小开口对剪力墙强度和刚度的影响.doc

反应堆建筑物中小开口对剪力墙强度和刚度的影响小林学者等人，日本横滨市户冢区大成公司日本仙台东北大学日本东京核电厂工程公司摘要：一共对26个试件进行了试验用以检测在反应堆建筑物中小开口对剪力墙强度和刚度的影响。被测试的参数包括形状，数量和开口位置，以及在开口周围加固方法等。施加在试件上的反向循环荷载、它们的强度和恢复力特点被用来相互比较以此来理解这些参数的影响。根据试验结果，用来预测有多个小开口墙体抗剪强度的两种方法得到检验。一种方法是按照假定的破坏线路直接计算强度，另一种方法是在设计时允许估计强度折减系数，同时考虑到开口的影响。两种方法对于估计剪力墙的大致强度都是很有用的。它也表明，这些墙体的刚度可以使用一种混合多弹簧模型进行估计。在开口周围的加强方法中，一种简单的加强方法被提出来，并且通过检验加固对墙体强度的贡献来讨论这种方法的有效性。1. 引言：在反应堆建筑物中由于渗透管道或其他要求剪力墙不可避免地要有许多开口。当一堵墙里存在大量开口时，即使开口的尺寸相对其墙体的尺寸较小，根据开口的大小，数量和形状的不同，这些开口也能影响剪力墙的结构性能，造成削减其强度，刚度和变形能力。在日本相应的建筑学会（AIJ）标准（AIJ1998），只有一个开口的剪力墙强度的减少程度是通过水平横截面损失率的较大值或开口面积与墙体表面积比值的平方根来评价的。此外，1.0减去这个值被定义为设计实践中的强度折减系数。然而，这种折减系数不能适用于墙体上有大量的小开口的情况。因此，在日本现行的做法，在每个开口处加强设置以确保抗剪强度等于或超过墙体不开口时的强度。这会导致开口附近配筋的相互拥挤。与此相反，当墙体存在一个大开口时，比如位于隔离墙体中的一个机械门或者阻隔室，隔离墙本身就是精心设计的，同时考虑到开口的影响，借助于精密的程序，如有限元模型进行分析。为了确定一个能够估算小开口和分组开口剪力墙强度减少程度的方法，并提出在开口处一种简单有效的加固方法，采用了26个墙体试件进行加载试验。2.试验要点所有墙体样本的厚度，长度和剪跨比均分别为15厘米，200厘米和0.6，如图1所示。为了加强墙体强度，在间距10cm的横向和竖向采用一对D10的直杆件，所有的试件都选用相同的0.95%的配筋率，为防止一些钢筋在开口处断裂，在开口处设置了更多同样型号的钢筋。钢筋的屈服强度是397-417Mpa，而混凝土的抗压强度为27.3-43.5Mpa,均值和标准差分别为34.1和4.25兆帕。这些材料的特性概述在表1中。混凝土的弹性模量的均值和标准差分别是23.91000Mpa和2.061000Mpa。（图1）试件的开口尺寸和位置（单位：毫米）小林艾拉学者/核工程设计156(1995)17-27试件分为三类，即OF,OA,OR系列。每个试件开口的位置比较如图1所示。在OF系列中，有些开口被位于试件中高部的狭缝所取代，因此，可以研究在水平横截面中损失率的基本影响。在这项研究中，损失率是指在任一水平截面中最大的开口面积与总的墙体横截面积的比值。第二个系列（OA）基本上有一个固定的20%损失率，它的目的是研究开口形状，位置和数量的影响。虽然试件开口的大小不一定和实际反应堆建筑物中一致，但是它们可以用来描绘一组小开口彼此相距较近的情况。对于OR系列，选定开口的形状和位置以模拟在实际反应堆建筑物中的剪力墙，以及直接检测成组小开口的影响。与此同时，开口周围的加强方法的两种类型适用于试件OR3和OR4,每一种加强方法效率都被仔细检查。一种加固方法是在（AIJ，1988）（试件OR3）中指定的常规使用方法。该标准要求开口处配筋有足够的强度以承担开口造成的额外对角线张力。另一种加固方法是一种简化的方法，可以避免开口周围（试件OR4）钢筋的拥挤。X型的钢筋放置在被假想形成的开裂线附近。配筋的数量是由弥补预测强度的减少量所决定的。试样OX1与样本OA5有相同的开口，并且在开口周围有简化的配筋，它被作为一个特殊的情况。由于样本OA-5有相当大的强度损失，在这种情况下期望新方法的作用会清楚的解决。开口处其他的配筋在图2中做了对比。相反的偱环荷载，会相应的产生0.0005-0.01rad的转角，它们都适用于试件。它们的回复力特性和主要配筋的张力得到检测。