高速公路隧道混凝土剪力墻板抗剪滯回性能研究

江霍林

摘要：抗剪滯回性能直接關系著混凝土剪力墻板結構的穩(wěn)定性和安全，為此，文章結合國內外研究進行高速公路隧道混凝土剪力墻板抗剪滯回性能實驗分析，選取四種混凝土剪力墻板作為試驗試件，研究應變片和位移計檢測荷載方案下的試件變化參數(shù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)繪制滯回曲線，分析混凝土剪力墻板試件抗剪滯回性能。結果表明：混凝土剪力墻板試件變化規(guī)律首先是彈性階段，混凝土剪力墻板不會發(fā)生變形、裂縫等變化;然后是彈塑性階段，發(fā)生輕微彎曲，并存在一定的殘余變形;最后是破壞階段，混凝土剪力墻板完全喪失承載力?？辜魷匦阅芘判驗樵嚰?>試件3>試件2>試件1?？辜魷匦阅茉胶迷侥艹惺茏碜陨襟w的荷載、風荷載以及地震荷載，越能保證隧道整體結構穩(wěn)定性。

關鍵詞：高速公路隧道;混凝土剪力墻板;抗剪滯回性能;彈塑性階段

0 引言

高速公路的建設一直是國家的重點工程項目，關系著國家經(jīng)濟的發(fā)展。高速公路建設開始于20世紀80年代，雖然起步較晚，但是截至2012年，中國高速公路已占全國公路2.27%的里程，完成34.06%的公路營業(yè)性貨運周轉量。在高速公路這一基礎設施建設過程中，由于我國多山的地貌特點，大約75%的國土都處在山嶺、重丘陵區(qū)，若不建造隧道，勢必會延長高速公路的建設長度，增加成本預算。在此背景下，高速公路隧道是必然選擇。高速公路隧道透過山體建造而成，不僅承受來自山體的壓力，也承受風荷載或地震作用引起的水平荷載和豎向荷載壓力，因此為保證隧道結構的穩(wěn)定性和安全性，混凝土剪力墻板是隧道建設工程中必不可少的組成部分之一，能夠極大防止結構剪切（受剪）破壞[1]。

在上述背景下，研究剪力墻板抗剪滯回性能對墻板結構方案的設計和優(yōu)化具有重要指導意義。目前，對剪力墻板的抗剪滯回性能研究有很多，如馬曉偉和聶建國研發(fā)了分析組合剪力墻壓彎性能的彈塑性數(shù)值模型，對構件的彎矩曲率曲線以及壓彎相關關系曲線進行分析;日本學者Mimura和Akiyama建立了描述鋼板剪力墻滯回性能的恢復力模型，該模型的提出有利于對鋼板剪力墻滯回性能的分析;孫飛飛、高輝、李國強等學者進行了兩邊組合鋼板墻的試驗研究，在試驗和有限元分析的基礎上研究了組合鋼板剪力墻的抗震性能;Driver對鋼板剪力墻進行了試驗研究，進行了在低周往復荷載作用下的剪力墻滯回性能試驗。

前述國內外研究中都取得了階段性的成功，但缺乏系統(tǒng)的分析歸納。為此，本文在國內外相關研究的基礎上，進行多種混凝土剪力墻抗剪滯回性能分析，以期為高速公路隧道混凝土剪力墻板方案設計和施工提供指導和參考建議。

1 高速公路隧道混凝土剪力墻板抗剪滯回性能實驗分析 剪力墻，又稱抗風墻、抗震墻或結構墻，主要作用是防止結構剪切的破壞，提高整體工程結構的穩(wěn)定性性和安全性[2]。為更好地了解不同剪力墻板的抗剪滯回性能，方便高速公路隧道施工建設，本章節(jié)進行高速公路隧道混凝土剪力墻板抗剪滯回性能實驗分析，具體分析內容為剪力墻板的抗彎承載力和變形性能，最終得到循環(huán)荷載作用下的滯回曲線。

1.1 試件設計與制作

針對試驗研究目的，以四種常用的剪力墻板為原型結構，按照1∶2.5縮尺比例將其縮小比例，最終得到四個試件[3]。四種混凝土剪力墻板試件設計參數(shù)如表1所示。

