工字形、T形钢筋混凝土剪力墙抗震抗剪试验.pdf

第30卷 第3期重 庆 建 筑 大 学 学 报Vol. 30 No .3 2008年6月Journal of Chongqing Jianzhu UniversityJ un. 2008 工 字 形 、T形 钢 筋 混 凝 土 剪 力 墙 抗 震 抗 剪 试 验 3收稿日期2 23 作者简介 傅剑平(532) ,男,教授,博士,主要从事钢筋混凝土结构基本性能及抗震性能研究。(2)xy q。 傅剑平1, 汪锦林1 ,2, 白绍良1 (1.重庆大学 土木工程学院,重庆 400045 ;2.四川省建筑科学研究院,四川成都 610081) 摘要:鉴于带翼缘的剪力墙在我国高层建筑中占有极大的比重,而我国设计规范中的剪力墙抗震抗剪承 载力公式缺乏国内试验依据,国外已有试验结果又缺少有轴压力带翼缘剪力墙抗震抗剪试验的事实,介 绍了作者完成的尺寸较大的一个工字形截面和两个T形截面剪力墙试件的有轴压力的低周交变屈服 后抗剪性能试验的主要结果。文中还专门讨论了高长比大的高层建筑中的抗震剪力墙剪跨比不大的理 由;并以国内外已有的试验结果为依据对我国现行规范剪力墙抗震抗剪承载力公式进行了分析评价。 关键词:剪力墙;轴压力;抗震抗剪承载力 中图分类号:TU375 文献标志码:A 文章编号:100627329(2008)0320022205 The Seismic Shear Capacity of I2Shaped and T2Shaped Reinforced Concrete Structural Walls FU Jian2ping 1 ,WAN GJin2lin 1 ,2 ,BAI Shao2liang 1 (1. College of Civil Engineering , Chongqing University , Chongqing 400045 , P. R. China ; 2. Sichuan Institute of Building Researc , Chengdu 610081 , P. R. China) Abstract :There are numerous shear walls with flanges in the high2rise buildings in P. R. China. The shear strength formula for shear walls in Chinese design codes lacks experimental data , while test results in other nations lack aseismatic shear strength test results for shear walls with flanges under axial force. In this paper , we report low2cyclic reverse load test results of shear wall models with large dimensions , one shear wall having an I 2shaped cross2section and two with a T 2shaped cross2section. We discuss why the aseismatic shear walls of high2rise buildings with large height2 to2length ratios have small shear span ratios. We assess the reliability of the shear strength formulary in the Chinese codes for design of shear wall using the international shear wall test results. Key words :shear wall ;axial compressive force ;aseismic shear strength 1 概述 最早的素混凝土墙和弱分布筋混凝土墙虽然平面 内的刚度大,但因混凝土抗拉强度低,加之墙的高长比 不大,多属于 “矮墙”,在地震作用下很容易发生以较宽 交叉斜裂缝形式出现的剪切破坏,曾使人认为平面内 受力的墙属于抗震性能不好的 “脆性构件” 。