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第 3 9卷第 6期 2 0 1 3年 1 2月 四川建筑科学研究 S i e h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 61 型钢混凝土剪力墙抗震性能研究 白晓红 ， 楚留声 ( 1 河南科技大学规划与建筑工程学院， 河南 洛阳4 7 1 0 0 3 ； 2 郑州大学土木工程学院， 河南 郑州4 5 0 0 0 2 ) 摘要： 型钢混凝土剪力墙是一种广泛应用于高层混合结构中的剪力墙形式。本文采用通用有限元程序 A D I N A， 以边缘构件含钢率为主要参数， 对不同剪跨比的几组剪力墙承载力和变形能力进行了分析 ， 并与考虑了剪力墙混 凝土等级 、 轴压比、 配筋率和边缘约束指标等参数影响的剪力墙性能进行 了比较研究。对混合结构中剪力墙抗震 性能的主要影响参数提出了设计建议。 关键词 ： 混合结构； 抗震性能； 型钢混凝土剪力墙 中图分类号： T U 3 9 8 文献标志码： B 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 61 6 1 0 4 0 引 言 在混合结构中， 钢筋 昆 凝土核心筒墙体的刚度 比外框架抗侧移刚度大得多 ， 其刚度大小对小震作 用下弹性阶段设计的结构侧移起控制作用， 而在中 震和大震的作用下， 因墙体刚度退化较快， 其变形能 力和破坏状态对整个结构的内力重分布和破坏模式 更是起着决定性的作用。目 前 ， 型钢混凝土框架一 钢 筋混凝土筒体混合结构已在我国的高烈度区应用， 但结构的抗震性能研究不充分， 设计依据不充足， 实 践 中可操作性不强 4 。 。为 了提高剪力墙的抗震性 能， 高层混合结构中常采用型钢混凝土剪力墙形式。 本文采用有限元程序 A D I N A对不同剪跨 比的 型钢混凝土剪力墙抗震性能进行 了分析 ， 并与考虑 了混凝土等级 、 轴压 比、 配筋率和边缘约束指标等不 同影响因素的剪力墙抗震性能进行了对比研究 。 1 模型参数设置 A D I N A使用分离式钢筋模型， 采用一种改进的 T R U S S单元模拟 。在 A D I N A生成求解文件时 ， 钢筋 的T R U S S 单元可由程序 自动生成。因此， 划分模型 单元时， 仅需对混凝土划分单元即可。钢筋的应力一 应变关系曲线选取理想弹塑性本构模型。混凝土峰 值应变取 0 0 0 2 ， 极 限压 应变 取 0 0 4 。计 算 采 用 F u l l N e w t o n 方法， 使用 L in e S e a r c h e s 方法辅助收敛。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 0 - 1 4 作者简介： 白晓红( 1 9 7 6一) ， 女， 河南洛阳人， 副教授， 博士， 主要从 事抗震加固及地基基础研究。 基金项目： 国家自然科学基金项目( 5 0 5 7 8 1 2 9 ) ； 河南科技大学博士 基金项 目( 0 9 0 0 1 3 5 2 ) E m a rl： b x h 9 9 1 6 3 C O 轴向压力以均布面压力的方式一次性施加于剪力墙 顶 面 。 由于计算能否收敛以及收敛精度对加载步长的 大小比较敏感 ， 经大量调试， 对每片墙仍采用三种位 移步长进行计算 ， 取收敛较好的曲线或平均值作为 最终计算结果。同位移 加载方式相对应 ， 选用位移 收敛准则 ， 求解误差极 限设为 0 0 1 。 对文献 5 试验中边缘约束构件为矩形的5片 剪力墙进行了模拟分析。