按照表1的設計方案和參數(shù)進行試件制作。本文當中試件的制作在江蘇省結構工程重點試驗室加工完成。

1.2 載荷加載裝置和加載方案

本次試驗旨在考察混凝土剪力墻板試件在受力條件下的抗剪滯回性能，因此需要一個裝置對混凝土剪力墻板試件施加載荷，如圖1所示。

將混凝土剪力墻板試件用地腳錨栓固定在裝置臺面上，且為防止試件被施加荷載時出現(xiàn)滑動，需要在地梁和反力架之間添加防滑墊[5]。對混凝土剪力墻板試件施加荷載有兩種方式，即豎向荷載和水平荷載。

豎向荷載：主要通過門架、剛性梁和豎向千斤頂來實現(xiàn)，此荷載在整個實驗過程中均保持恒定狀態(tài)，一般為4 000 kN。值得注意的是在豎向千斤頂施加荷載過程中，需要在加載架之間設置滑板，以便保證混凝土剪力墻板試件的頂部不會受到側向約束，使得軸力一直保持在試件頂部的正中間。

水平荷載：主要通過反力墻和電液伺服加載作動器來實現(xiàn)。電液伺服加載作動器的加載能力為1 000 kN，且初始加載為30 kN，每次以30 kN遞增，直至內部鋼筋結構屈服達到極限，之后采用位移控制加載，每級循環(huán)2次，直到試件從彈性階段發(fā)展至整體破壞[6]。水平荷載加載方案如下頁表2所示。

1.3 量測設備與量測方案

本章量測設備有兩種：應變片和位移計。

（1）應變片是一種通過測量電阻的變化而對應進行測定的裝置，屬于一種傳感器。應變片一般布置在結構受力較大或受力變化較大的位置，以便得到混凝土試件應變的數(shù)值和破壞情況[7]。

（2）位移計是一種用來測量目標對象在力的作用下的位移量的傳感器。位移計布置情況如表3所示。

1.4 試件破壞過程及形態(tài)

四種混凝土試件破壞過程及形態(tài)如下：

（1）試件1

30～300 kN：混凝土試件未發(fā)生變化;

360～330 kN：第一條水平主裂縫，并向墻面發(fā)展;

450 kN：出現(xiàn)多條間隔水平裂縫，原裂縫變寬至1.5 mm，并向墻面發(fā)展;

480 kN：主裂縫貫穿墻面，多條間隔水平裂縫變寬;

27～36 mm：裂縫繼續(xù)發(fā)展，墻體底部受壓端鋼材外混凝土壓碎剝落、壓潰，承載力下降;

42 mm：混凝土脫落嚴重，試件基本喪失承載力;

48 mm：整個墻板發(fā)生了面外失穩(wěn)，試件喪失承載力，試驗終止[8]。

（2）試件2

30～480 kN：混凝土試件未發(fā)生變化;

420 kN：第一條水平裂縫，并向墻面發(fā)展;

450 kN：新增一條裂縫，原有主裂縫擴展并變寬;

480 kN：裂縫增多，且主裂縫寬增大，達到1.1 mm;

27～48 mm：原有裂縫繼續(xù)擴展，區(qū)域上移，豎向裂縫出現(xiàn)，混凝土試件的墻角位置出現(xiàn)壓酥現(xiàn)象;

60 mm：原有裂縫擴展，區(qū)域上移，且墻面暗柱底部被部分掀起，混凝土壓酥并脫落，墻板的整體失穩(wěn);

66 mm：墻角部暗柱全部被掀起，混凝土嚴重脫落，鋼材有向外鼓出呈波浪狀現(xiàn)象，構件喪失承載力，試驗終止。

（3）試件3

30～480 kN：混凝土試件表面未出現(xiàn)裂縫;

27 mm：出現(xiàn)受力部分第一條裂縫;

450 kN：裂縫延長至墻高的上半部，并沿著該裂縫延伸出許多分支裂縫;

480 kN：裂縫延長至墻高的全部，并變寬，最大縫寬達到1.0 mm，分支裂縫延長;

27～60 mm：出現(xiàn)豎向裂縫，開始有壓酥跡象;

66 mm：主裂縫、分支裂縫、豎向裂縫加寬，壓酥逐漸嚴重、墻面逐漸脫落;

72 mm：試件破壞嚴重，喪失承載力，試驗終止。

（4）試件4

27 mm：混凝土試件表面未出現(xiàn)任何變化;

