高层建筑结构中高强混凝土剪力墙抗震性能分析.pdf

1 高层建筑结构中高强混凝土剪力墙抗震性能分析 摘要摘要: 随着高层建筑结构的发展，其主要抗侧力构件剪力墙越来越多的采用高强混凝土，但 高强混凝土剪力墙延性较差，不利结构抗震。本文首先着重分析了高强混凝土的力学性能， 具有高强、高弹性模量和高耐久性特点以及在高层建筑上的应用。然后，分析高强混凝土剪 力墙的抗震性能，并从轴压比、剪跨比、配筋因素和剪力墙结构形式对其抗震性能产生的影 响；最后，从基于位移的抗震设计方法方面，对高强混凝土剪力墙的设计加以概述。 关键词关键词：高层建筑结构；高强混凝土；剪力墙；抗震性能 The Analysis of the High-rise Building Structure High Strength Concrete Shear Wall Seismic performance Abstract: With the development of the high-rise buildings,the shear walls that its main lateral-resisting members increasingly use high strength concrete.However, High strength concrete shear wall ductility is poor.Frist of all,this paper emphatically analyse the mechanical properties of high strength concrete,such as high strength,high elastic modulus,high durability traits and the application in the high-rise building.Then,it analyse the high strength concrete shear wall seismic performance and the effects of axial compression ratio, shear span ratio,reinforcement factors and the structure form of shear wall.At last,the seismic design method based on displacement is used to design high strngth concrete shear wall. Key word: high-rise building structure; high strenth concrete; shear wal; seismic performance 1. 引言 随着世界经济的发展和建筑设计技术的进步， 高层建筑主要呈现以下几点特点： 建筑高 度不断增加，据不完全统计，我国在 2008 年底，150m 以上的高层建筑已超过 200 栋，如上 海环球金融中心 492m、广州新电视塔高 610m，等；结构体型日趋复杂，高层建筑除了要 满足建筑使用功能要求外， 也更加重视建筑个性化的设计， 如中央电视台新台址采用巨型的 倾斜框架带 70m的大悬挑十三层楼、北京的当代万国城为 9 座高塔楼，由高度不一的大跨 度走廊相连，形成体形复杂的建筑群等；以混合、组合结构为主，大量采用钢钢筋混凝土 组合结构，如上海环球金融中心钢筋混凝土核心筒，外框为型钢混凝土柱及钢柱；涌现一些 新型结构体系，如 330m高的北京国贸三期主塔楼采用了钢-混凝土框架-核心筒结构、337m 高天津津塔主要抗侧力体系由钢管混凝土柱框架+核心钢板剪力墙体系+外伸刚臂抗侧力体 系组成，等1-3。 