等級、鋼筋的配筋率、截面形式、軸壓比、洞口大小等。本文主要考慮洞口大小對短肢剪力墻抗震性能的影響，因此試件的截面形狀、混凝土強(qiáng)度等級、鋼筋布置等其它參數(shù)均相同。試件共3個，縮尺比例為1:2。短肢剪力墻試件、腹板及翼緣高度分別為1 400， 700， 300 mm，截面厚度均為100 mm，其中有一個試件腹板不開設(shè)洞口，另外2個試件腹板開設(shè)洞口，洞口直徑分別為120， 160 mm，洞口中心均在同一位置。為了有效模擬樓板對墻體的約束作用，方便在試驗中對試件施加荷載和將試件錨固在地面上，在剪力墻試件頂部與底部分別設(shè)計一個矩形加載梁和基礎(chǔ)梁。3個試件都采用細(xì)石混凝土澆筑，設(shè)計強(qiáng)度等級為C20，所采用縱筋和箍筋均為4鋼筋。為保證澆筑質(zhì)量，澆筑試件時采用機(jī)械振搗與人工振搗相結(jié)合的方式。鋼筋與混凝土材料性能指標(biāo)分別如表1和表2所示。

3個試件編號分別為LKD000， LKD120， LKD160，試件編號含義以LKD120為例：LK表示試件為開設(shè)洞口的L形截面短肢剪力墻，剪力墻洞口直徑為120 mm。L形短肢剪力墻試件如圖1所示，L形試件的配筋如圖2所示。

表1　鋼筋性能指標(biāo)Table 1　Properties of steel

表2　混凝土性能指標(biāo)Table 2　Properties of concrete

圖1　L形短肢剪力墻試件Fig. 1　The L-shaped short-pier shear wall specimen

圖2　L形短肢剪力墻試件配筋圖Fig. 2　Reinforcements arrangement of L-shaped specimen

1.2試驗方法與試驗過程

研究試件的抗震性能主要有3種試驗方法：擬靜力試驗、擬動力試驗、振動臺試驗。3種方法中，振動臺試驗?zāi)軌蜉^真實地模擬結(jié)構(gòu)所受到的地震作用，結(jié)構(gòu)的受力性能、破壞形態(tài)較接近實際情況；但其試驗過程較短，難以詳細(xì)記錄試驗數(shù)據(jù)、觀察裂縫的發(fā)展形態(tài)。對于擬動力試驗，同樣存在此類問題。故本次試驗采用擬靜力試驗法來研究開洞短肢剪力墻的抗震性能。

試驗加載裝置如圖3所示。正式試驗前，先施加10 kN的水平荷載，檢查試驗裝置、數(shù)據(jù)采集儀器等試驗設(shè)備是否正常工作，然后卸掉荷載，準(zhǔn)備正式加載。

對試件施加220 kN豎向荷載，其大小在試驗過程中保持不變，加載位置在截面形心。水平方向施加低周反復(fù)荷載：腹板邊緣縱筋屈服前采用荷載控制，以10 kN為增量，每級荷載進(jìn)行1個循環(huán)；腹板邊緣縱筋屈服后采用位移控制，以屈服時的水平位移進(jìn)行控制，每級荷載進(jìn)行3個循環(huán)。直至試件承載力下降至最大承載力的85%，即認(rèn)為試件破壞。

試驗過程中以水平加載器對腹板施加推力為正向加載，以水平加載器對翼緣施加推力為反向加載。

圖3　試驗加載設(shè)備示意圖Fig. 3　Schematic of experiment loading set-up

2　試件破壞特征與試驗結(jié)果分析

2.1試驗現(xiàn)象與破壞特征

開洞短肢剪力墻在低周反復(fù)荷載作用下，從開始受力到最終破壞可分為開裂階段、屈服階段與破壞階段。各試件破壞分析如下。

1）試件LKD000

當(dāng)正向加載至20 kN時，腹板底部出現(xiàn)水平裂縫；反向加載至25 kN時，距翼緣底部85 mm處出現(xiàn)水平裂縫；當(dāng)正向加載至31 kN時，在距腹板底部180 mm處出現(xiàn)一條水平裂縫；正向加載至41 kN時，腹板端部縱筋屈服。屈服后，水平方向由荷載控制改為位移控制。此后，在反復(fù)循環(huán)荷載中，腹板及翼緣部分水平裂縫繼續(xù)延伸、變寬，腹板中下部出現(xiàn)多條斜向裂縫。反向加載至51 kN時，腹板與翼緣交界面處的斜裂縫延伸發(fā)展至和腹板端部出現(xiàn)的斜裂縫相交；正向荷載繼續(xù)增加，腹板端部的混凝土有少量剝落；正向加載至88 kN時，腹板邊緣大量混凝土被壓碎、剝落，試件承載力下降到最大承載力的85%以下，試驗結(jié)束。

