小剪跨比單鋼板-混凝土組合剪力墻承載力研究

武 豪

(山西鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程系，山西 太原 030002)

0 前 言

隨著單鋼板-混凝土組合剪力墻(簡(jiǎn)稱SSPC剪力墻)工程運(yùn)用日趨廣泛[1]，許多國家編制了包含驗(yàn)算公式在內(nèi)的SSPC剪力墻設(shè)計(jì)規(guī)程，為這一新型結(jié)構(gòu)的工程運(yùn)用提供參照依據(jù)。其中較為典型的有俄國勁性混凝土規(guī)程、美國ACI與AISC-LRFD、歐洲EUROCODE4、日本建筑學(xué)會(huì)(AIJ)規(guī)程及我國的《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[2](以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)、《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(YB 9082—2006)[3](以下簡(jiǎn)稱《鋼規(guī)》)以及《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 138—2001)[4](以下簡(jiǎn)稱《型規(guī)》)等。

《高規(guī)》基于RC剪力墻的抗剪能力驗(yàn)算方法，通過疊加作為邊緣構(gòu)件的兩側(cè)型鋼以及內(nèi)嵌鋼板的抗剪貢獻(xiàn)，得出了偏心受壓下單鋼板內(nèi)嵌式組合剪力墻的抗剪承載力驗(yàn)算公式。然而，該方法基于組合剪力墻的彎曲破壞得出，并不適合低剪跨比時(shí)以剪切破壞為主的組合剪力墻承載力驗(yàn)算?！朵撘?guī)》借鑒了AIJ提出的驗(yàn)算方法，運(yùn)用“改進(jìn)簡(jiǎn)單疊加法”進(jìn)行理論分析和力學(xué)模型建立；《型規(guī)》給出的驗(yàn)算公式理論依據(jù)更為充分，但驗(yàn)算公式表述得較為復(fù)雜，且低剪跨比下的計(jì)算準(zhǔn)確度不高。

現(xiàn)行規(guī)范多是依據(jù)“強(qiáng)剪弱彎”準(zhǔn)則，以SSPC剪力墻產(chǎn)生彎曲破壞或彎剪破壞來進(jìn)行承載力驗(yàn)算，而令其發(fā)生純剪切破壞研究較少。對(duì)低剪跨比下的SSPC剪力墻進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，均將剪跨比帶為固定數(shù)值，未充分考慮剪跨比改變對(duì)墻體抗剪能力的影響。

本文基于武豪完成的若干組低剪跨比內(nèi)嵌式SSPC剪力墻的數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)現(xiàn)行《高規(guī)》與《型規(guī)》中的計(jì)算公式進(jìn)行比較驗(yàn)算，并運(yùn)用疊加法與系數(shù)調(diào)整法進(jìn)行修正，提出低剪跨比下SSPC剪力墻抗剪能力驗(yàn)算公式。以期為組合剪力墻的深入研究與工程運(yùn)用提供參考建議[5-6]。

1 現(xiàn)行計(jì)算公式在低剪跨比下的運(yùn)算分析

1.1 現(xiàn)行SSPC剪力墻抗剪能力驗(yàn)算公式

當(dāng)前對(duì)于內(nèi)嵌式SSPC剪力墻抗剪能力驗(yàn)算公式，多是運(yùn)用半理論半經(jīng)驗(yàn)的疊加法，對(duì)各抗剪構(gòu)件提供的貢獻(xiàn)進(jìn)行組合。

1)《高規(guī)》規(guī)定的計(jì)算公式?！陡咭?guī)》規(guī)定的SSPC剪力墻受剪能力驗(yàn)算見式(1)，各參數(shù)含義見表1。當(dāng)剪跨比λ<1.5時(shí)，取λ=1.5；當(dāng)λ>2.2時(shí)，取λ=2.2；若墻體兩端邊緣構(gòu)件橫截面不同時(shí)，Aal取面積更小一側(cè)。

