钢筋混凝土组合剪力墙的非弹性抗震性能研究.pdf

第9 期 2 O o 5 年9月 广东土 木与 建筑 GUANGD0NG ARCHI TECTURE CI VI L ENGI NEERI NG N 0 9 S E P 2 0 0 5 钢筋混凝土组合剪力墙的非弹性抗震性能研究 姜 晶 杜 宏彪 ( 广 东工业 大 学建设 学 院 广 州 5 1 0 6 4 0 ) 摘 要 ： 论述 国 内 外在 钢 筋 混 凝 土组 合 剪 力墙 抗 震 性 能 方 面 的研 究成 果 ， 探 索其 中 的不 足 之 处 ，提 出一 些 有 待 研 究的 关键 问题 ， 为今 后 是 理 论研 究提 供 思 路 。 关 键 词 ： 组 合 剪力 墙 ；连 粱 ：抗 震 性 能 1前言 在多高层建筑结构体 系中 。 剪力墙是应用相 当 广泛的一种抗侧力结构单元， 它具有承担竖 向荷载 、 抵抗风荷载及抗震等三大功能 ， 且具有较高的侧 向 强 度 和刚 度 ，因此 对减 小结 构 层 间变 形 极 为有 效 目前 国内外在 剪力墙 结构 中的墙体 设计 及配 筋方式 上 都采 用较 为一致 的理论 和 方 法 ， 但 对 与剪 力墙 相 连的梁即连梁的设计方法则存在一些争议 对 于多 肢剪 力墙 而言 ， 连 梁 及 其两 端 部 位分 别 为该 剪 力墙 构 件 的关键 杆 件 和部 位 。 它 起 到 以下 两 个主要作用 ： 影响多肢剪力墙的整体刚度 ； 作为 抗震 剪 力墙 的一线 塑性 耗能 构件 。但剪 力墙 的连 梁 跨度小 ， 截面高度大， 在地震作用下其弯矩和剪力都 相 当大 ， 设 计 中常遇 到连 梁超 筋超 限的 问题 。 故较难 解 决 。许 多结构 工程 师仅 按最 大配筋 率 和配箍 率把 连 梁钢 筋配 足 ， 然后将 不 足的 内力 向墙 肢转 移 ， 但 这 样 已难以符合“ 强剪弱弯” 的条件而导致剪切破坏 近几 十年 来 在世 界 各 地所 发 生 的 强烈 地震 中 ， 剪 力墙 中的连 梁都 遭受 了不 同程 度 的破 坏 ， 如 1 9 6 4 年美 国阿拉斯 加地震 时 安克 雷奇 市两栋 公寓 均为 典 型的连梁剪切破坏实例 ， 其连梁高跨比 1 0 。 地震 i 时 ， 外 墙 的连梁从 上而下 均 出现 X形 交差剪 切裂缝 以1 3 高度处最为严重。 在 1 9 7 2 年发生的马拉瓜地 震 中 ， 1 8层 的 美 洲银 行 虽 表 现 出较好 的抗 震 性 能 但 大部 分连 梁均 已出现脆 性剪 切破 坏 。唐 山地震 中 ， 天 津 友谊 宾 馆 西段 剪力 墙 底 层 门洞 连 梁 出 现 了 斜裂缝 _ 1 1 。因此 ， 寻求受力和变形更理想 的连梁结 构形 式 ， 成 为 多 高层 建筑 结 构 研 究 中亟 待 解 决 的问 题 ， 也 是这 一领 域研 究 的热点 2 组 合 剪力墙 连梁 抗震 性能研 究 的进展 7 O年 代初 为满 足高跨 比较大 的深 连 梁 在强 度 、 刚度和耗能性能等方面的要求 ， 实现其延性破坏 ， 新 西 兰学 者提 出斜 对 角交 叉配 钢筋 束 的连 梁 如 图 1 所 示 。经 实验 证 实 ， 这 种 连梁 结 构 体 系受 力和 变形 能 力好 ， 滞 回 曲线 丰 满 稳定 ， 吸收 能 量性 能好 。 延 性 大 ， 不仅 连 梁本 身性 能得 到改 善 ， 且 具有 斜对 角 交 叉 配筋 束 连梁 的双肢 剪 力墙 的滞 回性 能也 较 好 ， 但 这种 连梁 的剪 力墙墙 厚一 般 需在 3 0 0 m m 以上 ， 而 且用钢量大、 施工要求高， 使其推广应用受到限制。 