試驗結(jié)束時，腹板處縱筋屈服，混凝土壓碎，翼緣處縱筋未能屈服，以水平裂縫為主，腹板及翼緣處箍筋均未屈服，試件LKD000破壞形式為彎曲破壞。最終破壞形態(tài)如圖4所示。

2）試件LKD120

開洞試件LKD120與LKD160的破壞情況類似，僅以LKD120為例敘述破壞過程。

當(dāng)正向加載至17 kN時，腹板底部出現(xiàn)長度較短的水平裂縫；反向加載至25 kN時，距翼緣底部75 mm處出現(xiàn)水平裂縫；正向加載至49 kN時，腹板端部縱筋屈服，水平方向由荷載控制改為位移控制。之后腹板中下部裂縫進(jìn)入快速發(fā)展階段，腹板處水平裂縫延伸形成斜裂縫，并向翼緣與腹板交界面處發(fā)展。正向加載至57 kN時，洞口斜向上45°出現(xiàn)一條細(xì)小裂縫；正向荷載繼續(xù)增加，腹板端部的混凝土有少量剝落；正向加載至84 kN時，腹板邊緣大量混凝土被壓碎、剝落，試件承載力急劇下降至峰值承載力的85%以下，試件發(fā)出“啪啪”響聲，試驗結(jié)束。

試驗結(jié)束時，腹板縱筋屈服，混凝土剝落，翼緣處縱筋未屈服，試件箍筋未屈服，試件LKD120的破壞形式為彎曲破壞。最終破壞形態(tài)如圖5所示。

圖4　LKD000最終破壞形態(tài)Fig. 4　Failure mode of LKD000

圖5　LKD120最終破壞形態(tài)Fig. 5　Failure mode of LKD120

2.2主要試驗結(jié)果與分析

2.2.1滯回曲線

根據(jù)試驗所測數(shù)據(jù)，各試件在整個加載過程中的滯回曲線如圖6所示，圖中F為水平荷載，D為墻頂水平位移。從圖6可以看出，各試件滯回曲線不飽滿，呈現(xiàn)反S形，表明試件的耗能能力較差。這與試件制備時受條件所限，使用的混凝土強(qiáng)度等級較低、鋼筋直徑較小等因素有關(guān)，但仍可由滯回曲線分析各試件的性能。

1）相較于沒有開設(shè)洞口試件的滯回環(huán)，開設(shè)洞口試件的滯回環(huán)較飽滿，耗能能力有所提升。這是因為未開洞短肢剪力墻的能量主要耗散在墻體裂縫的發(fā)展上，而開洞短肢剪力墻的能量主要耗散在墻體裂縫發(fā)展和屈服變形上，其所耗散能量更多。開洞短肢剪力墻的后期耗能能力要好于未開洞短肢剪力墻。

2）腹板洞口的存在及尺寸的增加降低了短肢剪力墻的初始抗側(cè)剛度。剪力墻試件在達(dá)到屈服荷載前，在相同的水平荷載作用下，有洞口短肢剪力墻試件的側(cè)向位移大于沒有開設(shè)洞口的短肢剪力墻。

3）3個試件的滯回曲線基本對稱，但相較反向加載時的滯回環(huán)，正向加載時的滯回環(huán)稍大。這是由于在反復(fù)荷載作用下，雖然試件在正反兩個方向上的初始剛度相同，但翼緣的剛度退化程度比腹板的剛度退化程度大，翼緣位于受拉區(qū)時的承載力高于腹板受拉時的承載力。

圖6　3個試件的滯回曲線Fig. 6　Hysteretic curves of three specimens

2.2.2承載力與延性

為了便于分析，統(tǒng)一認(rèn)定試件腹板端部縱筋屈服即為剪力墻試件屈服，試件腹板端發(fā)生破壞即為剪力墻試件破壞，試件的屈服荷載、屈服位移、極限荷載、極限位移均以試件發(fā)生屈服、破壞時所測的結(jié)果為準(zhǔn)。根據(jù)試件在屈服階段、破壞階段所測的屈服位移、極限位移，計算求得剪力墻試件的延性指標(biāo) ，=極限位移/屈服位移。表3為試驗的主要數(shù)據(jù)。

