U形截面剪力墙抗震性能研究.pdf

第 卷 第 期 年 月世 界 地 震 工 程 .收稿日期:修回日期:作者简介:李芳琪()女硕士研究生主要从事新型剪力墙抗震体系及动力性能研究:.通信作者:魏天园()男硕士研究生主要从事电力系统及电力工程方向研究:.文章编号:():./.形截面剪力墙抗震性能研究李芳琪魏天园史青菁(.商丘学院河南 商丘 .国网洛阳供电公司河南 洛阳)摘 要:异形剪力墙具有较好的承载能力并且有效解决了建筑结构柱楞突出的问题提高了用户的居住体验是高层建筑体系中的一种新型结构 在异形剪力墙结构体系中矩形、形和 形截面混凝土剪力墙研究广泛且在工程中应用较多但针对 形截面混凝土剪力墙承载性能的相关研究却很少 本文以某市新建地铁运营库项目为背景优化剪力墙各结构的比例设计出 形截面混凝土剪力墙试件并在两个方向施加低周往复拟静力荷载分析其破坏机理进而评估 形截面剪力墙的抗震性能 此外利用 仿真平台建立 形截面剪力墙的有限元模型并对其进行数值分析验证了 形截面剪力墙的破坏形式和承载力 最后结合工程对 形截面剪力墙的设计给出了合理建议和构造措施并为相关工程应用提供了参考关键词:形截面剪力墙抗震性能低周往复试验静力弹塑性分析中图分类号:.文献标识码:(.):.().:引言随着多和高层住宅建筑的快速发展人们对室内空间平面布置的要求逐渐提高常规矩形截面受力构件露柱露梁和占用建筑空间功能已不能满足使用需求于是经过不断实践和改进高层住宅建筑竖向受力构件结合框架柱和剪力墙的特点逐步形成 形、形、十字形和 形等截面形式剪力墙 其中混凝土 形截面剪力墙由于可以围绕电梯和楼梯等竖向构件进行布置充分利用建筑面积同时其截面比较开展具有较高的刚度可以有效抵抗风和地震等水平作用相对于常规的矩形截面剪力墙只能提供一个平动方向的刚度 形截面截面墙可以提供结构两个平动方向的刚度抗震性能优越因此可以应用于地震区超世 界 地 震 工 程第 卷高层建筑中 此外建筑空间实用性和整体视觉效果好更容易满足用户对使用空间要求较高的需求尽管 形截面墙的应用优势显著但在实际工程由于其抗震性能尚不清楚其应用受到了限制关于 形截面墙抗震性能的研究也较少 等对两个 形截面钢筋混凝土墙完成了准静态循环试验为研究 形截面墙的抗震性能和制定适当的设计指南提供了理论基础 等对三堵大型 形墙进行了单向和双向荷载作用下的试验研究得到 形墙具有腹板方向的对称响应和翼缘方向的不对称响应等结论 等研究了两个/比例的钢筋混凝土 形截面墙沿 形截面对角方向的准静态循环双荷载性能结果表明:)适当限制翼缘的端部可确保墙体位移延性)适当提高纵向钢筋的配筋可以延迟或避免混凝土部分区域的过度压碎 等对 形截面墙在单轴和双轴荷载作用下的力学性能和数值模拟做了相关研究得出该墙体在两个方向上都可承受较大的弯曲和剪力 然而目前还没有关于 形截面墙两个方向拟静力荷载作用下抗震性能的试验研究本文以当地某一地铁运营库综合建筑工程为依托对其底层超大尺寸 形截面剪力墙进行深入研究 首先针对剪力墙在两个方向拟静力荷载作用下进行试验研究分析了其荷载位移响应、延性性能、刚度退化和耗能能力等抗震性能在此基础上系统分析了剪力墙滞回行为中混凝土、钢筋的各自作用和应力滞后效应得到了 形截面剪力墙良好的综合性能评价 利用 软件建立了剪力墙的有限元非线性模型并进行了数值分析通过与试验结果对比验证了模拟方法的有效性 研究结果可为实际工程中 形截面剪力墙的抗震设计、损伤评估和加固提供依据对进一步推广 形截面剪力墙的应用具有重要的理论意义和工程价值 形截面剪力墙低周往复拟静力加载试验.