轻骨料陶粒混凝土剪力墙抗震性能试验研究.pdf

2 0 1 2年第 1 2 期 1 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C ONC RE T E AND C EME NT P ROD UC 2 01 2 No 1 2 De c e mbe r 轻骨料陶粒混凝土剪力墙抗震性能试验研究 李艳艳 一 ， 杜 闯 1 ,2 ， 陈艳风 一 ， 刘 坤 。 ( 1 河北工业大学土木工程学院 ， 天津 3 0 0 4 0 1 ； 2 河北省土木工程技术研究中心， 天津 3 0 0 4 0 1 3 ； 3 河北工业大学校园规划处 ， 天津 3 0 0 1 3 0 ) 摘要 ： 通过四片不 同配筋形式 的轻骨料陶粒混凝土剪力墙的低周往复水平荷载试验 ， 研究了钢筋 的布置形式 和钢筋 的级别对轻骨料陶粒混凝土剪 力墙抗震性能 的影响 ， 包括承载力 、 刚度、 延性 、 耗能能力等抗震指标 。研究结 果表 明 ： 采用斜 向配筋形式 的轻骨料 陶粒混凝 土剪力 墙 比提高钢筋强度更能有效 的提高结 构的承载力 、 变形能力 、 耗能能力 ， 延缓 刚度退化 ， 提高结构 的安全储备 。 关键词 ： 陶粒混凝土 ； 承载力 ； 刚度 ； 滞 回曲线 ； 耗能能力 Ab s t r a c t ： T h r o u g h t h e h o r i z o n t a l l o w c y c l i c l o a d i n g t e s t s o f d i f f e r e n t r e i n f o r c e me n t f o r m o f f o u r p i e c e s o f l i g h t we i g h t a g g r e g a t e h a y d i t e c o n c r e t e s h e a r w a l l ，t h e i n f l u e n c e s o f t h e l a y o u t a n d t h e l e v e l o f the r e i nfo r c e me n t o n t h e s e i s mi c p e r f o rm a n c e o f s h e a r wa l l are s t u d i e d ，i n c l u d i n g the b e a r i n g c a p a c i t y ，s t i ff n e s s ，d u c t i l i t y a n d e n e r g y d i s s i p a t i o n c a p a c i t y T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e d i a g o n a l r e i n f o r c e me n t form s o f l i g h t we i g h t a g gre g a t e h a y d i t e c o n c r e t e s h e a r wa l l c a n mo r e e f f e c t i v e l y i mp r o v e t h e b e a r i n g c a p a c i t y ，d e f o r ma t i o n a n d e n e r g y d i s s i p a t i o n c a p a c i t y of t h e s t r u c t u r e t h a n i mp r o v i n g t h e r e i n f o r c e d s t r e n g t h ， d e l a y s t i ff n e s s d e g r a d a t i o n ， a n d i mp r o v e山e s a f t v r e s e r v e s o f t h e s t r u c t u r e Ke y wo r d s ： Ha y d i t e c o n c r