新型鋼管混凝土端柱-帶鋼斜撐混凝土剪力墻設(shè)計方法研究*

王鑫鑫, 于東暉, 伍 敏, 王 龍

(1 北京市建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100045；2 北京交通大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100044；3 中國國際工程咨詢有限公司，北京 100048)

1 項目概況

國家會議中心二期項目占地面積約9.3萬m2,總建筑面積約41.9萬m2,地下兩層、地上三層。主要建筑功能為會展中心及配套附屬設(shè)施。為滿足大型會展,大、中、小型會帶展,高端政務(wù)、峰會這三大核心功能,同時最大限度地提高建筑整體空間使用效率、優(yōu)化人流及貨物運輸、降低運維管理成本,采用了將大跨會展功能區(qū)置于多層建筑底部的功能排布方案,在建筑首層設(shè)置72m×108m大會議廳、81m×234m大展覽廳,形成了大跨多層疊合布置的結(jié)構(gòu)體系[1]。在結(jié)構(gòu)底部設(shè)置轉(zhuǎn)換桁架承托上部樓層,采用了一種新型鋼管混凝土端柱-帶鋼斜撐混凝土剪力墻作為轉(zhuǎn)換桁架支承構(gòu)件及主要抗側(cè)力構(gòu)件[2],項目典型結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。

圖1 豎向疊層轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系典型軸測圖

為了方便與最大寬度為1.5m的轉(zhuǎn)換桁架箱形弦桿連接,帶鋼斜撐混凝土剪力墻采用了少見的鋼管混凝土端柱;為有效約束轉(zhuǎn)換桁架端彎矩,剪力墻中的鋼管混凝土端柱、鋼斜撐和鋼暗梁含鋼率均較大,遠(yuǎn)超整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)力需求;為滿足建筑功能,鋼斜撐均為單向設(shè)置,以上三點使得項目采用的剪力墻明顯區(qū)別于以往類似試驗研究及工程實踐,形成了一種新型的大含鋼率的組合構(gòu)件,即鋼管混凝土端柱-帶鋼斜撐混凝土剪力墻[2]。

目前現(xiàn)行規(guī)范缺乏對端柱采用鋼管混凝土形式的帶鋼斜撐混凝土剪力墻設(shè)計的相關(guān)規(guī)定;既有的組合剪力墻設(shè)計規(guī)定中也未考慮大含鋼率、鋼斜撐布置形式、剪力墻洞口削弱等影響因素對組合剪力墻受力性能的影響;既有工程實踐中的組合剪力墻應(yīng)用主要集中在控制墻體受剪截面方面;國內(nèi)組合剪力墻相關(guān)研究主要集中在型鋼端柱與鋼板組合墻、帶鋼斜撐混凝土剪力墻[3-4],鋼管混凝土端柱與鋼板剪力墻的組合形式[5-7];對于本工程采用的大含鋼率、鋼管混凝土端柱-帶鋼斜撐(尤其是僅單向布置鋼斜撐的情況)混凝土剪力墻的受力性能、設(shè)計方法以及構(gòu)造措施等都有必要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

2 試驗研究

2.1 試件設(shè)計

為保證工程安全,針對項目中采用的高含鋼率新型鋼管混凝土端柱-帶鋼斜撐混凝土剪力墻,進(jìn)行了縮尺構(gòu)件擬靜力試驗研究。設(shè)計并制作了1∶6縮尺鋼管混凝土端柱-帶單向鋼斜撐混凝土剪力墻試件Q1,并根據(jù)斜撐軸向剛度等效原則,設(shè)置了鋼管混凝土端柱-帶雙向鋼斜撐混凝土剪力墻試件Q2以及一般鋼筋混凝土端柱-混凝土剪力墻對照試件Q3,依據(jù)《建筑抗震試驗規(guī)程》(JGJ/T 101—2015)[8],進(jìn)行了低周往復(fù)加載擬靜力試驗。

試件Q1～Q3墻厚166mm,墻長1 750mm,端柱截面250mm×250mm。試件Q1、Q2截面設(shè)計如圖2所示,試件Q3截面尺寸同試件Q1、Q2,試件參數(shù)如表1所示。試件所用鋼材為Q355B,鋼筋為HRB400級,混凝土強度等級為C50,三組試件墻身水平分布筋均為10@110(雙排),墻身豎向分布筋均為10@150(雙排)。

表1 試件型鋼設(shè)置及配筋參數(shù)