试件几何尺寸设计该工程建设地点位于中国东北某一城市抗震设防烈度 度(设计基本地震加速度值.)和设防类别为丙类设计地震分组第一组建筑场地类建筑物总高 抗震等级二级一层为地铁运营库建筑层高 层为住宅建筑层高均为 本工程一层结构平面布置示意图如图 所示 利用 结构软件建模分析得到图 中所标注位置处剪力墙轴压比最大.设计轴力为 轴压比为.因此确定该 形截面混凝土剪力墙为研究对象图 一层结构布置示意图.按照李忠献试件缩尺原理综合考虑实验室加载条件最终确定 形截面混凝土剪力墙采用 的比例制作了 个钢筋混凝土试件命名为 和 剪力墙截面为 (长宽肢厚)高度为 基座高度为 缩尺后的试验模型截面设计参数详见图 和表 试件 沿弱轴(定义为 方向)采用单作动器加载试件 沿强轴(定义为 方向)采用双作动器同步加载加载方向示意图见图 为了解决 形截面剪力墙沿强轴方向的加载难题试件 设计出 的悬翼结构如图()所示 该悬翼结构仅为试件整体高度的第 期李芳琪等:形截面剪力墙抗震性能研究位于墙肢主破坏区域之外对试验结果影响不大 图 模型平面尺寸图 图 加载方向示意图 .图 剪力墙试件及配筋图.试件的配筋设计依据建筑抗震设计规范()、混凝土结构设计规范()、高层建筑混凝土结构技术规程()、混凝土异形柱结构技术规程()的有关构造要求和条文对试件进行计算和验算 设计的剪力墙混凝土等级为 底座混凝土强度等级为 根据剪力墙约束边缘构件设计要求按照二级抗震等级设计求出配筋图中阴影部分面积参照钢筋的计算截面面积和理论重量表设计出试件中约束边缘处纵筋方案为 根据剪力墙构造边缘构件配筋要求按照二级抗震等级设计求出非阴影区面积参照钢筋的计算截面面积和理论重量表设计出构造边缘处纵筋方案为 利用体积配箍率计算出箍筋方案如公式()世 界 地 震 工 程第 卷()式中:为约束边缘构件箍筋特征值 为轴心抗压强度设计值 为箍筋抗拉强度设计值表 为试件配筋明细计算缩尺后试件承载力大小与 仿真得出的实际构件承载力比例约为 进一步验证缩尺方案的正确性在浇筑试件过程中制作基础底座和墙肢两组混凝土立方试块并对钢筋进行留样测得混凝土试块和钢筋强度见表 表 表 试件设计参数表 墙肢尺寸/腹板尺寸/悬翼尺寸/箍筋水平筋纵筋悬翼纵筋 (.)(.)表 混凝土实测强度 试块组别龄期/天平均值/基础底座.墙肢.表 钢筋拉伸试验 钢筋规格屈服强度/极限强度/().().().加载方案.加载装置利用地脚螺栓固定试件及底座安装施加作用力装置将额定推力 和行程 的 电液伺服作动器固定于试验室加载反力墙上拟对试件施加往复水平作用作用点在 形截面的几何中心处其中:试件 采用单作动器沿弱轴方向(方向)加载试件 采用双作动器沿强轴方向(方向)同步加载 两个试件的加载示意图如图 所示 图 试件的加载示意图 图 加载制度 .