鋼管混凝土組合剪力墻軸心受壓性能影響因素探討

蔣標(biāo)

1 引言

剪力墻是一種在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用的建筑結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件和抗側(cè)力構(gòu)件。與框架柱相比，剪力墻能夠承擔(dān)較大水平力的作用，具有更強(qiáng)的抗側(cè)移剛度，能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)在水平力作用下所產(chǎn)生側(cè)向的位移控制于一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)，還具有一定的延性性能，抗震性能良好，更好地滿(mǎn)足了高層建筑的發(fā)展需要，因而成為高層建筑的主要抗側(cè)力構(gòu)件。然而，隨著高層建筑的快速發(fā)展，建筑高度越來(lái)越高，功能越來(lái)越多樣，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自重和所受外荷載不斷增加，對(duì)作為主要抗側(cè)力構(gòu)件的剪力墻提出了更高的要求，不但要求剪力墻具有更強(qiáng)的水平承載力和抗側(cè)移剛度，也要求其具有更強(qiáng)的軸向承載力和軸向剛度，尤其是筒體結(jié)構(gòu)，其翼緣墻可能整截面受壓，對(duì)剪力墻的軸心受壓性能要求較高。

目前，國(guó)內(nèi)外已提出了多種改善剪力墻性能的方法，但這些方法大多致力于提高剪力墻的抗側(cè)性能，較少關(guān)注其軸向受壓性能的提升。而如果直接采用高強(qiáng)混凝土剪力墻，由于高強(qiáng)混凝土的脆性，又會(huì)大大降低剪力墻的延性，不利于結(jié)構(gòu)抗震。基于此，本文提到的鋼管混凝土組合剪力墻，其利用鋼管對(duì)混凝土的約束，有效避免了高強(qiáng)混凝土的脆性，又能充分利用其高承載力，使得剪力墻具有良好的軸向性能，抗側(cè)力性能相較于一般剪力墻也有所加強(qiáng)，較好地滿(mǎn)足了高層建筑，尤其筒體結(jié)構(gòu)的需求。

2 鋼-混凝土組合剪力墻研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)鋼-混凝土組合剪力墻研究現(xiàn)狀

中國(guó)對(duì)鋼-混凝土組合剪力墻研究開(kāi)展得比較晚，一直到2000年后，因?yàn)閷?shí)際工程建設(shè)的需要，才逐漸加強(qiáng)了在這方面的研究投入，并陸續(xù)取得了相當(dāng)多的研究成果。在此，僅對(duì)鋼-混凝土組合剪力墻的研究情況作一簡(jiǎn)要介紹。

西安建筑科技大學(xué)的楊紅樓與梁興文教授等人研究了一種在端部邊緣構(gòu)件內(nèi)配置型鋼的高強(qiáng)混凝土剪力墻。他們通過(guò)對(duì)若干型鋼高強(qiáng)混凝土剪力墻構(gòu)件進(jìn)行的低周反復(fù)水平加載實(shí)驗(yàn)，得出一些有益結(jié)論：型鋼高強(qiáng)混凝土剪力墻的水平承載能力比一般高強(qiáng)混凝土剪力墻要高，其延性性能則超出普通高強(qiáng)混凝土剪力墻很多。型鋼高強(qiáng)混凝土剪力墻的變形能力會(huì)受到配箍率、剪跨比以及軸壓比的影響，如果適當(dāng)?shù)脑龃筮吘墭?gòu)件的配箍特征值，控制墻體的軸壓比，可以進(jìn)一步提升剪力墻抵抗水平荷載的延性性能。

除此之外，來(lái)自同濟(jì)大學(xué)的呂西林與董宇光等人則提出了一種在剪力墻截面中部均勻配置型鋼的型鋼混凝土剪力墻，并對(duì)其進(jìn)行了重點(diǎn)研究。他們?cè)O(shè)計(jì)了一批該種型鋼混凝土剪力墻試件，并對(duì)其進(jìn)行了低周反復(fù)水平加載試驗(yàn)，結(jié)果顯示：在剪力墻截面中部配置型鋼之后，剪力墻的抗震性能會(huì)有顯著的提升；中部所配型鋼含鋼率愈大，其延性性能愈好。

2.2 國(guó)外鋼-混凝土剪力墻研究現(xiàn)狀

國(guó)外的工程界對(duì)于鋼-混凝土組合剪力墻進(jìn)行的研究則與國(guó)內(nèi)不同，其主要是側(cè)重于不同墻板之間組合形成剪力墻，通過(guò)不同的組合形式，將鋼板與混凝土墻板組合為一體，形成共同受力的組合剪力墻墻板。