30 mm：右墻墻角沿對角線方向出現(xiàn)第一道斜裂縫;

36～66 mm：斜裂縫發(fā)展，栓釘周圍出現(xiàn)大量微小斜裂縫;

48 mm：裂縫充分發(fā)展，變密集，并伴有大量混凝土粉末掉落;

72～78 mm：混凝土大塊剝落，鋼筋露出，并向外鼓曲;

84 mm：試件面外嚴重變形，混凝土壓酥、脫落，試件到達極限承載力，試驗終止。

1.5 抗剪滯回性能分析

上一章節(jié)是通過人眼觀察得到混凝土試件在不同荷載力下的變化情況，為進行進一步分析，本章節(jié)通過繪制滯回曲線分析混凝土試件的抗剪滯回性能。滯回性能即滯回曲線的性能。滯回曲線是在力循環(huán)往復荷載作用下，混凝土剪力墻板結構的荷載-位移曲線。通過該曲線，可以得到混凝土剪力墻板的變形特征、剛度退化、承載力、能量消耗等特征[9]。

根據(jù)上述表2荷載加載方案以及本文章節(jié)1.3位移計量測結果，繪制四種混凝土剪力墻板試件的滯回曲線（如圖2所示）。

由圖2可知，四種混凝土剪力墻板試件具有共同特點，即都可分為三個階段進行分析。

（1）彈性階段，即出現(xiàn)裂縫之前的階段。這一階段滯回曲線呈現(xiàn)直線上升趨勢，殘余變形很小，也就是說在卸去荷載力后，變形會恢復。

（2）隨著荷載的增加，開始進入彈塑性階段，即滯回曲線不再是直線，而是出現(xiàn)輕微彎曲現(xiàn)象，卸去荷載力后，會出現(xiàn)一定的殘余變形。

（3）達到峰值荷載后，進入最后的破壞階段。這時的滯回曲線壓縮效應明顯。在卸去荷載力后，荷載力退化比較緩慢，殘余變形很大。混凝土剪力墻板基本喪失承載力。

根據(jù)上述滯回曲線對四種混凝土剪力墻板試件的滯回性能不同點進行分析，根據(jù)圖2繪制四種混凝土剪力墻板試件的骨架曲線。骨架曲線是指每級荷載作用下構件滯回曲線的峰值點連接的包絡線，具體如圖3所示。

由圖3可知，骨架曲線能直觀地反映出試件在水平荷載作用下在各受力階段的主要特征，如承載力、變形能力、耗能能力等。承載力包括屈服荷載和峰值荷載兩個指標。變形能力包括屈服位移、峰值位移、極限位移、延性系數(shù)、相對變形值。后兩者計算公式如下：

從表4中可以看出：（1）承載力：試件4>試件3>試件2>試件1，試件承載力越大，抵抗水平荷載能力越強;（2）變形能力：試件4>試件3>試件2>試件1，變形能力越強，抵抗剪力的性能越好;（3）耗能能力：試件4>試件3>試件2>試件1，耗能能力越好越表明當?shù)卣鸢l(fā)生時消耗的地震能量越多，其結構就越穩(wěn)定[10]。綜合上述結果，試件4的抗剪滯回性能最好，其次是試件3和試件2，試件1最差。

2 結語

綜上所述，為減少高速公路修建成本，隧道的修建是高速建設中的常見工程之一?；炷良袅Π迨撬淼赖闹匾M成部分之一，起到抗震減壓的作用。在此背景下，為合理設計高速公路隧道混凝土剪力墻板施工方案，充分了解其抗剪滯回性能是必不可少的。為此，本文進行高速公路隧道混凝土剪力墻板抗剪滯回性能實驗分析，選取四種混凝土剪力墻板作為實驗對象，通過繪制滯回曲線，分析得出了四種混凝土剪力墻板試件隨著荷載增加的變化規(guī)律，并通過對比其承載力、變形能力、耗能能力，分析了抗剪滯回性能。在本文研究中主要進行了常規(guī)混凝土板形式、含鋼率以及栓釘?shù)炔煌瑮l件下的研究，除此之外，還有多種因素需要考慮在內，如不同強度等級、高寬比、墻厚等條件，這是下一步的重點研究方向。

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