底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻設計與性能研究

張鋒

摘 要：為了能夠在極大程度上防止鋼筋混凝土剪力墻在高強度地震時發(fā)生墻腳坍塌、墻體損壞等不良現(xiàn)象，結合目前的發(fā)展狀況研究出了一種新型的底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻。底部鉸支自復位混凝土剪力墻是對以往混凝土剪力墻被損壞嚴重的底部區(qū)域進行換取，其上方區(qū)域的墻板可以通過V字連接架進行基礎鉸接。另外，周圍兩方的墻腳區(qū)域可以安放具有雙線滯回特點的復位支撐，從而能夠在極大程度上將墻板內(nèi)部的內(nèi)力進行完整的解構，墻體下方能夠最大限度地實現(xiàn)彈性旋轉(zhuǎn)約束，最終使剪力墻彈性有效側(cè)移，最大化地減少墻體的破壞程度和殘余位移。

關鍵詞：底部鉸支;自復位;鋼筋混凝土剪力墻;設計與性能

中圖分類號：TU398.2 ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）2-0073-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.02.017

Design and Performance Study of Bottom Hinged Self Resetting Reinforced Concrete Shear Wall

ZHANG Feng

（Shandong urban and Rural Planning Design Institute， Jinan 250000，China）

Abstract： In order to prevent the wall foot collapse and wall damage of reinforced concrete shear wall in high-strength earthquake to a great extent， and combined with the current development situation， a new type of bottom hinged self resetting reinforced concrete shear wall is studied. The bottom hinged self resetting concrete shear wall is to exchange the bottom area where the previous concrete shear wall has been seriously damaged. The wallboard in the upper area can be hinged through the V-shaped connecting frame. In addition， the reset support with double line hysteretic characteristics can be placed in the wall foot area on both sides， so that the internal force inside the wallboard can be integrated to a great extent， Under the wall， the elastic rotation constraint can be realized to the greatest extent， and finally the shear wall can move elastically and effectively， so as to minimize the damage degree and residual displacement of the wall.

Keywords： bottom hinged support;self reset;reinforced concrete shear wall;design and performance

0 引言

鋼筋混凝土剪力墻的側(cè)向強度比較高，同時還具備著比較強的承載力和布置方便靈巧的特點，普遍適合應用在高層結構或者超高層結構中。但是，鋼筋混凝土剪力墻也有不足的地方。當發(fā)生強度比較高的地震時，鋼筋混凝土剪力墻就非常容易出現(xiàn)墻腳壓損或破壞、墻下出鉸、墻面撕裂等非常嚴重的問題，使鋼筋混凝土剪力墻殘余結構損壞十分明顯，不能繼續(xù)應用，甚至還會引發(fā)建筑物倒塌，稍有不慎還會危害到人們的生命健康。后來，經(jīng)過不斷發(fā)展，功能可恢復結構概念被提出，引發(fā)一大批國內(nèi)外學者對鋼筋混凝土剪力墻的復位展開研究和分析。

1 底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的相關力學理念

1.1 底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的相關設計理念

當混凝土的相關彈性有所下降，同時具備比較良好的耐壓能力，其壓應力并沒有達到最高的數(shù)值就已經(jīng)產(chǎn)生了塑性應變，再通過不斷地反復加載與卸載的方式，其彈性模量會有非常顯著的下降特征。其中，鋼材彈性的變形范圍比較廣，在不斷強化階段其塑性應變能力不斷上升。另外，在強度比較高的震動情況下，鋼筋混凝土所產(chǎn)生的塑性應變和混凝土破裂是最終導致剪力墻殘余構造發(fā)生變形并遭受到破損的重要原因。通過對彎曲型剪力墻損壞形式的分析，其剪力墻的墻體一般是由于墻腳位置的混凝土被壓損，墻下位置發(fā)生非常嚴重的塑性變形，最終導致了塑性鉸的形成。在這種情況下，對受荷階段中應力非常大的剪力墻墻底部進行合理的改進，能夠有效防止大面積的剪力墻墻板出現(xiàn)破損，同時還能夠進一步在原有的基礎上增加鋼筋混凝土剪力墻的功能特性。方案設計主要是使型鋼梁和復位支撐共同形成具有非常良好的彈性變形屬性的高彈度墻底，并且將上方混凝土墻板傳輸?shù)膬?nèi)力進行適當?shù)慕鈽嫞瑫r因為豎向的沿截面分布情況相對平均，其合力點偏心比較低，在受壓變形的階段中附加彎矩也比較低，其豎向軸力會通過連接梁的銷軸進行傳輸，這樣就能夠在極大程度上保證更換階段中豎向承受的穩(wěn)定性和安全性。水平剪力也可以利用銷軸進行良好的傳輸，彎矩則是利用墻下方兩邊的支撐抗彎力偶進行有效傳輸。當彎曲剪力墻的高寬比多于2.0時，其彎曲剪力墻的抗震能力就非常好，剪力墻的墻體在地震和壓力的共同作用下，其下方截面的彎矩是最大的，剪力墻下方的受力情況比較雜亂，這就使剪力墻在受壓過程中大部分的墻體損壞都位于墻體下方，從而導致鋼筋混凝土剪力墻發(fā)生破損。所以，應當積極應用鋼材彎曲分離并且富有一定彈性能力的下方墻底，來對塑性顯著的下方墻底澆筑混凝土。因為這種新型的墻底和以往的墻體相比具有更多的性能優(yōu)勢，相比之下，這種新型的墻底材料更好，性能更加優(yōu)良，能夠有效避免之前的缺點，進一步打破混凝土材料功能特性的約束特點，非常適合應用在高性能混凝土剪力墻的設計建設中。