在此基础上 ， 为了探索施工方便的连梁形式 国 内研 究人 员进 行 了普 通平 行钢 筋 与沿对 角线 方 向配 置单根钢筋组合配筋 的连梁如 图 2在低周期反复荷 载作 用 下 的 受 力性 能试 验 ， 结 果 表 明此 类 连 梁 的 变 形性 能 比普通 配筋 连梁 有 明显改 善 。 图 1 配斜对角交叉钢筋束的连梁构造 图 2 沿对 角线配置单根钢筋组合配筋的连梁构 造 1 3 维普资讯 http:/ 2 O o 5 年9 月 第9 期 姜 晶 等：钢 筋混凝土 组合剪 力墙的 非弹 性抗震 性能研 究 S E P 2 0 0 5 N o 9 以上两种 连梁 都属 于斜 对角交 叉配 筋 的钢筋 混 凝 土连 梁 结构 体 系范 畴 ， 其 主要 缺 点 是 对角 线 钢筋 在连 梁 中点交 汇 ， 使该 处 截面失 去抗 弯能 力 且 对 角 线配 筋坡度 较平 坦 ， 抗 剪 能力得 不 到明显 提高 为 了克 服斜 对 角交 叉 配筋 钢 筋 混 凝土 的不 足 上海 城 建学 院 的研 究 人员 在 1 9 9 3年 提 出菱 形 配 筋 钢 筋 混凝 土连 梁结 构体 系 ， 如 图 3所 示 ， 并经 过 试 验证 实 菱形 配筋钢 筋混 凝土 连梁具 有较 好 的受力 性 能 ， 在高跨 比、 纵 向钢筋配筋率等条件相 同的情 况 下 ， 其各项 指标 均优 于普 通配筋 连梁 1 1 。 但 菱形 配筋 钢筋 混凝 土连 梁 的施 工 比斜对 角交叉 配筋 钢筋 混凝 土连 梁更 复杂 ， 使其推 广应 用受 到很 大 限制 。 - 。 _ 鸯 ， - 画 图 3 菱形 配 筋 钢 筋 混 凝 土连 梁构 造 为 了改 变 高跨 比较 大 的 连梁 剪 切破 坏 的属性 实现 其延 性破 坏 ， 8 0年代 初 国 内学 者 提 出在连 系梁 高度 中央通 长水平 缝 而将其 分为 2根 梁并进 行 了试 验 研究 ， 结果 表 明这类连 梁 实现 了延性 弯 曲破 坏 ， 但 极 限承载 力 和使用 荷 载 下 刚度 削弱 超过 3 0 ， 致 使 剪 力墙结 构 整体性 大大 降低 。 设置 全通 缝钢 筋混凝 土 连梁结 构体 系在 获得 大 的延性 方 面是 相 当成 功 的 ， 但 承 载 力 和 刚度 降 低过 于 明显 ， 为协调 两者 之间 的矛盾 以达 到最 佳选 择 ， 东 南 大学有 关 学 者在 1 9 8 5年提 出抗 震连 梁 的 构造 方 案 ， 用纵 向水平 缝 把连 梁 分成 上 下 两个 尺 寸 相 同 的 构件 ， 但 在跨 中设 置混 凝土 键联 系 ， 如 图 4所 示 研 究 表 明 ，由此引起 极 限承载 力 降低和 使用荷 载 下 的 刚度 削弱 在 1 0 以下 ， 而 延性 的提 高则 较相 当 可观 。 预蝉钢板 1 4 磺 图 4带缝槽的连梁构造 在小震 作用下 ， 混凝 土键未 开裂 ， 连梁具 有足够 刚度 可为墙肢提供较强的约束作用 ， 保证剪力墙具有足够 的抗侧刚度 ； 在大震作用下 ， 混凝土键逐步开裂 成 为上 下 两个 以单独 受 弯 为 主 的构件 ， 变剪 切 脆性 破 坏 为 弯 曲延 性 破坏 ， 加 上 键 中混 凝 土 剪摩 擦 可耗 散 一 部 分地震 能量 ， 故 可有效 耗散 地震 能量 ， 提高 剪 力 墙 的抗震 能 力 。