随着最早 一批对配有一定数量水平及竖向分布筋的墙片在平面 内的低周往复抗剪性能试验的完成,开始认识到配筋 合理的剪力墙在抗震条件下能具有所需的抗剪能力, 特别是剪力墙的高长比增大后,已有可能把在平面内 承受地震作用的剪力墙设计成不会先期发生剪切破坏 的延性构件。随着设计经验和震害经验的积累,各国 地震工程界和结构设计界近年来已充分认识到剪力墙 在有抗震设防要求的多、 高层建筑中能发挥(a)提高 建筑结构的抗侧向刚度; (b)承担大部分水平地震作 用;(c)保证结构地震反应的延性特征等多项重要功 能,剪力墙结构、 框架2剪力墙结构、 框架2核心筒结构 (核心筒也是由剪力墙肢组成的)以及内筒2外框筒结 构成为我国钢筋混凝土高层建筑结构中的几种最常用 的结构形式 1 。 在近年来各国抗震剪力墙抗剪性能的研究中还形 成了以下两点重要共识: 1)按延性要求设计的墙肢,不排除其底部控制截 面在强震下进入屈服,因此剪力墙的抗震抗剪性能要求 应是使墙肢在纵筋屈服后的非弹性动力反应循环变形 :2007 101 :19E mail tmdwc u. edu. cn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 过程中的非弹性变形达到抗震所需的某个延性水准之 前不发生剪切失效。即在试验中应保持构件在纵筋未 屈服前不发生剪切失效,并研究在纵筋屈服后构件能把 抗剪能力维持到多大的非弹性变形水平。(曾有人提出 应使抗剪能力大于抗弯能力,即不允许构件在正截面完 全失效之前发生剪切破坏。但各国学术界占优势的看 法是,这一要求过严,因为从延性设计角度允许剪力墙 控制截面在强震下进入屈服后变形状态,但并不允许截 面达到正截面强度极限,因此抗剪能力只要能可靠地维 持到强震下预计的非弹性变形状态就已足够。) 图1 典型框架剪力墙结构平面布置及内力图 2)曾有人误以为高长比相当大的剪力墙肢中的剪 跨比肯定很大。但经分析实际工程中这类高长比很大 的剪力墙肢后发现情况并非如此。这是因为剪力墙在 抗震多、 高层建筑中多是以框架2剪力墙的组合形式或 是以联肢墙形式,或是这两者相结合的形式出现的。 在框架 剪力墙结构(包括框架2核心筒结构)中,单独 受力时具有剪切型侧向变形特征的框架在与单独受力 时具有弯曲型变形特征的剪力墙或具有弯2剪型变形 特征的联肢墙经各层平面内为无穷刚性的楼盖的连接 而共同工作后,中下部剪力墙会对框架侧向变形起强 烈制约作用,并承担相当大比例的层剪力,而顶部几层 则变为由框架对剪力墙的侧向变形起制约作用,框架 承担大部分层剪力(此时层剪力值已较小,故框架部分 承担的剪力并非过大)。在地震激励的非弹性动力反 应过程中,由框架对剪力墙的侧向变形起制约作用的 上部楼层数还会因高振型影响而增多。这是导致剪力 墙下部受一个方向弯矩作用的范围减小,下部楼层弯 矩变化梯度增大的第一个原因。在图1给出了文献 2 经非弹性动力反应分析求得的某24层框架2剪力 墙结构在相当于8度3区罕遇水准的 波输入下底部截面弯矩最大时刻、 剪力最大时刻的剪 力墙肢弯矩图和剪力图,从中可以看出弯矩反号的楼 层已在偏下部。另一方面,当剪力墙是以联肢墙的形 式出现时,由于水平地震作用所产生的倾覆力矩中相 当一部分是由墙肢轴力所构成的截面整体抗弯能力来 抵抗的,这使得墙肢本身抵抗的弯矩明显减小,但由墙 肢承担的水平剪力并未减小。这也是导致墙肢中广义 剪跨比偏小的另一个重要原因。