如上述可知，目前高层建筑结构被广泛应用到各种住宅、公共建筑上，并且其结构形式 逐步向复杂性、多样性、超高性方向发展。由于，我国是一个地震频遇的国家，当前通过两 个阶段设计方法来实现建筑“小震不坏、中震可修、大震不倒”三个水准要求4，可能无法 满足超高层的结构抗震设计要求。 但在高层建筑采用的钢筋混凝土结构体系如： 剪力墙结构 体系、框架-剪力墙结构体系、框架-核心筒结构体系、筒中筒结构体系、多筒结构体系等都 是剪力墙或剪力墙组成的筒体， 剪力墙和由剪力墙组成的筒体构成高层建筑结构抗震的核心 抗侧力部件。这是由于剪力墙：刚度大、空间整体性能好、结构顶点水平位移和层间位移变 2 化小、即能承受竖向荷载也能抵抗水平荷载，因此，剪力墙抗震性能对于高层建筑的安全可 靠有着至关重要的作用，研制抗震性能好的剪力墙，是高层建筑抗震设计的关键技术之一。 国内外不少学者致力于剪力墙的抗震性能方面研究， 一方面探索钢筋混凝土剪力墙在地震作 用下的恢复力模型5-7；另一方面提出了各种具有良好抗震性能新型的剪力墙，开缝剪力墙 如清华大学叶列平提出的双功能带缝剪8、 组合剪力墙如带钢管混凝土边框的钢板剪力墙模 型的抗震性能试验9。 然而，目前主要集中在对普通钢筋混凝土剪力墙的研究，并取得了一定的研究成果。但 随着高层建筑技术水平的快速发展， 要求该类建筑需承受更大的竖向荷载和水平荷载， 对建 筑材料的强度和延性有更高的要求。 高强混凝土剪力墙是当前很好的选择， 这是由于高强混 凝土具有高强、高变形模量、变形小、高耐久性、高流动性以及良好的抗渗抗漏性能等特点 10，能够减小结构的截面尺寸，减轻结构的重量，减小地震反应，增大构件的承载能力和 刚度，使其成为制作剪力墙的理想材料，并在高层建筑结构中得到广泛应用；高层及超高层 建筑的底部剪力墙承受的水平荷载和竖向荷载都比较大，若在底层采用高强度混凝土剪力 墙，有效减小墙体厚度，具有明显的经济效益和社会效益。但是，当前对高强混凝土剪力墙 的抗震性能研究还比较少， 同时既有少数研究表明高强混凝土剪力墙与普通混凝土剪力墙相 比，延性差，地震耗能小，破坏过程短暂突然，甚至其塑性变形或延性系数难以满足地震区 内构件的抗震性能要求11-13。所以，如何合理的对高强混凝土墙进行抗震设计，将高性能混 凝土性能与剪力墙完美结合， 既发挥高强混凝土的优点， 又满足剪力墙的延性和地震耗能要 求，从而改善改善它的抗震性能，在工程结构中具有重要的工程实际意义。 2. 高强混凝土力学性能 2.1 高强混凝土力学性能 根据 CECS 104:99高强混凝土结构技术规程1.0.2 条明确规定：“高强混凝土为 采用水泥、砂、石、高效减水剂等外加剂和粉煤灰超细矿渣硅灰等矿物掺合料以常规工 艺配制的 C50C80 级混凝土”。它的主要特点是高强度、高抗渗性、高工作性和良好的体 积稳定性等， 被认为是新世纪的结构混凝土。 高强混凝土的力学性能在国内外都有了较多的 试验研究14-16，主要的的力学性能如下： (1) 弹性模量较高，试验值达 3.9104Mpa 左右；高强混凝土的弹性模量随强度的增长 而增长，但增长幅度与强度不成正比，弹性模量的增长速度比强度的增长速度要慢，同时由 于弹性模量比较大， 导致高强混凝土的应变能力相比普通混凝土较差， 破坏时表现明显脆性， 对结构抗震性能不利。 (2) 轴心抗压强度 fc 较高，文献15研究表明在配置高强混凝土时，各加水泥重量 15% 的火山灰和硅粉的混合物可以使混凝土的抗压强度高达 110Mpa，并且显著的增加了混泥土 的弹性模量和密实度。另一方面，高强混凝土的强度增长较快，3 天可达 28 天强度的 60% 以上，7 天可达 28 天强度的 80%，有助于提高高层建筑或高耸结构的施工进度。 (3) 轴心抗拉强度：目前测定混凝土的轴心抗拉强度常采用立方体或圆柱体的劈裂试验 的劈裂抗拉强度换算得到。 