圖2 試件截面設(shè)計

2.2 加載制度

試驗采用低周往復(fù)擬靜力加載方式開展,采用分級加載制度。試驗時首先施加豎向荷載500kN,保持軸壓力穩(wěn)定,然后進(jìn)行水平低周反復(fù)加載。采用位移指標(biāo)控制水平荷載加載進(jìn)程,當(dāng)位移角達(dá)到1/50后結(jié)束;當(dāng)滯回曲線出現(xiàn)明顯拐點時,認(rèn)定試件屈服;屈服前試件在彈性階段按照每級荷載循環(huán)2次;直到加載至試件不能維持施加的軸壓力或水平力下降到峰值水平力的85%以下時,停止試驗。

2.3 試驗結(jié)果

試件Q1加載至位移s=7.5mm時,墻體上部出現(xiàn)數(shù)條彎剪斜裂縫,加載至s=10mm時,墻體與端柱連接處產(chǎn)生斜向裂縫,墻體斜裂縫向下延伸,并且在墻體中部交匯。隨著繼續(xù)加載,鋼橫梁首先屈服,隨后鋼斜撐屈服,墻身混凝土外鼓剝落,鋼管混凝土端柱與墻身混凝土交界處混凝土逐步壓酥。加載至s=40mm時,達(dá)到極限荷載3 143kN,鋼管混凝土端柱與混凝土底座交界處出現(xiàn)明顯裂縫,左側(cè)端柱一側(cè)達(dá)到屈服應(yīng)變,右側(cè)端柱未屈服。試件最終破壞形態(tài)為剪切破壞,單向鋼斜撐和水平鋼橫梁處混凝土外鼓剝落,墻體混凝土裂縫分布如圖3(a)所示。

圖3 試件破壞形態(tài)

試件Q2加載前期裂縫開展情況與試件Q1基本一致。隨著繼續(xù)加載,受拉鋼斜撐及受拉端柱首先屈服,隨后受壓鋼斜撐及受壓端柱屈服。當(dāng)加載至s=40mm時,達(dá)到極限荷載3 197kN,鋼橫梁屈服,鋼橫梁處混凝土剝落。試件最終破壞形態(tài)為剪切破壞,端柱、鋼暗梁及鋼斜撐均屈服,墻體混凝土裂縫分布如圖3(b)所示。

對照試件Q3端柱鋼筋拉、壓均達(dá)到極限應(yīng)變,端柱混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變并伴隨大面積壓潰,試件最終破壞形態(tài)為彎曲型破壞。墻體混凝土裂縫分布如圖3(c)所示。三組試件骨架曲線如圖4所示。

圖4 試件Q1～Q3試件骨架曲線

與對照試件Q3相比,試件Q1、Q2的水平承載力均顯著提高;由于含鋼率較高,試件Q1、Q2的剛度明顯提高,說明型鋼與混凝土組合作用明顯,有利于實現(xiàn)工程中加強底部轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的目標(biāo),避免形成軟弱層,對于高含鋼率情況,在整體計算中應(yīng)考慮鋼斜撐對試件Q1、Q2剛度貢獻(xiàn);最終破壞形態(tài)下,試件Q1、Q2墻體裂縫較多,分布范圍較廣,幾乎布滿整個墻體,裂縫角度有向鋼橫梁及鋼斜撐布置方向靠攏的趨勢,主斜裂縫出現(xiàn)較晚且發(fā)展緩慢,說明了鋼斜撐的存在可以延緩裂縫的發(fā)展,避免水平貫通裂縫過早出現(xiàn);鋼管混凝土邊柱與混凝土墻體之間基本沒有出現(xiàn)滑移錯動現(xiàn)象;試件Q1與試件Q2,正向加載工況極限承載力相當(dāng),在反向加載工況下,試件Q1由于僅布置單向鋼斜撐,極限承載力有所降低。試件Q1骨架曲線呈現(xiàn)拉壓不對稱性,且僅單側(cè)端柱達(dá)到屈服,在設(shè)計中應(yīng)予以充分考慮,以保證承載安全。

3 鋼管混凝土端柱-帶鋼斜撐混凝土剪力墻設(shè)計方法

《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GJ 138—2016)[9](簡稱《組合規(guī)》)第9章、第11章分別對帶型鋼暗柱、型鋼端柱的型鋼混凝土剪力墻、型鋼暗柱與墻體內(nèi)藏鋼斜撐組成的帶鋼斜撐混凝土剪力墻的計算假定和分析方法及構(gòu)件設(shè)計做出了規(guī)定;《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 159∶2004)[10](簡稱《矩形鋼管規(guī)》)第8章中對采用矩形鋼管混凝土柱作為混凝土剪力墻邊框的帶框混凝土剪力墻的計算假定和設(shè)計方法作出了規(guī)定?，F(xiàn)行規(guī)范缺乏針對鋼管混凝土端柱-帶鋼斜撐混凝土剪力墻組合構(gòu)件的相關(guān)規(guī)定及設(shè)計方法。基于《組合規(guī)》及《矩形鋼管規(guī)》的計算假定和設(shè)計方法,結(jié)合試驗研究,提出了適用于本工程新型鋼管混凝土端柱-帶鋼斜撐剪力墻(簡稱新型組合剪力墻)的簡化設(shè)計方法。