加载制度加载制度采用力位移混合加载 试验前进行预加载开始正式加载时试件屈服前以屈服荷载的/为步长施加循环荷载试件达到屈服切换为位移控制加载按照每级增量为屈服位移值循环两次当荷载下降至峰值荷载的 时试件破坏停止试验加载 试验的加载制度如图 所示试验现象试验过程中两个试件都经历了钢筋骨架和核心混凝土共同作用下的弹性阶段、裂缝阶段、屈服阶段、持续阶段、破坏阶段 施加水平荷载 和位移 与试验现象的关系如表、图 和表、图 所示第 期李芳琪等:形截面剪力墙抗震性能研究表 试件 的试验现象 加载阶段试验现象 试件未有明显开裂现象 腹板与墙肢的交界处出现水平裂缝趋向于下斜裂缝的发展剪力墙处于开裂阶段 墙肢 钢筋在拉伸作用下先屈服试件进入到屈服阶段 腹板与墙肢的水平裂缝逐渐增多以 的倾角并逐步发展成斜裂缝 墙肢 底部混凝土轻微剥落下部裂缝形成一个“”和“”形且裂缝宽度逐渐增大墙肢裂缝的分布呈现腹端密集末端稀疏 墙肢 与腹板交界处的钢筋屈曲向外膨胀外部混凝土保护层剥落三面墙的混凝土压碎水平荷载急剧下降试件破坏图 试件 损伤结果.图 试件 损伤结果.表 试件 的试验现象 加载阶段试验现象 试件未有明显开裂现象 墙肢 与墙肢 底部出现水平裂缝剪力墙处于开裂阶段 墙肢布置的钢筋先达到屈服屈服阶段开始 墙肢底部、腹板底部的水平裂缝逐渐向上发展转变成斜裂缝 墙肢、墙肢 的裂缝的原始裂缝变长和变宽中上部出现较多斜裂缝且向下部发育形成交叉裂缝新生的裂缝较少水平荷载达到峰值 腹板的斜裂缝与水平裂缝相交形成主裂缝腹板裂缝实现贯穿钢筋屈曲底部混凝土大块脱落墙肢没判断纵筋断裂世 界 地 震 工 程第 卷抗震性能及破坏机制分析.荷载位移滞回曲线和骨架曲线由图()可以很清楚的看到两个方向的骨架曲线并非完全对称位移有较大不同表明正滞回曲线具有低承载力和高延性负滞回曲线具有高承载力和低延性的现象 分析其主要原因如下:)试件 仅靠偏心腹板进行弱轴方向(方向)的荷载传递在反复荷载作用下 形截面剪力墙存在应力滞后现象不能实现两个墙肢整体共同受力导致相应位移出现迟滞效应是图()滞回曲线不对称的主要原因)试验时在两个墙肢之间放置的箱型钢梁会吸收一定能量使得负向荷载不能完全作用在墙肢上)虽然设计的加载点位于试件形心但由于制作工艺以及加载过程出现的一系列误差可能导致加载点偏心进而墙体扭转并且墙肢 的厚度局部比墙肢 厚度大 因此承受正向荷载的墙肢 截面刚度较大对正向受力起到有利的影响如图()所示当达到峰值荷载后滞回曲线呈现出挤压现象由于轻微剥落的混凝土和钢筋逐渐屈曲试件呈弯剪型破坏滞回曲线发展为弓形有明显的捏拢效应达到极限位移后滞回曲线的退化更加明显当侧向荷载恢复到零时也可以看到明显的残余变形图 滞回曲线和骨架曲线.试件整个加载过程的滞回曲线呈梭形具体影响机理分析如下:)开裂混凝土对滞回曲线的影响 随着侧向位移的增大混凝土受压进入非线性产生不可恢复的压缩变形 卸载后受压区混凝土应力释放形成非受力的受拉区裂缝重新出现而原来受拉区已经残余了受压变形且造成加载过程中积累导致裂缝不能马上闭合 随着加载的进行裂纹的闭合需要的位移不断增大导致混凝土捏拢效应逐渐明显图 各试验试件骨架曲线对比.)