研究表明高强混凝土的轴心抗拉强度随抗压强度提高， 但提高的 幅度比抗压强度提高的幅度要小； 同时轴心抗压强度是高强混凝土立方体抗压强度的 1/20 1/24，但随混凝土强度等级的提高，抗拉强度与抗压强度的比值有所降低。 (4) 抗折强度：根据文献所做的试验结果表明高强混凝土抗折强度约为立方体抗压强度 的 1/81/12。 (5) 单轴抗压的 - 曲线特点：随着高强混凝土强度的提高，应力-应变曲线上升段变得 陡直且近似直线，且研究表明在高强混凝土达到 0.8fc 轴向压应力时 - 仍然保持着良好的 线性关系， 同时高强混凝土在峰值点的轴向应变随强度的提高有所增加。 但是由于高强混凝 土本身比普通的强度更高，在弹性阶段结束、裂纹开始扩展时，已经处于很高的应力水平， 3 易造成系统不稳定并迅速破坏，所以 - 曲线的下降比普通混凝土剧烈，表明高强混凝土比 普通混凝土的延性性能较差，容易发生脆裂破坏。 2.2 高强混凝土与普通混凝土相比具有的特点 高强混凝土的这些力学特征与普通混凝土既有联系又有区别，不能简单沿用普通混 凝土的公式和结论。更主要的是形成高强的途径或采用的增强方法不同，高强混凝土的 力学表现也将有所不同，所以只有对高强混凝土与普通混凝上之间的连续性和特殊性有 深人的了解，才能提出较为准确的计算表达式和结论来反映高强混凝土的力学性能，为 结构分析提供依据。高强混凝土与普通混凝土相比，高强高性能混凝土主要具有以下特 点: (1) 强度高，变形小，适用于大跨、高层、高耸等结构； (2) 耐久性、抗渗和抗冻性好，能承受恶劣环境条件考验，使用寿命长； (3) 能减小截而尺寸，有效提高建筑墙体的抵抗水平荷载的作用，大大降低结构自重和 提高结构刚度、整体性，可在一定程度上减轻震反应程度； (4) 能缩短加载龄期，并承受大的预应力，且预应力损失小。 基于上述优点， 同时高层建筑结构需要承受更大的竖向荷载和水平荷载作用， 对建筑材料的 强度和延性提出更高的要求， 高强混凝土剪力结构在一定程度上满足了以上要求， 使得高强 混凝土无论是在梁柱还是墙板中都得到了广泛的应用。 国外利用高强高性能混凝土建造的工 程比早，如：美国是世界上最早将高强混凝土用于高层建筑并将其大量推广的国家，1988 年建造的西雅图双联大(TwoU-nion Square )和 1989 年太平洋第一中心大厦(Pacific First Cen-ter)是迄今为止高层建筑中混凝土强度等级用得最高的，这两栋建筑都采用钢-混凝土组 合结构，混凝土强度等级高达 C130。国内高层结构在高强混凝土也得到迅速发展，如：上 海金茂大厦采用内筒外框结构体系， 其中中间的电梯、 楼梯和建筑设备管道井组成的钢筋混 凝土核心筒与外围八个钢骨混凝土巨型柱连接在一起，形成主要的抗侧力体系17，主楼核 心筒从地下至 31 层为 C60 混凝土，主楼核心筒从 32 层至 62 层为 C50 混凝土，且 C60 和 C50 混凝土总用量分别为 17488m3何 33708m3。 3 高强混凝土剪力墙抗震性能及影响因素 3.1 高强混凝土剪力墙抗震性能 目前，在我国抗震规范中对结构要求设置多到抗震防线：一是要求结构有较高的超静 定次数； 二是要求结构结构在延性变形阶段有良好的耗能能力； 三是结构有较多的抗侧力体 系。在高层建筑结构体系中，第三道防线十分重要，因为 随着建筑高度增大，水平荷载作用下结构的侧向位移急剧增大，尤其是在地震荷载作用下， 必须采用可靠的抗侧力结构体系来有效抵抗水平荷载的作用，加以限制高层建筑结构设计 中。 高强混凝土剪力墙作为超高层建筑的主要抗侧力构件， 由于高强混凝土力学性能相对普 通混凝土发生改变，使剪力墙刚度增大，塑性变形能力降低。高强混凝土剪力墙抗震性能程 度， 直接影响高层建筑的安全性。 对高强混凝土剪力墙抗震性能研究主要集中在其在低周反 复荷载作用下的恢复力模型的研究。 