3.1 基本計算假定

剛度計算假定:截面軸向及抗彎剛度考慮混凝土墻及鋼管混凝土端柱作用;截面抗剪剛度考慮鋼筋混凝土剪力墻、鋼管混凝土端柱、鋼斜撐作用。

本文介紹了PRB技術(shù)的反應(yīng)原理和結(jié)構(gòu)類型，著重介紹目前研究和應(yīng)用最多的以零價鐵(Fe0)為反應(yīng)介質(zhì)的Fe0-PRB技術(shù)在含鈾廢水處理方面的應(yīng)用，以期促進(jìn)Fe0-PRB在我國鈾尾礦庫區(qū)地下水污染原位處理的研究與應(yīng)用，為鈾尾礦地區(qū)地下水污染原位修復(fù)方法提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo).

構(gòu)件承載力計算假定:新型組合剪力墻整體彎矩由鋼管混凝土端柱中產(chǎn)生的軸向拉力和壓力承擔(dān),不考慮剪力墻的局部彎矩;水平剪力由混凝土墻、鋼斜撐及端柱型鋼共同承擔(dān);豎向荷載由鋼管混凝土端柱、混凝土墻按實際剛度分擔(dān)。

3.2 持久、短暫設(shè)計狀況下新型組合剪力墻構(gòu)件設(shè)計方法

選取標(biāo)準(zhǔn)計算單元,假定鋼管混凝土端柱、鋼斜撐均對稱布置,新型組合剪力墻構(gòu)件計算簡圖及幾何尺寸如圖5所示。

圖5 新型組合剪力墻計算簡圖

(1)根據(jù)《組合規(guī)》相關(guān)規(guī)定,推定偏心受壓新型組合剪力墻,正截面受壓承載力如下:

(1)

(2)

(2)根據(jù)《組合規(guī)》相關(guān)規(guī)定,結(jié)合試驗研究,推定新型組合剪力墻偏心受壓斜截面受剪承載力如下:

(3)

(4)

(3)抗剪截面控制條件:保留《組合規(guī)》中對墻肢混凝土截面部分剪壓比限值要求,根據(jù)試驗結(jié)果,增加新型組合剪力墻名義剪壓比限值。

Vcw≤0.25fcbwhw

(5)

雙向鋼斜撐名義剪壓比:

V≤0.4fcbwhw

(6)

單向鋼斜撐名義剪壓比:

V≤0.35fcbwhw

(7)

3.3 試驗數(shù)據(jù)擬合分析

采用3.2節(jié)所提出的修正系數(shù),根據(jù)試件材性試驗強度實測值,由承載力計算公式式(3)、式(4),截面控制條件式(6)、式(7)計算所得新型組合剪力墻受剪承載力極限值及其與試驗實測數(shù)據(jù)的對比如表2所示。

表2 新型組合剪力墻受剪承載力對比

由表2可見,既有《組合規(guī)》中充分考慮端柱型鋼及墻內(nèi)鋼斜撐對組合剪力墻抗剪承載力的貢獻(xiàn),僅控制墻體混凝土部分剪壓比的設(shè)計方法,對于本文所述的高含鋼率鋼管混凝土端柱-帶鋼斜撐混凝土組合墻構(gòu)件設(shè)計是偏于不安全的,需對高含鋼率端柱及斜撐構(gòu)件的抗剪承載力貢獻(xiàn)值予以折減,對于單向布置鋼斜撐的情況,應(yīng)考慮考慮拉壓不對稱性的不利影響,同時有必要對組合剪力墻名義剪壓比進(jìn)行控制。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合引入修正系數(shù)后,計算值與試驗數(shù)據(jù)吻合較好,可為本項目工程設(shè)計提供依據(jù)及驗證。對于不同含鋼率與修正系數(shù)及名義剪壓比限值的相關(guān)性,還需要進(jìn)一步試驗研究。

4 工程構(gòu)件設(shè)計

4.1 組合剪力墻截面選取及承載要求

圖6為國家會議中心二期項目新型組合剪力墻構(gòu)件立面圖,墻厚1m(C50),鋼管混凝土端柱截面□1 500×60(Q390GJ),墻內(nèi)鋼斜撐、鋼橫梁均采用橫放H形截面(Q345GJ、390GJ)。