Link采用有限元方法，對(duì)內(nèi)夾混凝土的雙層鋼板組合剪力墻墻板進(jìn)行了非線(xiàn)性分析，研究其在豎向荷載與低周反復(fù)水平荷載共同作用下的極限承載能力及后期承載能力。分析結(jié)果顯示，雙層鋼板內(nèi)夾混凝土組合剪力墻在達(dá)到其極限承載能力后，仍然能夠持續(xù)保持著相對(duì)穩(wěn)定地后期承載力，直到其出現(xiàn)非常大的外觀變形后才會(huì)完全失去承載力。這表明雙層鋼板內(nèi)夾混凝土組合剪力墻有著非常良好的延性性能。

圖1 雙層鋼板內(nèi)夾混凝土組合剪力墻

Astaneh-Asl則對(duì)鋼板外包混凝土組合剪力墻進(jìn)行了重點(diǎn)研究，并完成了一系列相關(guān)的試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：鋼板外包混凝土組合剪力墻受到反復(fù)水平荷載作用時(shí)，能夠大量耗散其能量，抗震性能良好，是一種非常適用于地震地區(qū)的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件。但是，因?yàn)殇摪逋獍炷两M合剪力墻的抗側(cè)剛度非常大，在遭受反復(fù)水平荷載作用時(shí)會(huì)聚集較大能量，導(dǎo)致即使發(fā)生的相對(duì)橫向側(cè)移非常小，也會(huì)使組合剪力墻墻板和相連外部構(gòu)件在連接處裂開(kāi)。為解決這一問(wèn)題，Astaneh-Asl提出了一種改進(jìn)型鋼板外包混凝土組合剪力墻，通過(guò)在組合剪力墻墻板和相連外部構(gòu)件之間設(shè)置縫隙，并在縫隙中填充泡沫聚苯乙烯。對(duì)改進(jìn)后的鋼板外包混凝土組合剪力墻試驗(yàn)，結(jié)果顯示其抗裂效果有了顯著改善。

3 鋼管混凝土組合剪力墻軸心受壓性能影響因素探析

3.1 鋼管外的混凝土強(qiáng)度

鋼管混凝土組合剪力墻作為一種新型的組合構(gòu)件，由其構(gòu)成方式可以知道，鋼管外的鋼筋混凝土截面面積通常是占據(jù)剪力墻總截面面積的50%還要多。顯然，這一部分混凝土有著重要作用，仍然是剪力墻總的軸心受壓承載能力重要的組成部分，其性能直接影響著剪力墻的軸心受壓性能。

3.2 鋼管內(nèi)的混凝土強(qiáng)度

鋼管混凝土組合剪力墻在截面中均勻配置鋼管的目的，就是為了利用鋼管的約束作用來(lái)消除高強(qiáng)混凝土的脆性。有了鋼管的存在，我們就能在鋼管的內(nèi)部使用各類(lèi)強(qiáng)度等級(jí)不一樣高強(qiáng)的混凝土甚至超高強(qiáng)的混凝土，在極大地提升剪力墻軸心受壓承載能力的同時(shí)，還能保證剪力墻具有足夠的延性。很明顯，在鋼管內(nèi)配置不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，會(huì)對(duì)鋼管混凝土組合剪力墻的軸心受壓性能產(chǎn)生重大的影響，管內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，剪力墻軸心受壓承載能力越強(qiáng)，如圖2。

圖2 鋼管內(nèi)部混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同時(shí)的試件的荷載-位移曲線(xiàn)

3.3 截面鋼管的含鋼率

組合構(gòu)件的含鋼率是影響組合構(gòu)件的力學(xué)性能的重要因素。對(duì)于組合構(gòu)件來(lái)說(shuō)，其含鋼率愈高，構(gòu)件力學(xué)性能就會(huì)愈好，尤其是作為豎向受力構(gòu)件的組合構(gòu)件。鋼管混凝土組合剪力墻作為一種豎向組合構(gòu)件，既是一種特殊鋼骨混凝土構(gòu)件，也是一種特殊的鋼管混凝土構(gòu)件。鋼管混凝土組合剪力墻截面中的鋼管具有著兩個(gè)重要的作用：①能夠滿(mǎn)足規(guī)范的要求運(yùn)用普通的混凝土這個(gè)條件的同進(jìn)，還能在鋼管的內(nèi)配置使用各種不同強(qiáng)度等級(jí)的高強(qiáng)混凝土甚至超高強(qiáng)的混凝土，從而大大的提升了鋼管混凝土組合剪力墻軸心受壓的承載能力；②鋼管作為一種特殊的鋼骨，本身能夠承擔(dān)起部分的荷載，不僅如此，鋼管還會(huì)對(duì)其內(nèi)部的高強(qiáng)混凝土起到強(qiáng)力的約束作用，消除高強(qiáng)混凝土的脆性并進(jìn)一步提高其承載力。鋼管的作用要比普通的型鋼更加的顯著，如圖3。