钢筋的捏拢对滞回曲线的影响 钢筋由受拉进入受压部分的滞回环应该是类似于菱形或者平行四边形 在受压状态下混凝土的裂缝闭合此时的混凝土是连续体变形差异很小 然而进入受拉后混凝土的主要变形为弹性应变随即发生不连续行为而钢筋还没有受到损伤仍然为连续体 混凝土提供的压力大于钢筋受压的钢筋与混凝土共同承担一侧的钢筋拉力变化速度远小于另一侧的受拉钢筋从而表现出缓慢增长的圆弧曲线形)钢筋应力滞后效应对滞回曲线的影响 由于钢筋从受拉进入受压和受压进入受拉的速度不同当一侧的钢筋从承受压力迅速进入到受拉时另一侧钢筋从受压进入到受拉速度缓慢 可能在某一时段形心两侧的钢筋同时处于受拉或受压其弯矩的贡献会相第 期李芳琪等:形截面剪力墙抗震性能研究互抵消从而钢筋的滞回曲线进一步圆滑化.承载能力和变形能力为了综合分析 形截面剪力墙针对 和 方向荷载的各项性能将本文试验的两个 形截面试件的 相互关系绘制在同一坐标系下如图 所示 为了更好的分析剪力墙的变形性能我们引入延性系数 计算分析见表 表 对比分析结果汇总 试件名称/.由图 和表 可以看出:)当沿 轴方向加载时试件的峰值荷载和极限承载力较低变形能力较弱)当沿 轴方向加载时最大承载力达到.极限位移有所增大变形能力良好构件具有较好的延性)试件 与 的三个主要荷载的行程对比说明 形截面剪力墙针对强轴的承载力比弱轴高出.延性增大.数值分析.建模过程利用 软件分别创建了混凝土和钢筋部件 其中剪力墙和基础底座混凝土有限元模型的单元类型采用八节点实体单元()而纵向钢筋、拉结筋和箍筋的有限元模型的单元类型为三维实体单元()为了更加真实的反应钢筋与混凝土之间的相互作用混凝土与钢筋具备相同的节点(钢筋的应变与混凝土单元的应变一致)钢筋与混凝土的相互作用选择“嵌入式”在接触方面考虑到钢筋与核心混凝土之间接触时的摩擦滑移本文定义钢筋与混凝土之间的接触面为“面对面接触”法向行为采用“硬接触”采用“罚”函数摩擦系数设为.为了使计算结果更加接近于实际在柱顶设置一块刚度很大的钢垫块作为加载板使柱顶能够均匀受图 有限元模型.力防止应力集中基础底部支座的约束设置为并采用 耦合命令将设置的参考点 和钢垫块相连接为了使计算结果更能接近实际受力模型加载方式采用 个荷载步第 分析步在柱顶施加向下轴力加载增量步大小初始为.最大为.并延续至后一个分析步第 分析步中施加水平方向的位移荷载我们对网格收敛性进行了参数化研究得到了计算时间短和结果相对精确的最优有限元网格为 有限元模型如图 所示.本构模型.混凝土本构模型混凝土损伤塑性()模型可以有效的模拟混凝土结构于循环往复荷载作用下的变化 因而通过 模型来定义混凝土的非弹性行为 模型认为各向同性损伤弹性是具有各向同性的拉伸和压缩塑性和考虑了拉伸和压缩过程中塑性应变引起的弹性刚度退化 在 中定义损伤塑性模型需要混凝土单轴压缩和拉伸本构材料行为 对于混凝土单轴压缩应力应变关系采用混凝土结构设计规范()如图 所示表达式如下:世 界 地 震 工 程第 卷(/)(/)()()()()式中:为混凝土单轴抗压强度代表值 为对应的受压应变 为混凝土弹性模量 为 模型中定义的单轴受压损伤演化参数混凝土在受拉状态下的应力应变关系假定为线性弹性直至抗拉强度 该研究考虑到开裂混凝土的应变软化行为故采用规范中破坏后应力应变关系来表示开裂应变的/为破坏拉应变 材料模型中定义的混凝土压缩和拉伸损伤参数如图 所示图 混凝土损伤塑性模型受压和受拉应力应变关系.图 混凝土受压和受拉损伤行为.混凝土本构模型钢筋符合典型的弹和塑性材料特点因此在有限元分析中具有明确的本构关系本次模拟将双线性随动强化模型用于钢筋这种模型在模拟拟静力荷载作用下的构件性能取得了良好的结果.