式(1)疊加了鋼筋混凝土、內(nèi)嵌鋼板與型鋼邊緣構(gòu)件共3方面的抗剪能力，其中第1項(xiàng)與鋼筋混凝土剪力墻計(jì)算方法相同。

2)呂西林等基于《型規(guī)》修正后的計(jì)算公式。呂西林等進(jìn)行了幾組SSPC剪力墻往復(fù)試驗(yàn)[7-8]，基于《型規(guī)》提出了SSPC剪力墻的抗剪能力驗(yàn)算式(2)。其中各參數(shù)說明見表1，剪跨比與Aal取值同式(1)。

(2)

與式(1)相比，式(2)同樣對(duì)各抗剪部分進(jìn)行疊加，但用混凝土的fc取代了ft，來計(jì)算RC部分的抗剪能力，各部分所選用的參數(shù)均有差異。

1.2 低剪跨比下現(xiàn)有公式的計(jì)算分析

將武豪[9]進(jìn)行的6組組合剪力墻的試驗(yàn)結(jié)果與按照式(1)與式(2)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2，結(jié)果分布情況如圖1。其中W-1與W-2剪跨比為0.75，W-3與W-4剪跨比為1.00，W-5與W-6剪跨比為1.25；W-1、W-3與W-5內(nèi)嵌鋼板厚度為4 mm，W-2、W-4與W-6內(nèi)嵌鋼板厚度為8 mm。在驗(yàn)算時(shí)分別帶入規(guī)程中規(guī)定的剪跨比(即小于1.5時(shí)均取為1.5)與真實(shí)剪跨比，4個(gè)計(jì)算式中實(shí)際抗力與計(jì)算抗力比值的均值依次為0.98、0.64、1.14、0.89，比值離散系數(shù)平均值依次為0.24、0.04、0.34、0.14。

表2 SSPC剪力墻抗剪能力計(jì)算公式比較

圖1 計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比

分析可知，式(1)(規(guī)程剪跨比)的運(yùn)算與試驗(yàn)所得相比差別不大，但由于采用規(guī)程剪跨比，在λ較小時(shí)運(yùn)算結(jié)果過小，但隨著λ增大，驗(yàn)算抗力遠(yuǎn)高于試驗(yàn)所得，運(yùn)算結(jié)果較為不安全。式(1)(真實(shí)剪跨比)為實(shí)際剪跨比帶入，更好反映出抗力隨剪跨比的改變規(guī)律，離散系數(shù)較小，但各個(gè)剪跨比均安全儲(chǔ)備不夠，差值較大。式(2)與式(1)相比發(fā)展規(guī)律相似，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為接近，說明在小剪跨比下，《型規(guī)》計(jì)算精度略優(yōu)于《高規(guī)》。

綜合上述兩類公式可知，規(guī)程驗(yàn)算式在小剪跨比下，都在λ較小時(shí)運(yùn)算結(jié)果過于保守，而λ較大時(shí)，計(jì)算結(jié)果數(shù)值遠(yuǎn)超過真實(shí)抗力，安全儲(chǔ)備不夠。因此，有必要根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)規(guī)程驗(yàn)算式進(jìn)行修正，得出適用于低剪跨比下SSPC剪力墻的抗力的驗(yàn)算方法。

2 SSPC剪力墻抗剪能力驗(yàn)算式的修正

內(nèi)嵌式SSPC剪力墻的抗剪能力V由3部分組成，依次是RC提供的Vh、型鋼構(gòu)件提供的Vb以及內(nèi)嵌鋼板提供的Vg。可將小剪跨比下SSPC剪力墻的抗剪承載力扣除掉Vh以及Vb，反算出Vg部分更為準(zhǔn)確的表達(dá)式。