但 带缝 槽 的钢筋 混凝 土连 梁施工 非 常 复杂 ， 因此 虽然应 用 在几个 试 点工程 中 ， 但 进一 步 的 实际推 广仍 受 到一定 限制 8 = 高层 剪 力 墙结 构 由于 建筑 、 设 备 安装 及 经 济 上 的要求 ， 连梁高度受到限制， 而采用劲性钢筋混凝土 结 构 ， 可 以在保证 承 载力 不变 的条件 下 ， 通过增 加钢 含 量 以减小 截 面尺寸 来满 足要 求 。 9 0年代 初期 华南 理 工大 学进 行 了劲性 钢筋 混凝 土连梁 结构 体 系的研 究 _ 3 一 ， 如 图 5所示 。结 果 表 明 ， 劲性 钢 筋混 凝 土连 梁 具 有较 大 的 变形 能力 和 延性 系 数 ， 且 随着 变形 的增 大 ， 滞 回曲线 变得 十分 丰满 ， 表现 出很 强 的抗 震 吸能 能力 ， 非 常有 利于剪 力墙 结构 的抗 震 I l 0 。因此 劲 性钢筋 混 凝土 结构 的应用 为 连梁提 供 了另一 种结 构 形式 ， 具有 十分 重要 的意 义 由于钢结构具有 高强和高可靠性的特点 故在 高 层 建筑 结 构 中具有 明显 优 势 ， 在 地震 强 烈 又频 繁 发 生 的地 区 ， 采用 钢结 构 能降低 结构 自重 ， 从 而 降低 地震 荷 载 ， 且 钢结 构具 有 良好 的延 性 和韧性 ， 故 在抗 震方 面具 有 其它材 料所 无法 比拟 的优 势 。典 型 的钢 结 构组 合连 梁 由角 纲空 间桁 架组 成 ， 如 图 6所示 与 钢筋 混 凝 土连 梁相 比其 自重 降 低 ， 墙 肢 中轴 力 减 小 ； 钢 桁架 结构 不但 延性 好 ， 且 受力 机理 也 比钢筋 混 凝土结 构 简单 明 了 便 于 设 计 成 延 性 弯 曲破 坏 连梁 ， 且 在大 震 下 可 更 换 ， 这是 其 它连梁 结 构 所无 法实 现 的 具 有 良好 的发展应 用 前景 。 图6 钢结构组合连梁构造 画 图 5劲 性 钢 筋 混凝 土 连 梁 构 造 维普资讯 http:/ 2 O O 5 年9月 第9 期 广东土木与建筑 S E P 2 0 0 5 N o 9 3组合剪 力墙 连梁抗 震性 能研 究 中的存 在 问题 我们从 上 述研 究 资 料 中可 以看 出 虽 然 多年 来 国内外专家学者们设计出许多新连梁形式的组合剪 力 墙 ， 来 改善 双肢 剪力 墙 的抗 震性 能 ， 且 进行 了大量 试验来验证其可行性 ， 但仍有不少问题亟待解决。 首 先钢结 构连 梁 与钢筋 混凝 土剪 力墙 的连接 节 点的设计与施工仍存在不少疑问 为 了实现有效的 连接 一般需设置暗柱等加强装置 其材料不同则设 计 和施 工方 法 也有 所 不 同 。对 于 型钢 的暗柱 ， 其节 点连接类似于梁柱连接 ； 而对于混凝土暗柱， 则其节 点 连接 就可 能 较复 杂 ， 因 此 如何 获 得理 想 的节 点连 接仍需要进一步深入研究。 其次是 前 面提及 的带缝 槽 的延性 连 梁 曾在 北京 某 高层建筑 ( 地上 2 8层 ， 地下 3层 ， 高 1 0 4 7 5 m) 中 得 到 应用 8 。但 带缝槽 钢 筋混 凝 土连 梁施 工 必定 相 当复杂 连 梁既有 分离缝 又有 凹型槽 必须 采用 分段 制模且施工质量要求较高 ， 故在实际工程中应用并 不 一 定能 达 到预 期效 果 ， 如何解 决 施 工 中的难 题 将 是 这种 连梁 形式得 到广 泛推 广应 用 的关键 。 此 外 对 于劲 性 混凝 土 连 梁体 系 的研 究 尚未 十 分深入 尤其是国内在这方面的资料还很少 如外包 的混凝 土对 型钢腹 板 与翼 缘 屈 曲 和抗 剪 的影 响 劲 性 混凝 土连梁 在墙 体 内埋 人 深度 的确定 等 问题 在 国 内的文 献 中几 乎未 有 涉及 ， 国外 文 献 也仅 是 作 出定 性分析 ， 这显然对工程实践的指导是有限的。 