文献18 通过4片C80高强混凝土实体剪力墙进行低周反复加载试验， 研究了轴压比、 箍筋数量和约束范围对剪力墙抗震性能的影响； 绘出了各片墙的滞回曲线和骨架曲线。 利用 钢筋混凝土非线性分析， 计算出剪力墙的滞回曲线和滞回曲线特征值一刚度退化参数、 强度 退化参数、捏拢参数。其认为：(1)轴压比对剪力墙的承载能力和延性有较大影响，轴压比 越大，剪力墙的承载能力越大，相对延性较差；箍筋的数量和约束范围对剪力墙的延性有较 大影响，但对承载能力影响不大。(2) 变形能力分析，剪力墙试件经历了开裂、屈服、极限 承载力和破坏四个阶段，通过极限位移与屈服位移之比值反应剪力墙变形能力大小，4 个试 件屈服后， 其承载力均保持继续增加， 在试件达到 3 倍屈服位移左右其承载力才达到最大值； 4 超过极限荷载以后，在试件达到 5 倍屈服位移以前，其承载力降低很少。(3) 荷载-位移滞 回特点：墙体开裂之前基本处于弹性状态，滞回曲线近似于直线；在墙体开裂后至屈服前， 滞回环狭窄细长，整体的刚度变化不大，残余应变很小，耗能也很小；墙体屈服以后，滞回 环的面积逐渐增大，耗能能力逐渐增加，滞回环比较稳定；到达极限荷载后，总变形持续增 加，滞回环面积继续增大，有较轻微的捏拢效应，但承载能力降低不大。与普通混凝土剪力 墙的滞回曲线相比， 本次试验的高强混凝土剪力墙的滞回曲线的捏拢现象及剪切滑移现象不 突出，说明高强混凝土与钢筋的粘结强度较大，有利于减小剪力墙在地震作用下的滑移。 文献13通过对 15 片两端设置边缘约束构件的高性能混凝土剪力墙建试验研究， 建立 了往复荷载作用下高性能混凝土剪力墙的恢复力模型， 分析了高性能混凝土剪力墙在低周反 复加作用下承载能力、刚度、滞回性能的变化。研究认为：(1)骨架曲线在构件开裂点处的 转折并不明显，考虑刚度退化的三折线模型，以屈服荷载和相应的位移、峰值荷载和相应的 位移以及极限荷载和相应的位移,并以这三组参数作为恢复力模型骨架曲线的特征点；(2) 基于平截面假定，分别推导了屈服荷载、峰值荷载及极限荷载的表达式，且计算值与试验值 比较符合： 屈服荷载： H M F c y y 峰值荷载 H M F c m m 极限荷载 FFmu 85. 0 Hc为剪力墙的有效高度 (3) 根据理论分析和试验数据，在高性能混凝土剪力墙弹性刚度的基础上，建立了骨架曲线 各阶段的刚度计算公式： 屈服前刚度 01 3 . 0 KK 0 K为剪力墙的初始刚度，由材料力学求得； 屈服后刚度 12 35. 0KK 下降阶段刚度 13 045. 0KK (4) 与普通混凝土剪力墙恢复力模型的对比分析可得到，高性能混凝土剪力墙构件开裂前刚 度 Kc、开裂荷载和峰值荷载均比普通混凝土剪力墙高得多，但开裂荷载与峰值荷载比值以 及开裂位移与峰值荷载相应的位移比值均变化不大。 3.2 各种因素对高强混凝土剪力墙抗震性能影响 由于地震作用于结构本身的特性密切有关，尤其是结构的刚度、延性。高强混土剪力墙 本身具有高承载能力和较强的刚度， 单纯从剪力墙的载能力、 刚度保证大震不倒是不科学的， 应该保证其在具有较高承载能力的同时， 使其在超过弹性变形后还要具备足够的变形能力来 吸收和消耗地震能量。所以，高强混土剪力墙的延性性能直接关系到其抗震能力好坏。结构 的延性是指：结构或构件超过弹性后的变形能力；对于钢筋混凝土结构而言，一般用位移延 性系数来反映结构延性大小： yu / 其中：y为结构屈服位移；u为结构结构极限位移。研究表明：结构设计时，若地震作用 的取值小于弹性水平地震作用， 要就结构有足够大的延性系数 与之对应； 若地震作用相同， 结构的 越大，安全储备越大。目前，我国的规范考虑结构的弹性性能，其水平地震作用的 标准值都小于弹性水平地震作用的反应值，一般取 =35 之间的值。 高强混凝土剪力墙刚度大，延性比较小，对高强混凝土剪力墙的研究主要集中在改善 其延性，以提高其抗震性能。