结构刚度特征系数对砌体墙—钢筋混凝土墙组合结构受力性能及位移特性的影响.pdf

第 3 6卷第2期 2 0 1 0年 4月 四川建筑科学研究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 85 结构刚度特征 系数对砌体墙一钢筋混凝土墙组合结构 受力性能及位移特性的影响 孙义刚 ， 周 觐 ( 1 ． 邵阳学院城市建设系 ， 湖南 邵阳4 2 2 0 0 0 ； 2 ． 湖南省第四工程公司， 湖南 长沙4 1 1 0 0 0 ) 摘要 ： 根据砌体墙一钢筋混凝土墙组合结构的受力特点， 对不同结构刚度特征系数的组合结构进行 了定性分析， 同时， 对组 合结构进行非线性动力时程分析及静力非线性分析， 进一步阐明了结构刚度特征系数对砌体墙一钢筋混凝土墙组合结构受 力性能及 位移特性的影响 。 关键词： 结构刚度特征系数 ； 砌体墙一钢筋混凝土墙组合结构； 受力性能； 位移特性； 影响 中图分 类号 ： T U 3 9 8 文 献标 识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 8—1 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 2—0 8 5—0 3 Effe c t s o f s t r u c t ur a l s t i ffn e s s c h a r a c t e r i s t i c p a r a me t e r o n me c ha n i c a l p r o p e r t y a n d d i s p l a c e me n t c h a r a c t e r i s t i c o f t h e ma s o n r y- RC wa l l c o m p o s i t e s t r uc t u r e S UN Yi g a n g ． Z HOU J i n ( 1 ． D e p a r t m e n t o f C i t y C o n s t r u c t i o n ， S h a o y a n g U n i v e r s i t y ， S h a o y a n g 4 2 2 0 0 0， C h i n a 2 ． T h e F o u rt h E n g i n e e ri n g C o m p a n y o f H u n a n P r o v i n c e ， C h a n g s h a 4 1 1 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ba s e d o n t h e me c h an i c a l p r o p e a y o f b ri c k wall s a n d c o n c r e t e s h e a r w a l l s ， t h e p a p e r f o c u s e s o n t h e q u ali t a t i v e a n aly s i s o f t h e c o mp o s i t e s t r u c t u r e o f d i ff e r e n t s t r u c t u r al s t i ff n e s s c h a r a c t e r i s t i c p a r a me t e r ． T h e n o n l i n e a r d y n am i c t i me h i s t o r y a n aly s i s a n d t h e s t a t i c n o n l i n e a r ． An aly s i s are c a r r i e d o u t an d e ff e c t s o f s t r u c t u r al s t i ff n e s s c h a r a c t e r i s t i c p a r am e t e r o n me c h a n i c a l p r o p e rt y a n d d i s p l a c e me n t c h a r a c t e r i s t i c a r e f u r t h e r e l u c i d a t e d ． Ke y wo r d s s t u c t u r a l s t i ff n e s s c h a r a c t e r i s t i c p a r am e t e r ； t h e i T l a ．~ o n r y — RC w a l l c o mp o s i t e s t r u c t u r e ； me c h a nic al p r o p e r t y； d i s p l a c e me n t c h ara c t e ris t i c； e ffe c t 0 引 言 结构刚度特征系数 ， 是砌体墙一钢筋混凝土墙 组合结构 中砌体墙抗侧 刚度与钢筋混凝土墙抗弯刚 度的比值 ⋯。结构刚度特征 系数 A对 此类 组合结 构受力、 变形性能影 响很大。根据此类组合结构 的 受力特点 J ， 对不同结构刚度特征 系数 的组合结构 进行 了定性和定量分析 ， 进一步 阐明了结构 刚度特 征系数对砌体墙一钢筋混凝土墙组合结构受力性能 及位移特性的影响。 1 结 构 刚度 特 征 系数 对 组 合 结 构侧 移特性 的影 响 砌体结构与钢筋混凝土剪力墙结构 的侧 向位移 收稿 日期 ： 2 0 0 8 - 0 8 — 1 8 作者简介 ： 孙义 刚( 1 9 6 9一) ， 男 ， 湖 南隆 回人 ， 副教授 ， 硕士 ， 主要从 事工程结构抗震 与防灾研究及教学工作 。 基金项 目： 湖南省教育厅基金 资助项 目( 0 6 C 7 5 6 ) E —m a i l ： s u n y g 61 8 @ y a h o o ． c o n． a n 特性是不 同的。