1.2 底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的具體工作原理和骨架曲線

底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的骨架曲線具有一定程度的雙線性特點，其剛度變換位置，能夠使其發(fā)生激活，彈性墻底能夠步入下一剛度階段中，使底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的側(cè)向剛度進一步減少。雖然底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的力學行為特點和以往的混凝土剪力墻比較相似，但不同的是，在這個階段中，底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的各個不同部件依然會保持著其彈性結構。在底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻中，因為支撐激活導致剛性程度減少的初始下降點叫作類屈服點。在彈性墻體下方兩周支撐的第一剛度通過適當?shù)恼{(diào)節(jié)可以使墻底截面的初始變動剛性程度發(fā)生變化，從而在一定程度上使取代的區(qū)域轉(zhuǎn)動強度與以往的混凝土剪力墻相同，同時使底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的開始剛度等同于原來的墻體剛度，復位支撐設計數(shù)據(jù)和墻體下方的幾何尺寸大小能夠最大限度地決定墻體激活反應。同時，能夠根據(jù)具體的功能特點對底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻激活位移的多少進行有效確定，保證其側(cè)移在和原來的剪力墻屈服位移相同時進行激活。底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的墻底在到達第二剛度階段時，其墻底位置會不斷增多，并且其內(nèi)力也會有一定程度的提升，但是增長比較緩慢。墻體上方墻板內(nèi)力并不會增加，依舊屬于彈性階段，整體階段在一定程度上和以往的混凝土剪力墻進行屈服后的力學特點相同，及時對復位支撐第二剛度進行有效調(diào)整能夠?qū)Φ撞裤q支自復位鋼筋混凝土剪力墻激活以后的承受力和具體剛度展開設計分析，使其能夠最大限度地和原來的墻體承受力相同。又因為彈性墻體底部的受力機制非常明顯，其內(nèi)力結構較為明確，對復位支撐行程展開有效的調(diào)節(jié)能夠更好地對其墻體底部的轉(zhuǎn)動行程進行設計，并重點對底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻展開延性設計工作[1]。

鋼筋混凝土剪力墻屬于高層建筑構造中的關鍵受力部件，所以應當充分保證鋼筋混凝土剪力墻不受損壞。筆者所描述的底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻主要是為了能夠最大化地實現(xiàn)墻體彈性變形，而不是通過使墻體產(chǎn)生塑性變形或者對墻體進行損壞而獲得相應的能量支撐。另外，荷載消失后，墻體可以利用恢復力矩作用復位，并且不會出現(xiàn)殘余位移的問題。

2 底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的功能特性比對研究

2.1 底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻滯回性能特點比對

依照普通鋼筋混凝土剪力墻的相關力學性能特點對底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻展開相等效果的設計分析以后，能夠系統(tǒng)性地認識到底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的滯回曲線具有雙線性的特點，其支撐激活以前的剛度降低程度并不明顯。不相同的加載幅數(shù)值下的滯回曲線在一定程度上來說是基本重疊的，并且包絡面積不高，這也就從側(cè)面說明了該鋼筋混凝土剪力墻的受損壞程度比較小。在卸載的過程中其殘余位移并不高，意味著整體的復位特點比較良好。