圖3 截面的鋼管含鋼率不同的試件的荷載-位移曲線(xiàn)

3.4 鋼管外部混凝土的縱筋配筋率

縱向鋼筋在鋼管混凝土組合剪力墻中的作用有兩方面：①縱筋能夠直接承擔(dān)一部分豎向荷載；②縱筋和其他的水平鋼筋共同構(gòu)成了一個(gè)整體的鋼筋籠，從而對(duì)鋼管外的混凝土產(chǎn)生約束。不過(guò)，對(duì)鋼管混凝土組合剪力墻而言，因?yàn)樵诮孛嬷信渲玫匿摴芎撀蔬h(yuǎn)大于縱筋配筋率，使得縱向鋼筋對(duì)剪力墻的豎向承載力影響并不明顯。

3.5 管間混凝土的配箍率

眾所周知，混凝土本身是一種脆性材料，隨著其自身強(qiáng)度的增加，其延性會(huì)越來(lái)越差。為改善鋼管混凝土組合剪力墻中管間混凝土的脆性，需要在相鄰鋼管之間的混凝土中配置一定的箍筋。箍筋會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生一定的側(cè)向約束，能夠提高該部分混凝土的峰值壓應(yīng)變，增加其變形能力，從而使其在非彈性階段可以與鋼管高強(qiáng)混凝土部分充分地實(shí)現(xiàn)內(nèi)力的重分配，不至于過(guò)早破壞而影響到構(gòu)件整體的承載力。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼管間混凝土配置一定的箍筋，能夠保證組合剪力墻軸心受壓承載能力的充分發(fā)揮，并保證其延性性能，但對(duì)提高組合剪力墻的軸心受壓承載力影響并不明顯。

3.6 組合剪力墻高厚比的影響

剪力墻的高厚比是指的剪力墻墻肢豎向高度和截面厚度之間的比值。對(duì)軸心受壓的構(gòu)件而言，其破壞狀態(tài)不僅僅由其組成材料決定，而且明顯受到長(zhǎng)細(xì)比的影響。在長(zhǎng)細(xì)比非常小的時(shí)候，軸心受壓的構(gòu)件通常會(huì)因?yàn)椴牧线_(dá)到它的極限強(qiáng)度而破壞，這種破壞屬于材料破壞；在長(zhǎng)細(xì)比較大的時(shí)候，軸心受壓的構(gòu)件則會(huì)因?yàn)閺椥允Х€(wěn)而造成破壞，其破壞的時(shí)候材料縱向應(yīng)變還處在彈性的范圍，這種破壞屬于失穩(wěn)破壞；當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比處于兩者之間的時(shí)候，該軸心受壓構(gòu)件的破壞既不是因?yàn)椴牧系膹?qiáng)度到達(dá)極限，也不是因?yàn)閺椥允Х€(wěn)，而是由兩者共同的作用所造成的，是非彈性的失穩(wěn)破壞。此外，還有一些其他因素，諸如初始的缺陷，荷載作用點(diǎn)偶然偏心，該構(gòu)件端部的實(shí)際支承情況與理想狀態(tài)之間的差異，材料本身的不均勻性，也會(huì)將長(zhǎng)細(xì)比對(duì)于軸心受壓構(gòu)件的承載能力的影響進(jìn)一步放大。

4 結(jié)束語(yǔ)

鋼管混凝土組合剪力墻作為一種新型的鋼-混凝土組合剪力墻，其工作原理在于利用鋼管混凝土的約束機(jī)理，在普通鋼筋混凝土剪力墻中均勻配置一定數(shù)量的鋼管高強(qiáng)混凝土，兩者共同工作，從而大幅提升剪力墻的軸心受力性能。本文通過(guò)對(duì)一批鋼管混凝土組合剪力墻試件的軸心受壓試驗(yàn)進(jìn)行分析，探討了影響鋼管混凝土組合剪力墻軸心受壓性能的各種因素，得出如下結(jié)論：鋼管混凝土組合剪力墻由材料決定的軸心受壓承載力主要受鋼管外的混凝土強(qiáng)度、鋼管內(nèi)的混凝土強(qiáng)度和截面鋼管的含鋼率影響，其臨界彈性受壓承載力還受剪力墻高厚比的影響，而組合剪力墻的延性則主要受截面鋼管的含鋼率、鋼管外部混凝土的縱筋配筋率和管間混凝土的配箍率的影響。

[1]李鐵軍，孟云芳.高性能混凝土的發(fā)展與應(yīng)用前景[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，27（4）：24～27.

[2]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2002、2010）[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002、2010（1）：15～25.

[3]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010（1）：110～120.