限于篇幅， 图 1 仅给出了 一 个构件的荷载一 位移曲线 引。此构件极限承载力 的试验值和计算值分别为 2 2 1 k N和2 2 4 k N， 相对误 差 1 3 5 ， 且图中显示模 拟效果较好 ， 表 明采 用本 文 参数进行分析的适用性。 2 5 0 2 0 0 蚤 0 世1 0 0 醐 50 0 图 1 算例荷载一 位移 曲线 2型钢混凝土剪力墙分析 剪力墙截面尺寸见文献 6 。边缘约束构件 的 长度按文献 7 取为 4 5 0 m m。模型分析时按剪跨 比 A=1 、 2 、 3分为三组。 以剪力墙边缘构件含钢率来反映其对剪力墙承 载力和变形能力的影响。一般来讲， 含钢率太小时， 没有必要采用型钢混凝土构件， 同时， 根据 目 前我国 钢结构发展水平及型钢混凝土构件浇筑的可能性来 1 6 2 四川建筑科学研究 第 3 9卷 看 ， 型钢混凝土构件 的总含钢率不应大于 8 ， 而较 常用的含钢率为 4 左右。剪力墙 中约束构 件尺寸 相对于一般柱截面要小 ， 因此本文只研究 了边缘约 束构件的含钢率在常用含钢率附近变化时( 3 6 ) 对剪力墙的影响状况。 鉴于型钢混凝土剪力墙结构中， 型钢与混凝土 25 0 0 20 0 0 Z 5 00 禄 性l O O 0 醐 5 0 0 0 之间的连接面滑移 问题不是本文考虑 的主要 因素 ， 本文在对型钢混凝 土剪力墙的分析 中 ， 将边缘构件 中的型钢离散为钢筋进行处理， 模型轴压比为0 3 ， 混凝土为 C 4 0 ， 纵 向、 水 平 向分 布筋配筋 率分别 为 0 3 和 0 2 5 。图 2为边缘构件含钢率的变化对 荷载一 位移曲线影响情况。 0 5 l 0 1 5 2 0 0 1 0 20 3 O 4 0 5 0 顶点位移 mm 顶点位移 mm ( b ) 2 = 2 ( c ) = 3 图2 边缘构件含钢率对剪力墙荷载一 位移曲线的影响 从图 2可以看 出， 由于型钢混凝土剪力墙边缘 构件的含钢率比采用构造配筋边缘构件时的配筋率 大得多 ， 三组剪力墙的承载力均有大幅度的提高 ， 且 随着含钢率的逐渐增大稳步增长。在以“ 弯曲型” 破坏模式为主的高层混合结构的剪力墙中， 采用型 钢混凝土边缘构件 ( 或增 加边缘构件纵 向配筋率 ) 对于提高其承载力是非常有利 的。并且 ， 随着含钢 率的增加， 图2中各曲线呈现更加“ 丰满” 的趋势， 每组剪力墙的变形 能力也相应的增强 ， 极限位移角 随含钢率的增加都有不同程度的提高 。由文献 6 可以看出， 含钢率的提高对极限位移角的增幅 的影响随着剪跨比的增高略呈下降趋势， 这种趋势 在对剪力墙其他影响参数的分析 中也存在。为方便 对 比， 本文对剪力墙 的混凝土等级、 配筋率 、 边缘约 束程度等参数影响也进行 了分析， 基本构件( 与型 钢混凝土剪力墙边缘约束构件为构造配筋率时相 同) 的边缘构件按构造配筋设 置， 轴压 比为 0 3 ， 混 凝土为 C 4 0 ， 纵 向、 水 平 向分 布筋 的配筋 率分别 为 0 3 和 0 2 5 。分析每 个参数 的影 响时 ， 仅 考虑 所分析参数的变化 ， 其他参数同基本构件。 3 剪力墙抗震性能影响参数分析 对剪力墙抗震性能的其他影响参数也进行了类 似的分析， 限于篇幅， 本文仅给出剪跨比A= 3的各 组剪力墙 的荷载一 位移曲线 ， 如图 3所示。 从图3 ( a ) 中可以看出， 加载初期各构件的荷载 f 立 移曲线基本重合， 此阶段剪力墙受轴压比的影响 不大。随着轴压比的增大， 三组剪力墙后期的承载 力都有不同程度的提高， 曲线在达到极限荷载以后， 图 3 轴压比对剪力墙荷载一 位移曲线的影响 随着轴压比的增大， 剪力墙承载力下降的速率加快 ， 剪力墙极限变形能力下降。