對普通鋼筋混凝土剪力墻和底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的承受能力進行研究和分析可以發(fā)現(xiàn)，運用等效彈塑性屈服方法計算得出，普通鋼筋混凝土剪力墻的屈服荷載相對位移就是屈服位移。底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的類屈服點的具體定義為底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻支撐激活剛性程度發(fā)生改變的點。它相對的水平荷載、位移和類屈服位移與類水平荷載相等，并對底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻和普通鋼筋混凝土剪力墻的屈服水平荷載、屈服位移有效地比對和研究。普通鋼筋混凝土剪力墻中的極限荷載，其相對的位移就是極限位移。又因為底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻經(jīng)過受荷階段中并沒有產(chǎn)生剛度減少的問題，并將其在受荷階段中經(jīng)受的最大的荷載稱作峰值荷載，峰值荷載對應的位移為峰值位移。如果位移角達到了塑性限制的一定程度，該位移就是極限位移，極限位移所對應的荷載是極限荷載。從以上分析可以完整地看出，底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的類屈服位移和類屈服荷載都在很大程度上和普通鋼筋混凝土剪力墻相似。底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻與普通鋼筋混凝土剪力墻的峰值荷載接近，但是不同的是，底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻在發(fā)生剛性改變以后表現(xiàn)出一定的強化性，同時也沒有出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。在最大加載位移點位置，存在著極限荷載與峰值荷載。延性系數(shù)則是屈服位移和極限位移之間的數(shù)據(jù)比值，延性系數(shù)能夠最大限度地計算和分析出混凝土剪力墻的延性效果和延性程度。底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻和普通鋼筋混凝土剪力墻的延性系數(shù)是有差別的，經(jīng)過系統(tǒng)分析和查驗，發(fā)現(xiàn)底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻要比普通鋼筋混凝土剪力墻的延性系數(shù)高，這就能夠說明底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的變形特性相對來說要更加良好。

2.2 底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻耗能程度和復位能力比對

底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻和普通鋼筋混凝土剪力墻的耗能情況都會隨著加載幅值的增大而增大。但是從整體上來看，雖然都處于增大的狀況，但是相對來說普通鋼筋混凝土剪力墻的增加速度快，增加幅度大，而底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的增大幅度比較小。當加載幅值不高時，底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻和普通鋼筋混凝土剪力墻都位于彈性階段，二者墻體都沒有發(fā)生損壞，同時耗能也比較低。但當加載幅值不斷提升時，普通鋼筋混凝土剪力墻屈服產(chǎn)生塑性變形，墻板發(fā)生破裂，并且需要耗散大量能量。底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻在整個過程中墻體底部兩邊的支撐軸力要高于碟簧預壓力，其墻體剛性發(fā)生改變，逐漸步入第二剛度階段。當?shù)撞裤q支自復位鋼筋混凝土剪力墻剛性發(fā)生改變，其上方墻板的混凝土應力就會相對下降，且沒有發(fā)生塑形破壞問題，但由于剛性發(fā)生改變墻體底部發(fā)生轉(zhuǎn)動，其水平荷載的增加幅度不高，墻體內(nèi)力相對穩(wěn)定，并依然屬于彈性階段。當?shù)撞裤q支自復位鋼筋混凝土剪力墻發(fā)生側(cè)移，其上方的混凝土與下方的墻體底部就會產(chǎn)生彈性變形與塑性變形，整體受到的損傷情況比較小，所消耗的能量也比較少。除此之外，底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻和普通鋼筋混凝土剪力墻的殘余位移也可以根據(jù)加載幅值變化而變化。其殘余變形比較顯著，混凝土一旦被損壞想要完好修復非常困難，從而會使相關構件因為損壞沒辦法繼續(xù)再使用[2]。底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的殘余位移比較小，雖然會伴隨加載幅值的提升而增大，但是增大緩慢，能夠在一定程度上說明底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻具有比較良好的復位能力。