e t e ； Be a r i n g c a p a c i t y ； S t i f f n e s s ； Hy s t e r e t i c c u rve ； En e r gy d i s s i p a t i o n 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 2 ) 1 2 5 8 0 4 0前 言 近 年来 ， 随着 我 国经济 的 高 速增 长 和 响应 政府 节约用地的号召 ，高层及超高层建筑应用 日益广 泛 ， 剪力墙及框架一剪力墙 以其较好 的抗震性能成 为高层建筑的主要形 ” 。当前 ， 我 国高层建筑技术 向前发展的一个重要内容是减轻结构 自重问题 ， 其 中最为关键的是高强轻质材料 的推广与应用 ， 由于 轻骨料陶粒混凝土具有轻质、 抗震性能好 、 高强 、 耐 久性能高 、 保温 、 易于施工等优点 ， 成为 目前具有发 展前景 的新型混凝土口 _ 5 。因此 ， 对轻骨料陶粒混凝 土剪力墙的结构设计及抗震性能进行研究具有重 要 现实意 义 。 1 试 验概 况 1 1 试 验设 计 试 验 共 设 计L WA C1 、 L WA C 2 和 L WA C 3 、 L WA C 4两 组 4片 断面 均 为哑 铃 型 的轻骨 料 陶粒 昆 凝土剪力墙试件 ， 且断面全长为 1 5 0 0 m m。 所有试件 边 缘 构 件 尺 寸 为 2 5 0 m m x 2 5 0 m m， 且 L WA C 1 、 L WAC 2纵横钢筋完全一样 ， L WA C 3 、 L WA C 4一样。 所有试件墙体 中都使用单层钢筋 网， 且腹板厚度均 为 1 0 0 mm。试件 L wA C 1 、 L WA C 3用传统的纵 、 横向 钢 筋 网加 强 ， L WA C 2 、 L WAC 4用斜 向钢 筋 网加 强 。 基金项 目： 河北省 自然科学基金项 目( E 2 0 0 9 0 o 0 O 7 3 ) 。 一 5 8一 本试验基础的配筋是一致的 ， 试件用 6 0 0 m m厚的底 梁 通过 螺 栓 固定在 实 验室 地 面上 ，试 件 的垂 直 、 斜 向钢筋 均锚 固在底 梁 中 。在试件 上部 浇 筑一 个 2 5 0 m mx 5 0 0 m m 的顶梁 ，在墙底部 以上 2 0 0 0 m m处 的侧 向荷载通过液压传 动装置 的马达安装在试件 顶梁的中部进行施加 。 试件尺寸及配筋如图 1 ， 配筋 如表 1 ， 轻骨料陶粒混凝土力学性如表 2 。 1 O 1 6 1 0 o 01 O ： 1 1 ： 、 、 _ L 一 U 2 5 0 2 5 0 -5 o fl 1 o 0 O o o 2 5 0 0 ( a ) 试件尺寸 ( b )纵横向布筋 ( C )斜 向布筋 0 I L 1 1 ( d )剖面 图 图 1 试件尺寸及配筋图 李艳艳 ， 杜闯 ， 陈艳风 ， 等 轻骨料陶粒混凝土剪力墙抗震性能试验研究 表 1 试件 配筋表 注 ：直径为 l O m m 的 H R B 4 0 0钢筋屈服强度 为 4 5 0 MP a ， 抗 拉强度为 5 9 0 M P a。弹性模量为 2 1 6 1 0 5 MP a ； 直径为 1 0 ra m 的 HR B 5 o 0钢 筋屈服强度 为 5 3 1 MP a ， 抗拉 强度 为 6 7 1 MP a。 弹 性 模 量 为 2 1 6 1 0 5 M P a ；边 柱 箍 筋 采 用 直 径 为 6的 H P B 2 3 5钢 筋 ， 屈 服强度 为 3 6 5 M P a ， 抗拉 强度 为 4 7 3 MP a ， 弹性模量 为 2 0 2 x 1 0 5 MP a 。 表 2 轻骨料 陶粒 混凝 土力学性能 注： 厶 为混凝 土立 方体 抗压强 度 = 0 7 l 1 0 5为计算 轴心 强度 。 1 2 加载制度 本试验采用低周期往 复水平荷载试验模 拟水 平地震作用 ， 低周期往复水平荷载 的加载程序采用 先荷载后位移控制 的混合加载制度 ， 荷载控制每级 循环一次 ， 屈服后 位移控制每级循环三次 ， 正反向 加载达到每级荷载或每级位移时记录相应的荷载 、 位移 、 裂缝宽度及开展情况 、 钢筋和混凝土应变 ， 并 在旁边描出裂缝形状 ， 加载装置如图 2 。 