圖6 新型組合剪力墻及其內(nèi)藏鋼支撐立面布置圖示

從上述新型組合剪力墻構(gòu)件布置及截面選取可見,鋼管混凝土端柱面積含鋼率達(dá)11.7%,墻內(nèi)鋼斜撐、鋼橫梁體積含鋼率達(dá)2.95%以上,這主要是由于本工程新型組合剪力墻除作為主體結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件外,同時也是轉(zhuǎn)換桁架支承構(gòu)件,鋼管混凝土端柱、內(nèi)部鋼斜撐、鋼橫梁的截面需要與轉(zhuǎn)換桁架桿件截面匹配,以提供有效約束剛度、保證結(jié)構(gòu)傳力可靠。

在地震作用下,端柱及墻身整體受彎參與抗側(cè),傾覆力矩占比約為80%。作為主要抗側(cè)力構(gòu)件,新型組合剪力墻需滿足大震抗剪不屈服的性能目標(biāo)要求。在多遇地震作用下,新型組合剪力墻整體受壓,最大剪力設(shè)計值約為12 000kN;在罕遇地震下,新型組合剪力墻整體受壓,最大剪力標(biāo)準(zhǔn)值約為35 000kN。

4.2 新型組合剪力墻構(gòu)件承載力驗算

根據(jù)本工程新型組合剪力墻設(shè)計情況(圖6),取轉(zhuǎn)換桁架以下(-0.15～14.2m)墻段進(jìn)行水平承載力復(fù)核。按新型組合剪力墻整體受彎承載力上限,即式(2),確定的水平承載力設(shè)計值為99 119kN,標(biāo)準(zhǔn)值為121 064kN;按試驗修正后的新型組合剪力墻抗剪承載力,即式(3)～式(7)確定的水平承載力設(shè)計值為48 443kN,標(biāo)準(zhǔn)值為56 232kN。由上述分析可見,新型組合剪力墻抗彎及水平承載力遠(yuǎn)大于多遇地震及罕遇地震性能目標(biāo)需求。

4.3 構(gòu)造與加強措施

新型組合剪力墻典型洞口補強構(gòu)造及現(xiàn)場照片如圖7、8所示。工程設(shè)計階段,對新型組合剪力墻采取了如下構(gòu)造加強措施:1)適當(dāng)加大墻身水平及豎向鋼筋配筋量;2)斜撐及暗梁采用橫放H形截面,腹板開混凝土流淌孔,以保證混凝土連續(xù),澆筑質(zhì)量可靠;3)根據(jù)性能目標(biāo)要求,結(jié)合剪力墻開洞情況,配置型鋼暗柱、型鋼暗梁,型鋼暗柱優(yōu)先上下層對位布置或設(shè)置搭接段,保證可靠傳力和錨固;4)避免同一截面開設(shè)多處洞口,盡量控制洞口上下對位等。

圖8 新型組合剪力墻內(nèi)鋼斜撐及補強型鋼暗柱現(xiàn)場照片

5 結(jié)語

本文針對國家會議中心二期項目采用的高含鋼率新型鋼管混凝土端柱-帶鋼斜撐混凝土剪力墻構(gòu)件進(jìn)行了縮尺模型擬靜力試驗研究。研究顯示,項目所用的新型鋼管混凝土端柱-帶鋼斜撐混凝土剪力墻具有良好的組合受力性能,承載力及剛度均大幅提高?，F(xiàn)行規(guī)范算法中型鋼、鋼管端柱對組合墻受剪承載力貢獻(xiàn)的算法,對端柱高含鋼率情況是不適用的,根據(jù)試驗結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范要求,提出了適用于本項目實際情況的組合剪力墻簡化設(shè)計方法及截面控制要求,在設(shè)計中有針對性的采取了構(gòu)造加強措施,保證組合剪力墻構(gòu)件設(shè)計安全可靠,滿足工程實際需求。

本項目采用的組合剪力墻試件主要基于大跨轉(zhuǎn)換的高承載力需求(而非高延性或整體抗側(cè)需求)進(jìn)行設(shè)計,這使得本項目組合剪力墻含鋼率較常規(guī)以抗側(cè)力需求為主的組合剪力墻高出很多;受限于建筑功能需求,組合剪力墻內(nèi)鋼斜撐只能沿單向布置。上述兩點,使得本項目組合剪力墻在工程設(shè)計中較為罕見,這也使得本文提出的組合剪力墻設(shè)計擬合公式具有一定局限性,作為本項目的設(shè)計驗證尚可,但用于擬合一般設(shè)計公式,其統(tǒng)計意義尚偏小。對于不同含鋼率與擬合參數(shù)及名義剪壓比限值的相關(guān)性,還需要進(jìn)一步試驗及理論研究。