配筋：2-D10 OR-3传统加固方法非专门配筋：2-D10OR-4(X型配筋)加固：2-D13图2：开口附近进一步加强小林学者等人。核工程与设计156（1995）17-273.实验结果3.1 强度折减在比较每个试件的折减强度之前，应对每个试件的观测强度应进行修改，同时要考虑到所有试件材料强度的不同。在这篇文章中，观测强度cQ与理论强度cQ1的比率作为强度折减指数。在理论计算时，实际的材料强度和早先用的研究方法被采用（Yoshizaki，1985），不考虑墙壁上开口的存在。比例恢复正常所以没有开口的试件OF1的值就变成了1.0。比率系数eru，定义为“观测强度折减系数”。这些观测强度折减系数被列在表1中，表中同时列出了水平横截面的损失率。在表1中通过比较观测到的折减系数和水平横截面的损失率，发现由于分散的小开口引起的强度折减比由于水平横截面的损失率引起的折减要少。同时也发现，开口的形状和位置影响强度折减的程度，即使水平横截面的损失率和/或墙面开口的总面积是一样的。例如，尽管事实上，大多数OA系列试件有相同的20%的损失率，强度折减系数也从0.72（试件OA-5）至0.99（试件OA-3）各不相同，超过10%的明显的折减只在试件OA-5,OA-6,OA-7,OA-9和OA-10系列中观察到。虽然试件OA-11的损失率小于2O%，但它显示了类似于这五种试件的的折减系数。标本OA-5，OA-6,OA-7和OA-8具有相同的损失率和总的开口面积，但在这些不同的试件中其减少程度不同。然而，观察到的试件OA-9和A-10有很少的不同，它们也有同样的损失率和总的开口面积。这表明，强度的减少并不仅仅取决于损失率和/或总的开口面积。试件OF-9和OA-3的比较表明另一个有趣的事实。它们彼此折减系数的不同，仅仅取决于开口的位置。3.2破坏模式在加强剪力墙的情况下，众所周知，墙体往往出现剪切压缩或剪切滑移破坏，而不是剪切张拉破坏，剪切张拉的破坏模式是普通的剪力墙中很常见的破坏模式。试件OF-1没有任何开口，实际上正如预期地显示了这种类型的破坏模式。试件OF-9也有这样的破坏模式。在这种破坏类型的所有墙体表面都可以看见有许多分散的斜裂缝。另一种类型的破坏模式在试件OA-5,OA-7等情况中被发现。在这些情况中，开口的连接处形成了一条明显的失效线，好像试件包括多个墙构件。另外，剪切裂缝不像以前那么大。这些破坏模式在图3中进行了比较。它们在表1中被列为A类（OF-1,OF-9等），B类（OF-5,OA-7等）。总的说来，同B类破坏模式相比，A类的强度降低较少。B类的破坏模式主要在OA系列的试件中被观测到，OA系列代表了小开口分布较密的情况。这也就是说，分散的小开口可能不会影响墙体强度;但是，密集分布的小开口可能会有影响。4.讨论4.1强度预测带有许多小开口墙体的抗剪强度的两种方法得到了研究。一种方法是用直接的方法估算沿预测破坏路线的强度，另一种方法是估计由于小开口因素所造成的强度减少。第二种方法在设计实践中是有用的，因为没有开口的剪力墙强度可以被计算出，比如产品的减少因素cru和没有开口的墙体的传统理论强度（比如cQ1）。在第一种方法（Yoshizaki，1985年），墙体被顺着预测失效线分为几个墙体组成部分所示。每个组成部分都被计算，正如预测的，当失效线形成时2所有组成部分强度给出了一个样本的理论剪力强度。表1中列出了CQ2预测强度结果，并在图4中对cQ的观测强度进行了比较。在图4中，开平方代表试件的值，它显示出强度减少大于10%，充分平方代表有较小强度降低的试件。可以这样说，这种方法适用于那些主要受开口影响的试件，但它会低估那些仅受开口轻微影响的试件的强度。这种方法需要一个假定的破坏线，有时假定的破坏线是错误的。其结果是当假定的破坏线错误时，这种方法会高估开口的影响。沿着虚设的破坏线的墙的组成部分通常有小的剪跨比，并且这种方法（Yoshizaki，1985年）给出的墙的强度比较保守，因为这种小剪跨比剪力墙的强度相当分散。在第二个方法中，介绍了实际设计中的强度折减系数，并考虑了整体应力流在墙壁上的影响。类似的方法被提出过（Tokuhiro，1987年），但这种方法在这项研究中是经过修改和审查的。由于认为墙体上受到的剪应力被对角线支杆所承受，墙体的强度主要是依赖于支杆的能力。