因此,剪力墙抗震抗 剪试验中所用的剪跨比应是从由一定数量结构的非弹 性动力分析求得的真实弯矩和同时作用的剪力值计算 得到剪跨比后取用其中的常见剪跨比值。 2 构件设计 非弹性动力反应分析 2 表明,在框架剪力墙结构 中的剪力墙底部截面的广义剪跨比是在1. 41. 9 之间变化的,本文选用了剪跨比为1. 5的试验构件作 为研究对象。 本文试验研究工作得到了美国Texas大学S. L. Wood教授友好提供的她在美国ACI318规范分管抗 震剪力墙的工作中收集到的各国已有的抗震剪力墙抗 剪性能试验结果的数据库。从数据库中已完成的试验 看,虽有一部分带端柱的墙的试验,但真正带翼缘的墙 肢构件极少,一侧带翼缘的墙肢则各国从未有人做过 试验;而且大部分试验构件均未施加轴压力。考虑到 32第3期 傅剑平,等:工字形、T形钢筋混凝土剪力墙抗震抗剪试验 0.gEl Centro 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 我国实际工程中带翼缘墙占的比重很大,其中也不乏 一侧带翼缘的墙,且剪力墙均有轴力作用,故在已完成 的两个有轴压力的工字形截面墙肢抗震抗剪试验的基 础上,本文又完成了一个水平分布筋配筋率较高且轴 压比相对偏高的工字形截面墙肢以及两个T形截面 墙肢(均有轴压力,并且轴力加载点都位于试验构件的 截面形心,避免形成偏心受压)的低周交变加载试验。 试件尺寸如图2所示 3 。加载制度及加载装置如图 3、4所示。三个构件的试验用实际轴压比、 实测混凝 土强度、 翼缘分布钢筋以及腹板分布钢筋配筋率及构 件所用钢筋实测强度及弹性模量分别如表1和表2 所示。 图2 试验构件几何尺寸 表1 试验构件基本参数 构件 编号 轴 压比 fcu N/ mm2 端约束配筋率腹板配筋率 bv/ %fv/ %wh/ %wv/ % W240. 18027. 44. 20. 590. 920. 46 W250. 134244. 20. 760. 4340. 46 W260. 178224. 20. 760. 370. 46 注: 1)混凝土的fcu取为一组3个与试件同条件养护并在试验 前一天测得的150 mm立方体试块抗压强度的平均值, 取fc= 0. 76fcu;ft= 0. 26(fcu)2/ 3。 2)表中fv和bv分别为翼缘水平分布筋和端约束纵筋配筋 率,wh和wv分别为腹板水平分布筋和竖向分布筋配 筋率 。 表2 钢筋实测材性 构件 名称 钢筋 类别 屈服强度 N/ mm2 弹性模量 105N/ mm2 W24 12 6. 5 327 322 2. 09 2. 06 W25 12 6. 5 389 331 2 2 W26 12 6. 5 320 330 1. 9 1. 95 需要说明的是由实际施加的轴力N除以构件水 平截面面积(包括翼缘)和混凝土实测fc(取等于实测 各构件f的6倍)而得的试验轴压比大约相当于 规范规定的用设计值求得的轴压比的55倍左 右。这一点已得到 建筑抗震设计规范 和 混凝土结 图3 水平荷载加载制度 图4 试验装置 构设计规范 认可。翼缘与腹板交接区的端约束按规 范GB50010中对约束边缘构件的要求设置,但为了能 达到相对较高的剪压比,边缘构件中纵向抗弯钢筋配 筋率取值高于边缘构件中纵筋最小配筋率。 3 试验现象及分析 本文试验的三个构件都是先达到抗弯纵筋屈服, 随后构件达到最大承载能力,在达到一定的位移延性 后,最后发生剪切破坏并丧失承载能力。三个构件有 着相似的裂缝发展过程:首先出现水平弯曲裂缝,然后 在腹板中出现斜向裂缝;在反复荷载作用下,腹板被两 个方向的斜裂缝分割成菱形小块,整个构件形成明显 的桁架传力模型;一般是在位移达到2或者3倍屈服 位移的循环时,构件达到最大承载能力。由于构件轴 压比相对偏高,构件沿某些竖向分布钢筋出现了劈裂 裂缝。构件的剪切失效过程一般表现为首先在构件剪 压区出现呈水平分布的短斜裂缝,随着非弹性位移的 增大,短斜裂缝分布区域混凝土出现掉皮,进而剪压区 混凝土被剪碎,承载能力猛然降低。