我们 还不难 发 现这些 新 型的组 合剪 力墙体 系的 理论 研 究很 少 ， 因此采 用 能 真 实模 拟结 构 性 能 的有 限 元方 法建 立 分析 模 型 对组 合 剪 力墙 的抗 震 性 能 ( 如 连梁 的延性 ， 塑性 铰 出现 的位置 、 形成 过程 等 ) 进 行对 比分析， 为设计与施工提供可靠理论依据 ， 也是 十分 必要 的 4结语 新 型 的组合 剪力 墙体 系与普 通 的剪力 墙体 系在 材料 属性 、 受力 特点 、 破坏 机理 方 面 有很 大 区别 ， 相 关 的研 究 也 刚刚起 步 ， 因此 加 强这方 面 的理论研 究 ， 为工程实践提供可靠的理论基础是十分关键的。 对组 合剪力墙 体系采 用动 力 时程 分析 方法 和 目前 较流行 的 P u s h o v e r 分 析 方 法 进 行 弹塑 性 地 震 反 应 分 析 ， 可以更好地了解其抗震性能 。此外 ， 结合工程实践 和试验 ， 采用先进的施工工艺来解决新 型组合剪力 墙 中的施工 难题 ， 也将 成 为重要 的研究 课 题 ， 是 组合 剪 力墙 结构 体 系推广 应用 的关键 。 参考文 献 l 邓 志恒 ， 潘峰 ， 陶晓光 ， 唐光暹新型组合连梁控制结构 体 系世 界 地 震 工 程 2 0 o 3 2 戴航 ， 梁 书亭 ， 丁大钧混 凝土高层建筑抗震 自控 系统试 验 研 究 工程 力 学 2 0 01 3陈兰 ， 梁启智加劲梁对双肢剪力墙结构的地震反应影响 分析 华南理工大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 O 4徐 凌双肢剪力墙连 梁配筋 的设 计研究鞍山钢铁学 院 学 报 1 9 9 8 5 曹 征 良 洪翔带 自控连 梁 的双 肢剪力墙 振动 台试验研 究 建筑结构学报 2 o 0 I4 6 李爱群 ， 程文滚带有抗震连梁新型剪力墙极 限承载力分 析 南 京 理 工 大学 学 报 1 9 9 4 7曹 云 锋 等 改 善 洞 口连 梁抗 震性 能 的 一 种 有 效 配 筋 方 案 重 庆 建 筑 大 学 学 报 2 0 o 3 8 丁大钧钢筋 混凝土结构抗 震 自控新 的试验研 究工业 建 筑 1 9 9 4 9 戴 航 关 国雄 张佑启 带缝钢筋混凝土剪力 墙的非线性 地震反应分析 建筑结构 ， l 9 9 8 1 0 G o n g ， Ba n d S h a h r o o z ， BM S t e e l - c o n c r e t e c o mp o s i t e C o u p l i n g b e a ms - b e h a v i o r a n d d e s i g n J S t r u L En g ， 2 3 ( 2 0 01 ) l l EJ S a p o u n t z a k i s Dy n a mi c a n a l y s i s o f c o mp o s i t e s t e e l c o n c r e t e s t r u c t u r e s w i t h d e f o r ma b l e c o n n e c t i o n C o mp u t e r s a n d S t ruc t u r e s 8 2 ( 2 0 0 4) l 2张彬彬 高层建筑剪力墙连系梁抗震性能 的试验研究 重 庆 大 学 硕 士学 位 论 文 2 0 0l - l l 1 5 维普资讯 http:/