表3　試驗主要數(shù)據(jù)Table 3　The experimental results

由表3可以看出，在其他因素不變的情況下，洞口尺寸大小對短肢剪力墻的承載力和延性均有影響：當(dāng)試件孔洞率從0增加到1.15%，試件的屈服荷載、極限荷載略有下降，屈服荷載下降幅度為3.00%，極限荷載下降幅度為4.29%，極限荷載下降幅度比屈服荷載下降幅度大，而試件的延性有所增加，提高幅度為8.03%左右；隨著試件孔洞率由0增加到2.05%，試件的屈服荷載、極限荷載下降幅度相較孔洞率為1.15%時大，其中，屈服荷載下降幅度為5.49%，極限荷載下降幅度為7.62%，而試件的延性提高幅度為8.39%。

表3的數(shù)據(jù)表明，在混凝土強(qiáng)度、配筋率等其他因素不變的情況下，隨著試件洞口尺寸的增大，試件的承載力下降，延性提高；無洞口試件的承載力最大，而其延性最小，試件更加接近框架結(jié)構(gòu)的特征。

2.2.3剛度退化

剛度是結(jié)構(gòu)位移計算、地震力分配、能量分析中的一個重要參數(shù)。在整個試驗過程中，由于混凝土的開裂和鋼筋在屈服階段時的非彈性性能等原因，導(dǎo)致剛度出現(xiàn)退化的現(xiàn)象。3個試件的剛度退化曲線如圖7所示，圖中f為試件水平位移，K為試件所受荷載與對應(yīng)位移之比。

圖7　試件剛度退化曲線Fig. 7　Stiffness degradation curves of specimens

由圖7可知：1）腹板開設(shè)洞口使得試件初始剛度降低，洞口尺寸越大，初始剛度下降越多；在試件屈服前，洞口尺寸越大，試件剛度退化速率越快，但在試件屈服后，洞口尺寸越大，試件剛度退化速率越緩慢。2）試件屈服前，正向加載時的剛度退化快于反向加載時的剛度退化；屈服后，反向加載時的剛度退化快于正向加載時的剛度退化。這是由于正向加載時腹板端部受拉混凝土面積小于反向加載時翼緣處受拉混凝土面積，而在試件屈服后，腹板端部受壓混凝土面積小于翼緣受壓混凝土面積。

3　結(jié)論

通過對不開洞和開洞大小不同的短肢剪力墻的低周反復(fù)荷載試驗研究，可以得出以下結(jié)論。

1）開洞短肢剪力墻隨著洞口尺寸的增大，試件的開裂荷載、屈服荷載、極限承載力等有所下降，延性提高，滯回環(huán)更加飽滿，耗能能力增強(qiáng)，試件特性越來越接近框架。沒有開設(shè)洞口的短肢剪力墻，其初始剛度與極限承載力在3個試件中最大。隨著洞口尺寸的增加，試件初始剛度與極限承載力降低。

2）由于洞口是圓形洞口，導(dǎo)致其洞口周邊應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，洞口周邊僅有少許較短裂縫，試件的裂縫主要出現(xiàn)在腹板中下部與翼緣處。在縱筋屈服前，裂縫以水平裂縫為主；縱筋屈服后，斜裂縫開始出現(xiàn)。

3）短肢剪力墻試件的破壞形式均為彎曲破壞：破壞時，腹板端縱筋屈服，翼緣端縱筋偶有屈服，腹板端、翼緣端箍筋均未屈服，腹板端混凝土壓碎。

4）開設(shè)洞口試件的裂縫均主要集中出現(xiàn)在腹板端部與洞口周邊，而翼緣處裂縫較少。可以對腹板端部及洞口周邊采用HPFL加固措施，以提升試件剛度，增強(qiáng)試件的使用性能。

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（責(zé)任編輯：鄧光輝）

Experimental Study on the Effect of Opening Size on the Seismic Performance of Short-Pier Shear Wall

HE Jingfang，JIANG Longmin，LIU Xing
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Based on a low-cyclic loading experiments on three specimens of short-pier shear wall， one without opening and the other two with openings of 120 and 160 mm， analyzed the effects of the size of opening on the seismic performance of short-pier shear wall. The result indicates that the cracking load， yield load and ultimate load of specimens decrease with the opening size increasing， and its ductility improves， the hysteresis loop is fuller and the energy dissipation capacity enforces. In addition， as the size of opening increases， the specimens is more close to the frame characteristics， and the failure modes of the specimens are flexural failure. When the specimen fails， the web longitudinal reinforcement yields，the flange end longitudinal reinforcement sometimes yields ， the web and flange end hoops do not yield， and the web concrete crushes.

short-pier shear wall；opening；low-cyclic loading test；seismic performance

TU375.2

A

1673-9833（2016）02-0008-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.02.002

2016-01-12

湖南省教育廳科學(xué)研究基金資助重點項目（10A024）

賀晶方（1988-），男，河北邯鄲人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向為新型材料及其在結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用，E-mail：hejingfangwx@163.com