1 一 试 1 2 一 传2 。 3 一 传 l 4一 水： 5 一 百一 6 一 反 1 0 O 8 0 0 0 7 一 反 1 1 暑 8 一基 J X 螺 1 0 0 【 l 4 0 0 1 4 0 0 【 1 0 0 图 2 加 载装置 图 2承 载力 分析 试验过程 中，轻骨料 陶粒混凝土剪力墙试件经 历了开裂 、 屈服 、 极限承载力和破坏四个阶段 ， 其对 应的荷载如表 3 。 表 3轻骨料陶粒混凝土剪力墙承载力 从表 3中可 以看 出 ： ( 1 ) 轻骨料 陶粒混凝土剪力墙 中试件 L WA C 2的 开裂荷载 比 L WA C1提高 3 1 5 4 ，屈服荷 载降低 1 6 5 2 ，极 限荷 载提 高 5 3 3 ；试件 L WA C 4比 L WA C 3开 裂 荷 载 提 高 5 1 7 5 ，屈 服 荷 载 提 高 1 3 4 8 ， 极限荷载提高6 2 6 。可见 ， 极 限承载力提 高的 比例在 5 左右 ，结合表 5中用钢量 的关 系一 斜 向布置钢筋 比纵横 向布置钢 筋的用钢量增 大约 为 4 - 5 ， 说 明采用斜向配筋形式不能有效提高试 件的极限承载力 ， 但能显著提高试件的开裂荷载。 ( 2 ) 轻骨料 陶粒混凝土剪力墙 中 L WA C 3的开 裂 荷 载 比 L WA C1提 高 1 4 5 1 ，屈 服 荷 载 降 低 1 5 0 6 ， 极限荷载降低 1 0 0 0 ； L WA C 4的开裂荷载 比 L WA C 2提高 3 2 1 1 ，屈服荷载提高 1 5 4 7 ， 极 限荷载降低 9 1 6 。可见 ， 开裂荷载有 明显提高 ， 极 限荷 载却下 降 1 0 左右 ，结合表 5中用钢量的关 系 ，用 钢 量减 小 的幅度 比承载 力 减小 的幅 度要 小 ， 说明提高钢筋强度等级不能提高试件极 限承载力 ， 但能显著提高试件的开裂荷载。 ( 3 ) 轻骨料陶粒混凝土剪力墙 L WA C1 、 L WA C 2 、 L WA C 3 、 L WAC 4开裂强度与屈服强度 的比值分 别 为 0 2 3 4 、 0 3 6 8 、 0 3 1 5 、 0 4 2 1 。 可见 ， L WA C 2的 开 裂 强度与屈服强度 的比值 比 L WA C 1 要大 ， L WA C 4的 比值 比L WAC 3要大 ，说 明不论是配有 HR B 4 0 0钢 筋的试件 ， 还是配有 H R B 5 0 0钢筋的试件 ， 采用斜向 配筋形式都会使从开裂到屈服的历程相对缩短 ， 不 利于结构抗震 。 ( 4 ) 轻骨料陶粒混凝土剪力墙 L WAC 1 、 L WA C 2 、 L WA C 3 、 L WAC 4屈服强度与极限强度 的比值分 别 为 0 7 9 8 、 0 6 3 3 、 0 7 5 3 、 0 8 0 4 ， 可见 L WA C 2的屈 服 强 度与极 限强度 的比值 比 L WA C 1的要小 ， L WA C 4比 L WA C 2的要大 ； L WA C 3的屈服强度与极限强度 的 一 5 9 2 0 1 2年第 1 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 0期 比值 比 L WAC 1小 ，L WA C 4比 L WAC 2大 ，说 明 的安全储备不明显。 H R B 4 0 0钢筋 的试件采用斜向配筋形式的试件有较 3延性分析 好的安全储备 ， 而 H R B 5 0 0钢筋的试件对 提高试件 各阶段试件的位移实测值见表 4 。 表 4 各试件的位移实测值 注 ： 表 中位移是距基础顶 面 2 0 0 0 ra m 处的位移实测值 ； U c r 为与开裂荷载 F c r 对应 的位移 ， 为与屈服荷载 盼 对应 的位移 ， 为试 件的最大 弹塑性位移 。 