试验结果各构件在极限承载力时的受压损伤分布图、受拉损伤分布图如图 和图 所示从图 所示试件 压缩损伤分布云图中可以看出:第 期李芳琪等:形截面剪力墙抗震性能研究)受压损伤主要集中在腹板构件的墙肢和腹板交界处、墙肢的端部这和实际试验中该处混凝土被压碎情况相当受压损伤最大可达.)受压损伤图上在底座和剪力墙交接处出现一条横向的红线代表裂缝的发展 随着位移的加载第一条横向裂缝的上方出现多条横向裂缝下面的横向裂缝损伤继续增大代表着裂缝逐渐加宽最后所有的横向裂缝呈阶梯状墙肢端部横向裂缝向 斜向发展成斜裂缝从图 所示试件 压缩和受拉损伤分布云图中可以看出:)加载初期试件没有变化不管是压缩损伤还是受拉损伤最早都出现在墙肢下角边缘处随着位移加载最早出现的裂缝延伸至腹板形成贯通缝 然后构件上部出现交替的横向裂缝逐渐向 斜向下方向发展渐渐形成 贯通斜裂缝 加载后期新增裂缝较少原有裂缝向上延伸与腹板形成 贯通斜裂缝最大损伤达.)该墙体损伤在/以下都是损伤严重区域/以上部分形成 斜向裂缝墙体下部可以发现明显的鼓曲现象在实际试验中该处也是混凝土压碎区图 构件 压缩损伤云图.图 构件 压缩损伤云图.数值模拟结果与试验结果对比图 为试验结果与有限元结果包络曲线对比图从图中可以看出:试验结果与有限元结果具有良好的一致性 为了定量分析试验和数值模拟的结果骨架曲线的特征点值见表 结果表明:)有限元模拟得到的荷载位移骨架曲线与试验结果吻合较好 峰值荷载的模拟结果与试验结果的误差为.和.相对误差不超过 该数值分析较好地模拟了混凝土 形截面剪力墙在循环往复荷载作用下的受力行为)数值模拟得到试件的位移模拟值均小于相应的试验结果世 界 地 震 工 程第 卷图 模拟和试验的骨架曲线对比图.表 各荷载点有限元分析值与试验值对比 试件编号方法/试验.模拟.试验.模拟.结论本文对 形截面剪力墙在循环往复荷载作用下的抗震性能进行了试验和数值研究得到了 形截面剪力墙在两个方向承受拟静力荷载的抗震性能在此基础上并对 形截面剪力墙的抗震性能与机理进行了分析并与其他截面形式剪力墙的试验结果进行了对比分析 得出以下结论:)形截面剪力墙沿两个方向上都可承受较大的弯矩和剪力满足了该工程的抗震设计 形截面剪力墙作为该实际工程的底层部位应按照抗震设计要求的“底部加强部位”进行设计腹板和墙肢端部集中破坏区域较大因此腹板和墙肢端部均属于底部加强部位的“约束边缘构件”尚应按照轴压比条件进行特殊强化设计)数值模拟结果与试验结果吻合较好表明本次数值分析建立的非线性模型能够较好地模拟 形截面剪力墙的破坏机制及力学性能对于土木工程领域的相关科研研究提供了一种有效的研究方法)为了更好的了解 形截面剪力墙结构的抗震性能将来拟需进一步分析 形截面墙沿两个主轴方向同时进行双向双循环加载的研究参考文献:邹鹏.不同截面形式的短肢剪力墙抗震性能研究.咸阳:西北农林科技大学.:.()王社良 陈先河 郝涛 等.基于 的再生混凝土短肢剪力墙抗震性能分析.世界地震工程 ():.():.()鲁楠.短肢剪力墙节点抗震性能研究.株洲:湖南工业大学.:.()王旭 严磊.钢骨高强混凝土短肢剪力墙的试验与数值研究.建筑钢研究杂志 :.:.()许新颖 陈宗平 张冯霖 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