混凝土剪力墻平面外受彎性能試驗(yàn)研究

杜紅凱, 于佳鑫, 王海萌, 籍嘉浩, 趙鵬飛

(北京建筑大學(xué) 北京未來(lái)城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心， 北京 100044)

剪力墻可能受到土體壓力、風(fēng)荷載、爆炸、沖擊等橫向荷載的作用，發(fā)生平面外破壞。王墨耕等[1]對(duì)地下車庫(kù)配筋砌塊砌體剪力墻的平面外受力進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算；黃莉[2]對(duì)嵌入式基礎(chǔ)的疊合式地下室外墻板平面外受彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)和ANSYS分析，研究表明嵌入深度較大時(shí)，墻板跨中出現(xiàn)塑性鉸，該鉸達(dá)到轉(zhuǎn)動(dòng)極限時(shí)，墻體發(fā)生破壞；周博文[3]對(duì)嵌入式基礎(chǔ)的疊合式地下室外墻板進(jìn)行了墻板平面外抗彎性能試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究表明墻體的受力過(guò)程分為彈性、彈塑性、塑性、破壞4個(gè)階段。高層建筑物中風(fēng)荷載會(huì)使剪力墻出現(xiàn)平面外彎矩，陳勝云[4]采用試驗(yàn)對(duì)復(fù)合節(jié)能墻體的平面外抗彎性能進(jìn)行了研究，研究表明復(fù)合節(jié)能墻體的外葉墻符合長(zhǎng)沙地區(qū)抗風(fēng)承載力要求。當(dāng)剪力墻用于海上設(shè)施或核電站時(shí)，還可能受到?jīng)_擊或爆炸作用。史先達(dá)[5]對(duì)鋼筋混凝土剪力墻平面外抗沖擊性能進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值分析，提出了用墻板塑性鉸線法進(jìn)行抗沖擊設(shè)計(jì)的思路；史晨程[6]對(duì)核電廠鋼板混凝土墻進(jìn)行了平面外受力性能研究，研究表明平面外承載能力會(huì)隨剪跨比的增大而減小，現(xiàn)有的規(guī)范公式不能很好解釋其結(jié)果。

隨著建筑工業(yè)化的推進(jìn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)平面外受力的研究逐漸增多，郜玉芬等[7]對(duì)裝配式環(huán)筋扣合錨接剪力墻進(jìn)行了平面外抗折性能研究，研究表明剪力墻的破壞形式均為受彎破壞；谷倩等[8]采用靜力加載的試驗(yàn)方法對(duì)雙面疊合剪力墻進(jìn)行了平面外受力性能研究，推導(dǎo)了雙面疊合剪力墻平面外受彎公式；薛偉辰等[9]對(duì)雙面疊合混凝土剪力墻進(jìn)行了平面外的抗震性能研究，研究表明雙面疊合混凝土剪力墻平面外的破壞形式與現(xiàn)澆混凝土剪力墻構(gòu)件基本相同；YING等[10]對(duì)剪力墻平面外受力進(jìn)行研究，提出了等效彎曲寬度的概念，在一定程度上簡(jiǎn)化了計(jì)算公式；WANG等[11]對(duì)波紋鋼板剪力墻進(jìn)行了平面外受力研究，提出了剛度簡(jiǎn)化計(jì)算方法；SABOURI-GHOMI等[12]采用局部相互作用理論對(duì)復(fù)合鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了平面外的分析研究。

當(dāng)剪力墻平面外受力時(shí)，其受力模式與樓板類似，但配筋只能考慮單側(cè)鋼筋，導(dǎo)致剪力墻受彎時(shí)的配筋率低，往往不能滿足樓板配筋率的要求，從而導(dǎo)致常規(guī)剪力墻的平面外破壞現(xiàn)象與樓板不同。為探索剪力墻平面破壞的規(guī)律，本文根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)四片剪力墻，進(jìn)行靜力抗彎試驗(yàn)，研究其平面外受力破壞的過(guò)程、延性和抗彎承載能力等。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及材料性能

1.1 試件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)四片剪力墻，混凝土等級(jí)分別為C30、C40、C50，分布鋼筋直徑均為8 mm，間距150 mm，等級(jí)為HRB400，均為冷拉之后的鋼筋，剪力墻參數(shù)見表1。四片墻體W1～W4的配筋率按照剪力墻受力計(jì)算分別為0.335%、0.335%、0.335%、0.268%，滿足剪力墻最小配筋率要求。按照樓板平面外受力計(jì)算的配筋率分別為0.185%、0.185%、0.185%、0.145%，均小于受彎構(gòu)件最小配筋率，相差在28%以內(nèi)。構(gòu)件加工圖如圖1所示。四片墻體采用樓板的加載方式進(jìn)行加載，但墻體與樓板在配筋和尺寸上有明顯不同，一方面墻體按照平面外受彎計(jì)算時(shí)的配筋率不滿足板的配筋率要求，另一方面墻體的厚度也比一般板的厚度要大，致使兩者的破壞特征和承載能力可能存在明顯的不同。