因而在加载后期 ， 随轴 压比的增大， 剪力墙承载力有较大的提高， 但增幅却 随轴压 比的增加呈渐缓趋势。例如轴压 比为 0 4时 的极限承载力相对于轴压比0 3时提高 1 2 ， 比剪 力墙轴压比从 0 1 增至 0 2时承载力增幅 3 5 小 了将近 3 倍。由于混合结构通常应用于高层或超高 层建筑， 结构中剪力墙的轴压比较大， 因而， 利用轴 压比的增大来提高剪力墙承载力的空间是有限的。 另外 ， 混合结构在地震作用下， 核心筒墙体较早的进 入弹塑性阶段， 且剪力墙较好的塑性变形阶段是子 结构之间能够进行水平剪力重分布的条件， 而高轴 压比对于剪力墙的变形能力是不利的。从协同工作 的意义上来讲， 混合结构中对剪力墙变形能力的要 白晓红， 等 ： 型钢混凝土剪力墙抗震性能研究 l 6 3 求要高于对承载能力的要求， 因此， 混合结构中轴压 比大小需要严格控制 。 由图 3 ( b ) 看出， 混凝土等级较高的剪力墙从加 载开始到达到极限承载力的整个过程中都表现出了 较好的承载能力 。因此 ， 采用较高强度 的混凝土对 于提高墙体开裂荷载 、 屈服荷载等弹性 阶段的结构 性能是有利的。曲线进入下降段后， 混凝土等级高 的墙体强度下降较快， 混凝土等级相对较低的墙体 的下降段曲线更加平缓， 表现出较好的变形能力。 但从实际结构能利用的变形能力( 按其定义， 取开 始下降到极限荷载 8 5 时对应 的位移 角为极限位 移角) 来看 ， 混凝 土强 度提高对极 限位 移角的减小 程度影响很小， 剪跨比较大时更加明显( 本文计算 中A= 3 时的剪力墙极限位移角随混凝土强度等级 提高而减小的幅度最大仅为4 ) 。由此可以看出， 混凝土强度等级的变化对高层混合结构提供可利用 的变形能力空间所产生的作用是微不足道的。 综合混凝土强度等级对剪力墙承载力和变形能 力 的影响来看 ， 在高层结构 中采用较高 的混凝土强 度是合适的。并且 ， 当构件的竖向荷载一定时， 采用 强度较高 的混凝 土能有效地 降低构件 轴压 比。所 以， 从这个角度来看， 采用高等级混凝土无论对提高 结构承载力还是增强结构的变形能力都是有利的。 由图 3 ( c ) 中的曲线来看 ， 在曲线达到极 限承载 力之前 ， 不同配筋率的三组剪力墙 的荷载一 位移 曲线 几乎重合， 这表明墙体配筋率对其承载力的影响很 小。各曲线在达到极限承载力后 ， 增加配筋率对 于 承载力的下降有一定的抑制作用。随着配筋率的增 加 ， 曲线下降更加缓慢 ， 这种现象在剪跨 比 A=1的 剪力墙中表现最为明显 ， 而对于 A= 2和 A=3的剪 力墙， 配筋率增长对极限位移角的增大并没有明显 的规律性 ( 包括部分收敛误差 ) ， 极 限位移角最大增 幅均不超过 1 0 。这 是 由于高跨 比剪力墙 “ 弯 曲 型” 破坏更 多的集 中在剪力墙受 压或受拉侧 ， 墙身 配筋率的大小对其变形能力影响不明显 。因此 ， 总 的来看 ， 墙体配筋率的增 大对不同剪跨 比剪力墙 的 承载力有一定的提高作用 ， 但其提高幅度不大。墙 体配筋率的提高对剪跨比较小的剪力墙变形能力有 较大的提高。 由图3 ( d ) 可以看出， 采用边缘约束构件后 ， 三 组剪力墙曲线在经过最大水平力后急剧下降的趋势 得到了明显的遏制， 但边缘约束指标在 0 2 4 0 4 之间变化时， 构件承载力和变形能力的提高相对于 边缘约束指标在 0 0 2 4之间的提高幅度要小一 些 ， 对于剪跨比不同的剪力墙 ， 其承载力和变形能力 受边缘约束指标变化的影响程度也不尽相同。各组 剪力墙的极 限位移角随约束指标的增大均有稳定的 提高 ， 但这种提高作用表现出两种特点。