2.1 基于《高規(guī)》的修正

《高規(guī)》7.2.10規(guī)定了RC剪力墻斜截面抗剪能力的驗(yàn)算方法，見式(3)。邊緣構(gòu)件對(duì)SSPC剪力墻抗剪能力的貢獻(xiàn)依據(jù)第11.4.13條，見式(4)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)均無軸力N作用，故對(duì)軸力部分不進(jìn)行修正。在運(yùn)算中帶入規(guī)程規(guī)定的剪跨比1.5，并用實(shí)際抗力扣除Vh與Vb，得到內(nèi)嵌鋼板貢獻(xiàn)的Vg?；谑?1)形式擬合得到的計(jì)算式見式(5)。

(3)

(4)

(5)

由此，內(nèi)嵌式SSPC剪力墻的驗(yàn)算見式(6)；而剪跨比低于1.5時(shí)，帶入λ=1.5，式(6)可簡(jiǎn)化為式(7)。

(6)

(7)

特別地，若λ≤1.0，考慮到帶入實(shí)際剪跨比會(huì)使得驗(yàn)算結(jié)果過于保守，因此，運(yùn)用W-1～W-4實(shí)際剪跨比得鋼板部分承擔(dān)的剪力Vg如式(8)，此時(shí)組合剪力墻驗(yàn)算如式(9)。

(8)

(9)

2.2 基于《型規(guī)》的修正

《型規(guī)》8.1.4為關(guān)于配有邊緣構(gòu)件的RC剪力墻斜截面抗剪能力驗(yàn)算方法，其中RC部分見式(10)，邊緣構(gòu)件部分見式(11)。與上述方法相同，對(duì)軸力部分不予修正，用實(shí)際抗力扣除Vh與Vb，得到Vg的數(shù)值。帶入λ=1.5，根據(jù)式(2)擬合得出鋼板部分的表達(dá)式見式(12)。

(10)

(11)

(12)

由此，內(nèi)嵌式SSPC剪力墻抗剪能力的表達(dá)式見式(13)。若剪跨比低于1.5，帶入λ=1.5，式(13)可簡(jiǎn)化為式(14)。

(13)

(14)

特別地，若λ≤1.0時(shí)，考慮到帶入實(shí)際剪跨比會(huì)使得驗(yàn)算結(jié)果過于保守，因此，運(yùn)用W-1～W-4實(shí)際剪跨比得鋼板部分承擔(dān)的剪力Vg如式(15)，此時(shí)組合剪力墻驗(yàn)算如式(16)。

(15)

(16)

2.3 修正公式的計(jì)算結(jié)果比較

將6組實(shí)際抗力帶入以上所得的SSPC剪力墻抗剪能力計(jì)算公式，進(jìn)行比較見表3，分布情況見圖2。由表3可知，實(shí)際抗力與計(jì)算抗力比值的均值依次為1.09、1.05、1.09、1.06，比值離散系數(shù)平均值依次為0.18、0.11、0.19、0.12。修正后的公式與試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值更加接近，變化趨勢(shì)也更為符合；根據(jù)圖2可知，和修正前相比，修正后的運(yùn)算數(shù)值偏移等值線情況更為均勻。由此說明修正后的運(yùn)算公式能夠更好地驗(yàn)算低剪跨比下單鋼板內(nèi)嵌式SSPC剪力墻的抗剪能力。

表3 SSPC剪力墻抗剪承載力計(jì)算公式比較

圖2 修正公式值與試驗(yàn)值的對(duì)比圖

3 結(jié) 論

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和《高規(guī)》及《型規(guī)》中的運(yùn)算公式，運(yùn)用數(shù)據(jù)擬合法調(diào)整系數(shù)，得出低剪跨比下鋼板部分的抗剪貢獻(xiàn)，再用疊加法得出修正后的內(nèi)嵌式SSPC剪力墻抗剪能力驗(yàn)算式。經(jīng)驗(yàn)算表明，修正后的驗(yàn)算公式與試驗(yàn)結(jié)果更為接近，能夠更準(zhǔn)確描述低剪跨比下以剪切破壞為主的組合剪力墻試件的承載能力。

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