表1 試件參數(shù)

圖1 剪力墻尺寸及配筋圖Fig.1 Wall dimension and reinforcement drawing

1.2 加載方案與量測(cè)內(nèi)容

剪力墻平面外抗彎試驗(yàn)在北京建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室完成，采用三分點(diǎn)加載，靜跨為2.4 m，每5 kN為1加載等級(jí)。在支座和跨中的位置均安裝位移計(jì)，用于測(cè)量構(gòu)件撓度，在混凝土的底面、頂面、側(cè)面各粘貼了3個(gè)應(yīng)變片，用于監(jiān)測(cè)混凝土的應(yīng)變。試驗(yàn)采用DH3820動(dòng)靜態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)加載及位移計(jì)示意圖如圖2所示。

圖2 加載及位移計(jì)分布圖Fig.2 Loading and displacement meter diagram

1.3 鋼筋和混凝土的材料性能

對(duì)鋼筋標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)得鋼筋的彈性模量ES=2.0×105MPa，鋼筋抗拉屈服強(qiáng)度f(wàn)y=710 N/mm2，抗拉極限強(qiáng)度f(wàn)u=770 N/mm2，鋼筋的極限拉應(yīng)變?chǔ)舠=0.30，鋼筋應(yīng)力- 應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 鋼筋應(yīng)變- 應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of steel bar

對(duì)預(yù)留的混凝土立方體試塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，得到C30、C40、C50混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度平均值分別為36.6 MPa、42.9 MPa、51.1 MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞形態(tài)

在加載初期，剪力墻W1～W4分別在70 kN、80 kN、40 kN、75 kN出現(xiàn)首條裂縫，裂縫均出現(xiàn)在純彎段內(nèi)，且垂直于墻板平面，均為彎曲裂縫。隨著荷載和撓度的不斷增加，裂縫迅速向上延伸，寬度不斷加大，上部受壓區(qū)高度迅速減小，構(gòu)件表現(xiàn)為繞受壓區(qū)旋轉(zhuǎn)。四片剪力墻分別在105 kN、110 kN、114 kN、145 kN時(shí)，受拉區(qū)鋼筋突然被拉斷，墻片失去承載能力，發(fā)生平面外破壞。四片剪力墻的破壞特征基本一致，如圖4、圖5所示(墻體側(cè)面的鋼絲繩為裝配式墻體的水平連接裝置)，裂縫主要分布在純彎段，平均間距約為360 mm，每條裂縫都延伸到墻片頂部。根據(jù)構(gòu)件純彎段上表面混凝土應(yīng)變片的數(shù)據(jù)，四片墻體的應(yīng)變?yōu)?.000 7、0.001 0、0.001 3、0.001 5，均未到達(dá)到混凝土極限壓應(yīng)變0.003 3，試驗(yàn)現(xiàn)象也發(fā)現(xiàn)四片墻體受壓區(qū)混凝土均未被壓碎，鋼筋拉斷時(shí)構(gòu)件的上表面保持光滑，并有一定弧度。

圖4 W2破壞狀態(tài)Fig.4 Failure state of W2

圖5 W3破壞狀態(tài)Fig.5 Failure state of W3

2.2 荷載- 撓度曲線

圖6給出了W2～W4的荷載- 撓度曲線(墻體W1位移計(jì)損壞，無(wú)法得到曲線)，從圖6中可以看出，3條曲線形狀相差不大，構(gòu)件屈服以后均有較大的延性段。在整個(gè)加載過(guò)程中，荷載位移曲線經(jīng)歷了未裂階段、帶裂縫工作階段、破壞階段。在未裂階段，荷載和撓度基本呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)；在帶裂縫工作階段，構(gòu)件撓度逐漸增大，承載力增加較?。辉谄茐碾A段，受拉區(qū)鋼筋突然被拉斷，荷載撓度曲線進(jìn)入下降段。

圖6 W2～W4荷載- 撓度曲線Fig.6 Load deflection curve of W2～W4

2.3 開裂、屈服和極限荷載

表2給出了W1～W4對(duì)應(yīng)的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載，其中構(gòu)件的屈服荷載由圖解法確定。

表2 開裂、屈服和極限荷載

從表2可以看出，混凝土強(qiáng)度最高W3的開裂荷載最低，強(qiáng)度居中的W2開裂荷載最高，構(gòu)件的開裂荷載離散型較大，并無(wú)規(guī)律性。W2和W3的屈服荷載相差不大，W1～W3的極限荷載相差不大，而這3個(gè)構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度相差較大，說(shuō)明混凝土強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件的承載力影響不大。W4的屈服荷載明顯大于W1～W3屈服荷載和極限荷載，說(shuō)明墻體的厚度對(duì)剪力墻平面外抗彎承載力的影響較大。W2～W4的極限荷載分別比屈服荷載增長(zhǎng)了27.9%、34.1%、38.1%，W1～W4的極限荷載比開裂荷載增長(zhǎng)了50.0%、37.5%、185.0%、93.0%，說(shuō)明剪力墻平面外開裂或鋼筋屈服以后不會(huì)馬上破壞，其承載能力仍能有一定程度的提升空間。