2.3 底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻損傷分布比對

經(jīng)過一系列實踐研究可以發(fā)現(xiàn)，普通鋼筋混凝土剪力墻的受壓損傷部位主要集中在剪力墻的底部和剪力墻兩邊的墻腳區(qū)域。在經(jīng)過一系列峰值荷載作用下，普通鋼筋混凝土剪力墻的墻腳位置區(qū)域已經(jīng)發(fā)生了極大程度的損壞，但是，在經(jīng)過一系列峰值荷載作用下，底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的混凝土部分并沒有出現(xiàn)明顯的受損壞情況;而在極限荷載的作用下，普通鋼筋混凝土剪力墻的受損壞程度會在原有基礎上進一步加大。后來又經(jīng)過不斷重復性的加卸載，導致普通的鋼筋混凝土剪力墻墻腳區(qū)域持續(xù)受損，以至于鋼筋混凝土剪力墻的墻腳區(qū)域受損非常嚴重，其中損壞比較嚴重的區(qū)域和通過進行試驗破壞時墻體下部的混凝土壓損的位置是相同的，因此導致鋼筋混凝土剪力墻的底部區(qū)域受損傷程度比較大，其剪力墻兩邊的墻腳受破壞程度也非常嚴重。但是，通過對底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的研究和分析發(fā)現(xiàn)，底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻只是在連接梁兩端區(qū)域的混凝土發(fā)生了比較微小的損壞，并沒有出現(xiàn)受損壞比較大或者比較嚴重的區(qū)域。根據(jù)普通鋼筋混凝土剪力墻與底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻之間的受壓損壞程度進行比對可以發(fā)現(xiàn)，底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻能夠從根本上將普通鋼筋混凝土剪力墻在受荷階段中受損壞比較嚴重的剪力墻位置進行了有效取代和替換，使水平荷載在移除以后，底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻在荷載激勵階段中并沒有產(chǎn)生相對來說更加嚴重的損壞，最大限度地使混凝土的功能特性保持在穩(wěn)定、安全的水平標準中，使其鋼筋混凝土剪力墻的全部功能特性都比較完好，從而最大限度保證混凝土剪力墻的功能恢復作用得到最佳發(fā)揮。經(jīng)過相關分析和研究可以發(fā)現(xiàn)，普通鋼筋混凝土剪力墻在屈服極限荷載作用下，普通鋼筋混凝土剪力墻的受損傷程度并不明顯，同時當屈服荷載作用到達最高限度時，普通鋼筋混凝土剪力墻的受損傷程度相對來說比較大的位置區(qū)域和其試驗過程中剪力墻墻板破裂的位置區(qū)域相同。其中混凝土和墻內(nèi)豎向鋼筋是一同澆筑的，當水平荷載比較低時，混凝土和鋼筋需要一起承擔剪力墻墻板的拉力作用，從而導致鋼筋產(chǎn)生拉伸，混凝土應力超過原本可以承受的拉伸極限，最終出現(xiàn)破裂問題。即便其水平荷載呈現(xiàn)逐漸遞增的狀態(tài)，其通過受拉作用產(chǎn)生的縫隙早已形成。但是，底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻在峰值荷載作用下，其混凝土受拉力影響產(chǎn)生的受損程度比較小，從其加載過程到極限荷載過程中受到的損害情況會逐漸增加，其受損壞位置區(qū)域會從連接梁兩邊逐漸向剪力墻、墻板上方和中間移動。但從整體上來看，底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻受損傷程度要比普通鋼筋混凝土剪力墻的受損傷程度要低得多。這是由于其連接梁可以通過全面的轉(zhuǎn)動，在變形調(diào)整的過程中，對剪力墻上部的墻板產(chǎn)生一定的承托影響，再加上連接梁自身的變形程度比較低，所以，底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻和普通混凝土剪力墻的相同位置區(qū)域混凝土對墻板上部的作用力進行對比，前連接梁更加平穩(wěn)、均勻，從而在極大程度上使墻板上部的混凝土受力更加穩(wěn)定，最大限度地降低底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的受損壞程度[3]。對底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻與普通鋼筋混凝土剪力墻受壓損壞以及受拉損傷程度進行系統(tǒng)比對可以發(fā)現(xiàn)，底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻主要能夠在最大限度上降低鋼筋混凝土剪力墻墻板混凝土的受壓損壞程度，對混凝土受拉損壞能夠產(chǎn)生一定的控制性作用。對于一些受彎型鋼筋混凝土材料部件來說，其受到一定程度的損壞和破壞主要是由于混凝土經(jīng)過受壓作用而形成，所以結合混凝土受壓損傷程度對受彎型鋼筋混凝土材料部件進行相應的損傷控制，其控制效果會更加良好。

3 結語

本研究針對底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻的設計及其性能展開了一系列的研究和分析，并且發(fā)現(xiàn)，底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻在變形階段中損壞程度并不高，同時通過特殊的方式所消耗的能量相對比較低，這種剪力墻能夠在數(shù)次激勵以后依舊能夠維持良好的狀態(tài)。底部鉸支自復位鋼筋混凝土剪力墻在極大程度上降低混凝土墻板受損程度，使其在變形以后依舊可以維持彈性狀態(tài)。

參考文獻：

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[3] 常云倩，婁汝偉.內(nèi)置鋼板鋼筋混凝土剪力墻抗震性能研究[J].建筑建材裝飾，2017（4）：91.