它的延性受到诸多因素的影响，如：轴压比、剪跨比、高强混 5 凝土强度等级，钢筋强度、边缘构件（暗柱、翼墙、边柱、暗梁等）约束程度、配筋因素、 剪力墙的结构形式，等。 （1）各种设计参数对高强混凝土剪力墙的抗震性能的影响 不同剪跨比（）高强混凝土剪力墙的抗震性能的影响分析： 剪跨比是影响高强混凝土剪力墙破坏形式及变形能力的关键因素，=M/ Vl0，式中 M 和 V 分别为计算截面的弯矩和剪力，l0为截面的有效高度，它反映了剪力墙应力和剪应力比值 的大小。对于普通混凝土剪力墙研究表明：2.0 的剪力墙以受弯为主，0.2fcbwhw时，取 N=0.2fcbwhw， 为剪力墙剪跨比，A 为剪力墙截面面积，Aw为 T 型或 I 型截面剪力墙腹板的截面面积，Ash为配置在同一水平截面内的水平分布钢筋的全 部截面面积，sv为水平分布钢筋的竖向间距。 5 结论与展望 5.1 结论 综上所说，根据目前对高强混凝土剪力墙抗震方面的研究，可得到以下几点的结论： （1） 高强混凝土以大量被应用到高层建筑结构设计中， 虽然高强混凝土有较好的力学性能， 如：高强、高弹性模量以及高耐久性，但其受力破坏时呈高脆性、延性性能较差。在高强混 凝土的受压 - 曲线中，尽管达到抗压强度时的峰值应变值较大，但是峰值应变过后应力应 变曲线的下降段非常陡，极限应变小，表明延性差。 （2）高强混凝土剪力墙抗震性能，剪力墙是主要抗侧力构件，高强混凝土剪力墙具有刚度 大，能有效提高剪力墙的水平承载能力，但弹塑性应变能力差，位移延性系数 较小，在周 反复荷载作用下低荷载-位移滞回曲线，会出现较轻微的捏拢效应。同时，高强混凝土剪力 墙抗震性能受到剪跨比、轴压比对、配筋因素、结构形式等多种因素的影响。 （3）高强混凝土剪力墙的理论设计方法，可在抗震性能目标，把高强混凝土剪力墙 抗震性能划分为 “使用良好、保证人身安全和防止倒塌”三个水平，采用基于位移的抗 震设计的方法，对高强混凝土剪力墙进行截面设计、承载能力计算，变形能力设计以及静 力弹塑性分析验证。 5.2 展望 随着我国经济的高速增长， 高强混凝土在高层建筑应用的日益广泛， 这些高层建筑主要 以混凝土结构为主， 而在混凝土结构中又以剪力墙结构为主来提高高层建筑的抗侧刚度。 但 是，目前国内外关于高强混凝土剪力墙抗震性能的研究较少，但大多数限于承载力、恢复力 模型以及延性系数等方面， 对其性能水平与性能指标之间的关系、 截面变形与构件侧移之间 的关系、截面变形能力与约束钢筋数量之间的关系等方面的试验研究则很少。因此，对关于 提高高强混凝土剪力墙性能， 如何跟好的协同发挥两种材料的性能， 从而改善高强混凝土剪 力墙结构的抗震能力进行研究具有重要意义。 8 参考文献参考文献： 1 徐培福,等.中国高层建筑结构发展与展望J.建筑结构，2009,39(9):28-32. 2 施祥云,等. 超高层建筑抗震设防需未雨绸缪J.建筑工人，2008，8(3):54-58. 3 William F.baker,D,et al .Engineering the Worlds Tallest BuildingJ.The Structureal Design of Tall and Special Buildings,2007,16:361-375. 4 GB 500112010 建筑抗震设计规范S.北京:中国建筑工业出版社，2010. 5 李宏男， 等.钢筋混凝土剪力墙抗震恢复力模型及试验研究J.建筑结构学报， 2004， 25(5): 35-42. 6 张松，等. 钢筋混凝土剪力墙构件恢复力模型J.沈阳建筑大学学报，2009，25(4): 644-649. 7 Chen L. 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