2.4 位移和延性

位移延性是反映結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件變形能力的一個(gè)重要度量標(biāo)準(zhǔn)。常用的延性系數(shù)是指用極限位移與屈服位移比值μ為：

(1)

式中:Δu為極限位移，Δy為屈服位移。

W2～W4的屈服位移、極限位移和延性系數(shù)見表3。

表3 位移延性系數(shù)

W2、W4剪力墻的延性系數(shù)均在10以上，結(jié)合荷載位移曲線，可以看出剪力墻平面外的破壞形式與少筋梁相似，構(gòu)件屈服位移小，屈服以后迅速進(jìn)入第二剛度階段，屈服圓弧段很短。從表3中可以看出，雖然3個(gè)試件的延性系數(shù)相差很大，但剪力墻的極限位移相差不大，即剪力墻的平面外極限變形能力相差不大。

3 極限狀態(tài)及受彎承載力的計(jì)算

為研究破壞時(shí)構(gòu)件受壓區(qū)混凝土的壓應(yīng)力情況，將探索墻體平面外抗彎承載力的計(jì)算方法。

平面外抗彎的剪力墻，在受拉鋼筋屈服以后，彎曲裂縫會(huì)迅速延伸，截面受壓區(qū)高度迅速減小，在后續(xù)變形過(guò)程中，鋼筋的應(yīng)力幾乎保持不變，截面受壓區(qū)高度的略有減小，截面的彎矩略有增加，撓度增長(zhǎng)很快，形成以受壓區(qū)混凝土為圓心的塑性鉸。以受壓區(qū)鋼筋和受拉區(qū)鋼筋之間的距離為內(nèi)力臂，分別計(jì)算受拉區(qū)鋼筋屈服時(shí)的屈服抗彎承載力和受拉鋼筋斷裂時(shí)剪力墻的極限抗彎承載力，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果見表4和表5。

從表4和表5可以看出，鋼筋屈服時(shí)，彎矩計(jì)算值大于彎矩試驗(yàn)值，說(shuō)明內(nèi)力臂取值偏大，此時(shí)受壓區(qū)混凝土合力的作用點(diǎn)應(yīng)低于受壓鋼筋；鋼筋斷裂時(shí)，彎矩計(jì)算值均小于彎矩試驗(yàn)值，說(shuō)明此時(shí)內(nèi)力臂取值偏小，此時(shí)受壓區(qū)混凝土合力的作用點(diǎn)應(yīng)高于受壓鋼筋。

為方便應(yīng)用,引入了塑性鉸系數(shù)β，構(gòu)造剪力墻平面外受彎承載力的表達(dá)式為：

My=fyAs(h0-βya′s)

(2)

Mu=fuAs(h0-βua′s)

(3)

式中：My表示構(gòu)件的屈服受彎承載力，Mu表示構(gòu)件的極限受彎承載力，fy表示受拉鋼筋的屈服強(qiáng)度，fu表示受拉鋼筋的極限強(qiáng)度，a′s表示受壓鋼筋合力點(diǎn)到受壓區(qū)邊緣的距離，βy為受拉鋼筋屈服時(shí)塑性鉸系數(shù)，βu為受拉鋼筋斷裂時(shí)塑性鉸系數(shù)，As為受拉鋼筋面積，h0為截面有效高度。

根據(jù)表4及表5數(shù)據(jù)，對(duì)塑性鉸系數(shù)β進(jìn)行參數(shù)回歸，βy=1.38，βu=0.96。

4 結(jié)論

通過(guò)四片混凝土剪力墻試件的平面外受彎試驗(yàn)，對(duì)混凝土剪力墻平面外抗彎的破壞形態(tài)、承載及變形情況進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

1)剪力墻平面外破壞表現(xiàn)為受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫、鋼筋屈服，形成塑性鉸、鋼筋被拉斷4個(gè)過(guò)程。整個(gè)破壞過(guò)程既沒有出現(xiàn)少筋梁一裂就壞的特征，也沒有出現(xiàn)適筋梁受壓區(qū)混凝土被壓碎的特征。

2)剪力墻受彎配筋率小于最小配筋率的28%以內(nèi)時(shí)，平面外受彎開裂以后，承載力仍能提升37.5%以上，剪力墻的延性系數(shù)能夠達(dá)到9.33以上。

3)給出了該類型剪力墻的平面外抗彎的塑性鉸系數(shù)和承載力計(jì)算公式。