由于高轴力的存 在,自剪压区向受拉翼缘方向,在剪碎区域高度,构件 腹板被连续压溃,导致构件最终破坏(T形截面构件都 是在无翼缘一侧受压的受力状态破坏的)。在裂缝发 42重 庆 建 筑 大 学 学 报 第30卷 cu0. 7 0. 40. 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 展过程中,工字形截面构件W24裂缝发展对称;而T 形截面构件W5、W26因为无翼缘一侧的受拉比较充 分,斜裂缝开展范围较有翼缘一侧广,使得T形截面 构件的裂缝在两个方向荷载作用下发展不对称。三个 构件的破坏状态如图5(a)、(b)、(c)所示。 图5 试验构件最终破坏状况 由于三个构件的腹板水平钢筋配筋量、 混凝土强 度、 试验轴压比等各个方面的不同,造成了最终破坏时 达到的位移延性、 破坏过程都略有不同。工字形截面 W24的水平钢筋配筋率相对最高,混凝土强度最高,其 抗剪能力最强,最后发生剪切破坏时达到的位移延性 最大,试验位移延性系数超过了6. 0。而T形截面构 件W25、W26与W24相比,除了水平钢筋配筋率和混 凝土强度较低以外,还因为有一侧没有翼缘,构件在无 翼缘一侧的平面外的稳定性有所降低,在裂缝发展比 较充分的情况下,构件出现了一定的平面外弯曲,则可 能造成剪压区一面的压应力比另一面的大很多,导致 构件的抗震抗剪能力大打折扣。由于W24的水平钢 筋配筋量相对较高,在达到最大承载能力的斜裂缝宽 度约0.6 mm ,比W25、W26的23 mm要小得多。 工字形截面构件W24 ,因为整体刚度比较大,所以 在加载初期2曲线如图6 ( )所示,都基本上贴着 轴上升直到出现裂缝,切线刚度才出现明显降低。另 两个T形截面构件W25和W26刚度要比工字形截面 构件都低,屈服位移比后者大。与本学科点之前所试 验的两个工字型截面构件(W21及W22)对比也能得出 相同的结论。前2个构件,即构件W24和W25的P2 曲线都比较饱满,没有出现明显的捏缩,具有比较好的 延性能力和耗能能力(其中构件W25的位移延性达到 了4.0)。构件W26因竖向作动器在构件反复位移过 程中出现向一侧出平面方向偏斜,导致构件顶部水平 位移传感器测得的沿一个方向的数据出现异常,而使 随后的测试无法正常记录。在图6(b)中第一象限中 的滞回曲线是有效的,第三象限的滞回曲线有一定失 真。构件W25和W26由于截面的非对称性导致两个 方向的屈服荷载、 屈服位移和极限荷载、 极限位移都不 同,致使整个滞洄曲线在一、 三象限都呈不对称现象。 图6 试验构件的P2滞回曲线 4 抗剪能力对比 现利用由Wood教授提供的上世纪50年代到90 年代世界各国所作的剪力墙抗剪试验数据及本文所属 研究项目完成的共计5个试验数据对我国 混凝土结 构设计规范 中剪力墙抗震抗剪承载能力计算公式 Vc 1 -0.5 0.4f1bh0+0.1N Aw A +0.8fyv Ash S h0 作计算值与试验值的对比 5 ,结果如图所示。 从图可以看出,绝大部分构件实际与理论抗剪 能力比V xV3都在以上,少量VxV3值在 52第3期 傅剑平,等:工字形、T形钢筋混凝土剪力墙抗震抗剪试验 PaP 2 7 7 ma/1. 0ma/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1. 0以下的构件因为没有得到具体的文献资料,其试验 抗剪能力偏低的原因不得而知。但从数据中可以看出 水平分布钢筋配筋率在0. 8 %以上的试验构件,反映 到上图中,其纵轴数值都在1. 0附近;而且所有纵轴数 值小于1. 0的试验构件都包括在水平分布钢筋配筋率 超过0.8 %的这些构件中,而且这些试验构件绝大多 数都没有施加竖向力。所以可以推测这些Vmax/V3在 1. 0附近甚至低于1. 0的试验构件,最终破坏可能都 是在墙底部未发生常见形式的剪切破坏之前沿弯曲裂 缝形成了往复剪切错动或者是发生了弯曲破坏,致使 构件的抗剪强度未能充分发挥。