首先 ， 当边 缘约束指标从 0增加到 0 4时， 剪力墙的极限位移 角增幅分别为 A=1时的 6 3 ， A= 2时的 4 4 ， A= 3时的 1 2 。这表 明， 随着剪力墙剪跨比的增加 ， 边缘约束指标对剪力墙极限变形能力的提高程度呈 减小趋势。同时， 随边缘约束指标的增加， 极限位移 角的增长速度也表现出变慢趋势， 约束程度为0 3 2 时 ， 极 限位移角的增长基本趋于稳定 。 综上 ， 无论是从对承载力影 响还是对极 限位移 角的影响来看 ， 剪力墙采用边缘约束构件对其抗震 性能有较好的提高作用 ， 但约束达到一定程度后， 其 承载力和变形能力的提高将趋于平缓。由于约束指 标直接关系到约束构件的配箍率， 过高的要求边缘 约束指标将增加不必要的施工难度 。因此 ， 本文认 为， 在高层混合结构剪力墙中， 边缘约束构件的约束 指标取 0 3 2左右是合适的。 另外， 对比边缘约束指标和边缘约束构件含钢 率对剪力墙极限位移角的增加作用受剪跨 比增大的 影响趋势可以发现， 含钢率的提高对极限位移角的 增幅随着剪跨比的增高略呈下降趋势， 下降趋势随 剪跨 比增大逐渐趋于稳定 。如果说边缘约束构件对 剪力墙极限位移角的提高作用受剪跨 比的不利影响 在低剪跨 比到高剪跨 比的过渡过程 中逐渐加大 的 话， 那么含钢率对极限位移角的提高作用受到的不 利影响则在剪跨 比增大的过程 中逐渐趋于稳定。因 此， 可以认为边缘构件含钢率的增长对于高层混合 结构 中的剪力墙结构 的变形能力是有较大而且较稳 定的提高作用。 4 结 论 1 ) 在 常用 的 S R C( 边缘 ) 构 件含 钢 率 范 围 内 ( 4 一 8 ) ， 随边缘约束构件含钢率的增加 ， 剪力 墙的承载力和极限位移角都有较大幅度的提高， 而 且相对于其他参数 ， 这种提高作用在大剪跨 比剪力 墙中也比较稳定。因此， 在高层混合结构中通过边 缘构件设置型钢是 比较有效的增加墙体延性的方 法。 2 ) 剪力墙 承载力提高 幅度 随轴 压 比的增大较 明显， 但其增幅却随轴压比的增加呈减缓趋势。由 于混合结构常用于高层或超高层建筑， 剪力墙轴压 比通常较大， 在此背景下利用轴压比的增加来提高 1 6 4 四川建筑科学研究 第 3 9卷 剪力墙承载力 的空 间有限。并且 ， 随着轴压 比的增 大 ， 剪力墙的变形能力也有很大程度 的降低。因此 ， 昆合结构中对轴压 比的大小需要严格限制。 3 ) 混凝土等级提高， 剪力墙可表现出相对较大 的承载能力。荷载- f 立 移曲线进入下降段后， 混凝土 等级相对较低的墙体的下降段曲线更加平缓， 表现 出较好的变形能力。但从实际结构能利用的变形能 力来看 ， 混凝土强度提高对极限位移角的降低程度 很小。因此 ， 综合混凝土强度等级对剪力墙 承载力 和变形能力的影响考虑 ， 在高层结构 中采用较高强 度 的混凝土是有利的。 4 ) 墙体配筋率的增大对不同剪跨比的剪力墙 的承载力都有一定的提高作用， 但其提高幅度均不 明显。同时 ， 剪力墙配筋率 的增大对剪跨 比较小 的 剪力墙的变形能力有较大的提高作用， 但对以“ 弯 曲型” 变形为主的高层结构中的剪力墙影响很小。 因此， 对高层混合结构中的剪力墙而言， 墙体配筋率 不是提高其抗震性能 的有效手段 ， 设计 中满 足其 承 载力和构造要求即可。 5 ) 无论从 边缘约束构件对承载力 的影响还是 对极限位移角的影 响来看 ， 剪力墙采用边缘约束构 件对其抗震性能有较好的提高作用 ， 但约束达到一 定程度后， 其承载力和变形能力的提高将趋于稳定。 由于约束指标直接关系到约束构件的配箍率， 过高 的要求边缘约束指标将增加不必要的施工难度。