然而，墙壁的开口扰乱了应力流在墙上的顺利流通，这降低支杆的有效作用区域。在Tokuhiro的方法中，只有支杆在45方向才被认为是有效的和这种方法低估了其强度。小林学者等人，核工程设计156（1995）17-27图3，典型的破坏模式然而，应该考虑到在45方向以外的其他方向也可能形成有效支杆。因此，图5中显示的有效支柱在这项研究中是假定的。首先，墙体被通过每个开口中心的45方向的隔界线划分为几块。然后，每个支柱的有效宽度被定义为长度方向的最小宽度。通过这种修正方法得到的有效面积比用Tokuhito方法获得的数据大一点。图4，观测强度和预测强度的对比 图5，观测值和建议的减少系数的对比通过这种方法得到的估计强度折减系数列于表1中作为拟议的设计系数cru。把这个值与观察到的强度折减系数cru的值相互比较，并在图5中绘制。对于大部分试件来说计算值和观测值的比值降为0.90-1.10。这个方法似乎为实际设计提供了一个折减系数，再利用常规公式来预测没有开口的墙的剪切强度。4.2刚度图6，恢复力计算X型配筋剪力墙的承载力配筋模型的应力应变关系图7 X型配筋剪力墙的承载力计算方法为了讨论试件的刚度，用一个多弹簧模型进行研究。在此方法中，类似于直接强度估算方法，墙被分为多个弹簧构件，构件的恢复力特性通过早期的研究（Forukawa，1987年）确定，这项研究用来确定在核反应堆建筑物中有大量钢筋的剪力墙的恢复力特性。最终的0.4%的剪切变形被确定，剪应力剪应变的关系的最终值在研究报告被提出。在小剪跨比的墙体中剪切变形占主导地位。在这个项目中所有被测试的试件有相同的0.6的剪跨比;因此，对于所有情况该比值达到0.7或以上时剪切变形占主要地位。此外，弯曲变形似乎对所有的试件有相同的影响，因为所有试件具有相同的配筋率和抗弯能力。因此，在这里比较剪切变形特点，因为这似乎足以检测小开口对试件恢复力特性的影响。在图6中显示了采用弹簧元素的假定方法，使用试件OA-5作为一个例子。每个试件的恢复力一步一步地被计算出，这样总的恢复力的所有要素被计算出。一些结果在图6被显示出来。可以说，这样的墙壁的刚度可以通过弹簧模型大致被计算出来。4.3 加固效应围绕开口进行常规的加强的作用被OR-3的实验结果所证实，因为与没有开口的试件OF-1相比，它具有更大的强度值。简化加强的效用在试件OA-5,OX-1,OR-2,OR-4的基础上进行了比较。假设一个双线性应力应变关系，钢筋的拉伸强度可以通过光盘在测试期间被大致记录下来，尽管Bauschinger效应被忽视了。图7显示的方法过去常常用于计算X形加强剪力墙的剪切力。图8显示了试件OX-1和OR-4的计算值。试件开口强度的应力随变形的增加而增加，并最终达到屈服强度。在图9中，试件OX-1和OR-4的骨架曲线同OA-5和OR-2进行了比较，OA-5和OR-2没有任何X型加强。它们之间的不同在于在剪切荷载下还给予了直接的有效的加强。尽管这两个结果不一定相互适合，可以说，该方法是有效的，至少在改进变形能力方面。然而，试件OX-1或OR-4的强度不能通过试件OA-5或OR-2的最大体积和X型加强开口的最大体积方法进行简单估算。这是因为在一个特定的时期他们的最大能力出现差异。5结论预测带有许多小开口剪力墙强度和刚度的方法在26个试件的实验结果上进行了讨论。小开口周围的加强效应得到了检测。实验结果得到以下的结论。（1） 小开口剪力墙中强度的减少不能简单地通过水平截面的损失率进行评价。（2） 疏散的小开口几乎不影响墙的强度，但它们的位置影响墙体的强度。（3） 由假想墙体破坏线所取得的强度预测同实验结果相吻合，证明破坏线的形成符合预期假设。（4）这里的设计强度折减系数对于估计有大量分散小开口的剪力墙是有用的。（5）估算没有开口的墙体的刚度的可能性是通过一个简单的多弹簧模型所决定的。（6）围绕开口加强对角线的作用是确定的，但其总的作用不能被达到没有开口的墙壁的强度。这种加固类型能相当有效地改善墙壁的变形能力。鸣谢这项调查是由“地震验证测试委员会”组织的，核电工程公司（NUPEC）作为“评价核反应堆建筑物地震行为的实验模型”的一部分，由日本商务部国际贸易和工业部（通商产业省）赞助的。作者想再次感谢MIT1的赞助和委员会各成员的合作和宝贵的建议。