从表 4中可以看出 ： ( 1 ) L WA C 2的开裂位移 比L WA C1 小 ，屈服位 移 、 极限位移比 L WA C 1 大 ， 但 L WA C 4的开裂位移 、 极限位移 比L WA C 3大 ，屈服位移比 L WA C 3小 ， 说 明配有 HR B 4 0 0钢筋的试件采用斜 向配筋形式 比 采用纵横 向配筋形式更有利于延缓裂缝的发展 ， 且 能提高结构的变形能力 ， 但配有 H R B 5 0 0的构件采 用斜向配筋却有相反的性fi $ 6 1 。 ( 2 ) L WAC 3 、 L WA C 4的开裂位 移 、 屈服位移分 别 比 L WA C 1 、 L WA C 2大 ，但 极 限 位 移 分 别 比 L WAC 1 、 L WA C 2小 ， 说明提高钢筋强度等级不能提 高结构的变形能力。 ( 3 ) L WA C 1 、 L WA C 2 、 L WA C 3 、 L WA C 4的延 性 系 数分别是 3 5 7 、 3 7 0 、 1 8 3 、 2 2 6 。 可见 L WA C 2的延性 系数 比L WA C1大 ， L WA C 4的延性 系数 比 L WA C 3 大 ； L WA C 3的延性 系数 比 L WAC 1 小 ， L WA C 4的延 性系数 比 L WA C 2小 ，说 明不论是配有 HR B 4 0 0的 试件 ， 还是 配有 H R B 5 0 0的试件 ， 采用斜 向配筋形 式 比采用纵横 向配筋形式延性较好 ； 提高钢筋强度 不能提高结构的延性 。 4刚度分析 本次试验采用平均 割线 刚度来反 映试件 的刚 度退化情况 ， 如图 3 所示。 由图 3可知 ，所有构件在刚开始加载的阶段 ， 刚度退化 比较 大 ， 在达到屈服荷 载以后 ， 所有的构 件刚度退化 变得 比较平缓 ，说明刚度有较大的跌 落 ， 这主要 由裂缝的开展引起 。在加载过程 中构件 L WAC 1始终具 有较大 的平均 割线 刚度 ，而构 件 L WA C 4的平均割线刚度最小 ， 并且变化最平缓 。同 时 ， L WA C 2、 L WA C 4的平均割线刚度曲线斜率分别 比 L WA C 1 、 L WA C 3变化慢 ， 说明不论配有 H R B 4 0 0 钢筋 的试件 ， 还是配有 HR B 5 0 0钢筋的试件 ， 采用 斜向配筋形式都有利于缓解刚度退化； L WA C 3平均 一 6 0一 割线刚度曲线斜率 比 L WA C1 在达到屈服荷载前变 化快 ，达到屈服荷载后变化慢 ， L WA C 4平均割线刚 度 曲线斜率 比 L WAC 2变化慢 ，说明提高钢筋强度 等级对缓解刚度退化不明显。 翥 耍 水 平衙 载， k 图 3 刚度随水平荷载的变化 5耗能分 析 本试 验 4个轻骨料 陶粒混凝土剪力墙试件 的 荷载一位移滞回曲线如图 4 。各试件的等效粘滞阻 尼系数和能量耗散系数见表 5 。 由表 5可以看出 ： ( 1 ) 从滞 回环 的形状 、 面积和能量耗散系数可 以定性 的分析 出斜 向布置钢筋会获得更大 的耗能 能力 P 。在用钢量提高 4 5 的前提下 ，配置 HR B 4 0 0级钢筋的试件 ，斜向布置钢筋可以提高耗 能能力 9 ； 配置 H R B 5 0 0高强钢筋 的试件 ， 斜向布 置钢筋可 以提高耗能能力 3 6 ， 说明采用斜 向配筋 形式可以有效地提高结构 的耗能能力。 ( 2 ) 对于不 同钢筋强度和配筋率但相 同布筋形 式的两组试件 ， L WA C 1 、 L WAC 3组耗能能力 的减少 量与钢筋的减少量都是 1 0 左右 ， L WAC 2 、 L WA C 4 组耗能能力 的增加量与钢筋的减少量 都是 1 0 左 右 ， 说 明提高钢筋强度对于试 件耗能能力的影 响不 李艳艳 ， 杜 闯， 陈艳风 ， 等 轻骨料陶粒混凝土剪力墙抗震性能试验研究 bUU z 4 0 0 2 0 0 2 O ， mm ( a ) L WA C1 OUU Z 4 0 0 2 o o 1 O 3 0 5 A ram m O U U z4 0 ， 0 o 。 o 3 0 1 凸 m 图 4 荷载一 位移滞 回曲线 表 5 各试件实测耗 能能力 ( b) L WAC 2 6U u z 4 0 0 2 0 o 3 0 A m m 明显 。 