这或许也可以从另外 一方面说明我国规范抗震抗剪公式在水平钢筋配筋率 超过某个水平时对水平分布钢筋抗剪作用的估计有可 能略 偏 大。从 图7的 总 体趋 势 上 看,中 国 规范 G B50010给出的剪力墙抗震抗剪承载能力公式是偏 安全的。 图7 剪力墙实际与理论抗剪能力比 Vmax/V3与剪跨比之间的关系 5 结论 通过对本文三个高长比为1. 5 ,以及本学科点此 前所做的2个高长比为1. 0的剪力墙构件试验 4 的试 验结果可以看出,经过良好设计的延性剪力墙完全能 够在纵筋屈服后达到比较好的延性能力和耗能性能。 这类构件试验中的关键在于比较准确地估计截面的抗 剪能力,使截面的抗剪能力处于截面的抗弯屈服和极 限抗弯能力之间(甚至可以超过极限抗弯能力,但这样 就不能完全发挥墙片的抗剪能力),在达到需要的非弹 性变形时仍具有相当的承载能力。通过对几个构件的 比较,可以得到以下几点启示 4 - 6 : 1)试验构件中,高长比为1. 0的构件在加载过程 中首先出现剪切斜裂缝,而且发展快;高长比为1. 5的 试验构件首先出现弯曲裂缝,然后才是斜裂缝,在试验 过程中弯曲变形占了相对较大的比重。可以看出,高 长比为1.0的构件的剪切效应比高长比为1. 5的构件 明显 4 6 。另一方面,W - 6的剪切效应比W - 5明显 (W - 5的抗剪能力相对抗弯能力要比W - 6强);综 合起来看,构件的剪切效应是否明显,取决于构件抗剪 能力相对于抗弯能力的大小。 2)T形截面剪力墙的抗震抗剪性能远不如工字形 截面剪力墙。原因在于T形截面剪力墙在无翼缘一 侧受压时,其无翼缘一侧的受力状态、 平面外稳定性无 异于矩形截面剪力墙。 3)所完成的5个构件的试验结果表明,轴压比对 剪力墙的抗震抗剪能力有一定的积极作用。所完成的 轴压比N等于0. 1340. 20 的五个构件,除W26受 试验技术干扰外,其余四个构件都表现出了比较好的 延性能力和耗能能力。这初步表明对于工字形和T 形截面剪力墙可以在抗震抗剪公式中使用与矩形截面 相同的轴力项。 参考文献: 1 傅剑平,都洪钢,白绍良. T形截面短肢墙梁中间节点抗 震性能试验研究J .重庆建筑大学学报,2007 ,29 (6) : 25230. FUJian2ping ,DUHo ng2gang ,BA IShao2liang. Experimental research o n seismic behabior ofT2Shaped sho rt pier wall interior joint under cyclic loading J . Journal of Chongqing Jianzhu University ,2007 ,29(6): 25230. 2 陈文科.基于非线性动力分析的八度区一级框 剪和 框 筒结构抗震规定研究D.重庆:重庆大学,2007 . 3 GB 5001022002 ,混凝土结构设计规范S. 4 吴雁江.工字形截面钢筋混凝土墙抗震抗剪性能试验研 究D.重庆:重庆大学,2002. 5 汪锦林.钢筋混凝土剪力墙抗震抗剪性能试验研究D . 重庆:重庆大学,2007. 6 傅剑平,吴雁江,皮天祥,等.工字形截面延性剪力墙肢抗 震抗剪性能试验J .重庆大学学报,2004 ,27(12) :52255. FU Jian2ping ,WuYan2jiang ,PITian2xiang , etal. Experimental research o n seismic shear capacity ofI2 Shape ductile reinforced co ncrete structural walls J . Journal of Chongqing University ,2004 ,27(12):52255. (编辑 陈 蓉) 62重 庆 建 筑 大 学 学 报 第30卷 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m