因 此， 本文认为， 在高层混合结构剪力墙中， 边缘约束 构件约束指标取0 3 2 左右是合适的。 参 考 文 献 ： 1 杨其伟， 范源， 王献云， 等 型钢混凝土短肢剪力墙抗震性能 的试验研究 J 世界地震工程 ， 2 0 0 9 ， 2 5 ( 2 ) ： 1 0 5 1 1 0 2 徐培福， 薛彦涛， 肖从真， 等 高层型钢混凝土框筒混合结构抗 震性能试验研究 J 建筑结构， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 5 ) ： 3 8 3 B o n e t J L ， e t a 1 C o m p a r a t i v e s t u d y o f a n s l y t i e a l a n d n u m e r i c a l al g o ri t h ms f o r de s i g n i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e s e c t i o n s u n d e r b i a x i a l b e n d i n g J C o m p u t e r s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 6 ( 8 4) ： 2 1 8 4 - 2 1 9 3 4 D u n d a r C ， e t a 1 B e h a v i o u r of r e i n f o r c e d and c o n c r e t e e n c a s e d c o m - p o s i t e c o l u m n s s u b j e c t e d t o b i a x i a l b e n d i n g a n d a x i a l l o a d J B u i l d i n g a n d E n v i ron m e n t F e b r u a r y ， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 1 - 7 5 陈勤， 钱稼茹， 李更勤 剪力墙受力性能的宏模型静力弹塑 性分析 J 土木工程学报， 2 0 0 4 ， 3 7 ( 3 ) ： 3 5 - 4 3 6 楚留声 高烈度区型钢 昆 凝土框架一 钢筋混凝土简体混合结构 体 系抗震性能研究 D 西安 ： 西安建筑科技大学 ， 2 0 0 8 7 GB 5 0 0 1 1 _2 0 o 1建筑抗震规范 S ( 上接 第 1 4 8页) 强度所产生的抵抗力矩出发 ， 并结合 Mo h r C o u l o m b 抗剪强度公式 ， 给 出了土体抗剪 强度指标黏聚力 c 和摩擦角 的计算公式， 为土压力、 地基承载力等计 算提供了方便， 扩大了十字板剪切试验结果的应用 范围。 2 ) 通过对实 际工程岩 土工程勘察 中相关试 验 结果的分析计算 比较 ， 由十字板试验推算 的抗剪强 度指标值 ， 与直剪固快试验的结果基本一致 ， 并且相 关性较好 。 参 考 文 献： 1 祝龙根 ， 刘利民， 耿乃兴 地基基础测试新技术 M 北京： 机 械 工业 出版社 ， 1 9 9 9 2 钱家欢， 殷宗泽 土工原理与计算 M 2版 北京： 中国水利水 电出版社 ， 1 9 9 6 3 杨位冼， 张克恭 地基及基础 M 北京： 中国建筑工业 出版 社 1 9 9 1 4 林宗元 岩土工程试验监测手册 M 北京： 中国建筑工业出 版社 ， 2 o o 5 5 王亚伟 ， 等 宁天城际轨道交通凤凰山公园站岩土工程勘察报 告 R 南京 ： 中煤南京设计研究 院， 2 0 1 2