6结论 ( 1 ) 不论是配有 H R B 4 0 0钢筋的试件 ， 还是配有 HR B 5 0 0钢筋的试件 ，斜向布置钢筋 比纵横 向布置 钢筋的用钢量增大约 4 - 5 的前提下 ， 试件的开裂 荷载提高 1 0 - 6 0 ， 有利于提高轻骨料陶粒混凝土 剪 力墙 抗 裂性 能 。 ( 2 ) 对于配置 H R B 4 0 0级钢筋 的轻骨料陶粒混 凝土剪力墙 ， 采用斜 向配筋形式的试件开裂位移 比 采用纵横 向配筋的试 件小 ， 且 延性系数较大 ， 有利 于延缓裂缝的发展 ， 提高结构的延性变形能力。 ( 3 ) 采用平 均割线 刚度 分析试件 的刚度 退化 ， 斜 向配筋形式的轻骨料陶粒混凝土剪力墙 曲线斜 率下降较缓慢 ， 能有效地延缓结构刚度退化。 ( 4 )在用钢量提 高约 4 - 5 的前提下 ，配置 H RB 4 0 0级钢筋 的轻骨料陶粒混凝土剪力墙采用斜 向配筋形式 的耗能能力可以提高 1 0 左右 ，配置 H R B 5 0 0级钢筋的轻骨料陶粒混凝土剪力墙采用斜 向配筋形式 的耗能能力可以提高 3 5 左右。 参考文献 ： 【 l 】 祖亚 丽 轻骨料混凝土剪力墙抗震性能 的试验研究 与有 限 元分析 D 】 天津 ： 河北工业大学， 2 0 0 7 【 2 】 原 长庆 高层建 筑结构 设计 【 M】 哈 尔滨 ： 黑龙 江科学 技术 出版社 ， 2 O o 0 【 3 龚洛 书轻 骨料混凝 土技术 的发展 与展望 J 混凝土 ， 2 0 0 2 ， 2 ： 1 3 1 5 【 4 T h e E u r o p e a n U n i o n B r i t e E u r a m 1 1 I T e c h n i c a l a n d e c o n o m i c mi x t u r e o p t i mi z a t i o n o f h i g h s t r e n g t h l i g h t- w e i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e E u r o L i g h t C o n E c o n o mi c D e s i g h a n d C o n s t r u c t i o n w i t h L i g h t W e i g h t Ag g r e g a t e C o n c r e t e Do c u me n t BE 9 6 - 3 9 4 2 R9 20 00 1 -4 0 5 】 杨秋玲， 马克栓 轻 骨料 混凝土的现状与发展 J 铁道建 筑， 20 06 6 ： 1 0 41 0 6 6 】 孙香花 ， 左 晓宝 低周 反复荷载作用 下带竖缝高强混 凝土 剪力墙承载力研究【 J J 工业建筑 出版社 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 7 ) ： 5 3 5 6 【 7 】 P a r k Wa n S h i n ， Y u n H y u n - D o S e i s m i c b e h a v i o u r a n d d e s i g n o f s t e e l c o u p l i n g b e a ms i n a h y b rid c o u p l i n g s h e a r wa l l s y s t e ms Z N u c l e a r E n g i n e e ri n g a n d D e s i g n ， 2 0 0 6 8 】 赵 国藩 高等钢 筋混凝 土结 构学 M 】 北京 ： 机 械工业 出版 社 ， 2 0 0 5 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 O 一 2 9 作者简介 ： 李艳艳 ( 1 9 7 9 一 ) ， 女， 副教授 、 博士 。 通讯地址 ： 天津 市北辰 区辰达路 听景 园 1 9 2 6 0 2 联 系电话 ： 1 3 9 2 0 1 7 7 9 0 4 E r n a i I ： n i c o l e _8 2 01 6 3 c o m 一 6l一