砌 体结构 的侧移 曲线 凹向初始 位 置 ， 自底部向上 ， 层 问位移越来越小 ， 与悬臂梁的剪 切变形曲线相类似 ， 故称 “ 剪切型” ， 如 图 1中点划 线所示 ； 而钢筋混凝土剪力墙结构 的侧移 曲线 凸 向初始位置 ， 自底部 向上 ， 层 间位移越来越大， 与悬 臂梁的弯曲变形曲线相类似， 故称“ 弯曲型” ， 如图 1 中虚线所示 J 。对于砌体墙一钢筋混凝 土墙组合 结构 ， 由于刚性楼盖的连接作用 ， 两者的侧 向变形必 须一致 ， 结构侧移 曲线 为“ 弯剪型 ” ， 如 图 1中实线 所 示 。 砌体墙一钢筋混凝土墙组合结构 的侧移 曲线 ， 随着其结构 刚度 特征系数 A的不 同而变化 。当 A 值较小时， 组合结构的侧移曲线接近钢筋混凝土剪 力墙结构的侧移曲线； 当 A值较大时， 组合结构的 侧移曲线接近砌体墙结构的侧移曲线 ．4 J 。 2 结构 刚度 特 征 系数对 组合 结构 受 力的影 响 在砌体墙一钢筋混凝土墙组合结构 中， 由砌体 8 6 四川建筑科学研究 第 3 6卷 图 1 组合结构 的侧移 曲线 F i g ． 1 Th e l a t e r a l d i s p l a c e me n t c u r v e o f c o mp o s i t e s t r uc t ar e 墙和钢筋混凝土墙共 同分担水平外荷载， 由任一截 面上水平力的平衡条件可以得到P + P =P。但 由 于砌体墙和钢筋混凝土墙 的变形特性不同， 使 P 与 P 沿结构高度方向的分布形式与外荷载 的形式不一 致 ， 在砌体墙和钢筋混凝土墙之 间存在着力 的重分 布 。 图 2 组合结构的层间位移 曲线 Fi g ．2 Th e s t or e y d i s pl a c e me nt c ur v e o f c o mpo s i t e s t r u c t ur e 从图2可以看出， 在组合结构的底部， 混凝土剪 力墙的层间侧移小于砌体墙 的层间侧移 。为了使两 者具有相同的层 间侧移， 混凝土剪力墙承担的分布 荷载将大于外荷载 ， 而砌体墙承受的分布荷载与外 荷载方向相反 ， 两者 之和应等于外荷载。而在结构 的上部 ， 砌体墙的层间侧移小于混凝土剪力墙的层 间侧移 ， 在变形协调过程 中， 混凝土剪力墙受到砌体 图 3 组合结构的荷载分 配 F i g ． 3 Th e l o a d d i s t r i b u t i o n o f c o mp o s i t e s t ru c t u r e 图 4 组合结构的剪力分配 Fi g ． 4 Th e s h e a r d ist rib u t i o n o f c o mpo s i t e s t ru ctu r e 墙的“ 扶持” 作用 ， 混凝土剪力墙 承担的分布荷载小 于外荷载， 砌体墙承担的分布荷载与外荷 载方 向一 致。 图 3是砌体墙～钢筋混凝土墙组合结构在均布 水平荷载作用下， 钢筋混凝土墙部分和砌体墙部分 承担的分布荷载沿结构高度方向的变化情况。将分 布荷载沿高度方 向积分可以得到外荷载产生的总剪 力和总混凝土剪力墙承担的剪力 、 总砌体墙 承担的 剪力 ， 如图4所示 。总混凝土剪力墙和总砌体墙承 担的剪力 随刚度特征 值 的变 化而变化。当 A =0 时， 意味着总砌体墙的刚度可以忽略不计 ， 所有的剪 力全由总混凝土剪力墙承担 ； 当 A = ∞ 时， 意味着 总混凝土剪力墙 的刚度可以忽略不计 ， 所有 的剪力 全由总砌体墙承担 ； 一般情况下 ， 剪力由总混凝土剪 力墙和总砌体墙分担。 ‘ 3砌体墙一钢筋混凝土墙组合结构 非线性 动力 时程分 析及静 力非 线性分 析 3 ． 1 算例设计 为了进一步分析结构刚度特征 系数 A值对结 构抗震性能的影响 ， 对组合结构进行非线性动力时 程分析及静力非线性分析。根据砌体墙一钢筋混凝 土墙组合结构对刚度特征系数 的要求 ， 抗震设防烈 度为 8度的地区 ， 结构横向特征刚度系数 A不宜大 于 5 ． 0 ， 且不应大于 5 ． 5 ， 同时， 不宜小于 2 ． 5 。本 文设计 3种有代表性的反映不同钢筋混凝土墙数量 的组合结构 ： ( 1 ) 结构特征刚度系数 A =7 ． 0( 钢筋 混凝土墙数量偏 少) ； ( 2 ) 结构特征 刚度 系数 A = 4 ． 0( 钢筋混凝土墙数量合适) ； ( 3 ) 结构特征刚度 系数 A =2 ． 0( 钢筋混凝土墙数量偏多) 。 房屋共 8层 ， 层高 2 ． 8 m， 总高度 2 2 ． 4 m， 基本 烈度为 8度 ， Ⅱ类建筑 场地 ， 设计地震分组为 2组 。 横向钢筋混凝土墙( 涂黑部分) 的数量及布置如图 5 所示 ， 混 凝土 墙厚 度 为 2 0 0 m E， 砖墙 厚度 为 2 4 0 m m。混凝土墙 、 构造柱及楼板的混凝土强度等级均 为 C 3 0 ， 砖强度等级 M U I O ， 采用 M 7 ． 5混合砂浆砌 2 0 1 0 N o ． 2 孙义刚， 等： 结构刚度特征系数对砌体墙一钢筋混凝土墙组合结构受力性能及位移特性的影响 8 7 筑 。混凝土剪力墙采用 I 级钢筋 ， 纵、 横向配筋率均 为 0 ． 5 ％ ； 构造柱采用 Ⅱ级钢筋 ， 配筋率为 1 ． 0 ％ ， 构 造柱截面尺寸 为 2 4 0 m m X 2 4 0 m m， 连梁截 面尺寸 为 2 4 0 mm X 2 4 0 m m。 2 0 0 4 0 0 0 l 3 4 0 0 l 4 0 0 0 图 5结构平 面布 置 Fi g． 5 S t r uc t ur a l pl an l a yo ut dr a wi ng 3 ． 2非线性动力时程分析及静力非线性分析 本文 以输入 E 1 一 C e n t r o波 A = 4 0 0 g a l 时的时 程分析结果与A = 4 0 0 g a l 时的静力非线性分析结 果作 比较分析 ， 如图 6所示。由图 6可以看出， 砌体 墙一钢筋混凝土墙组合结构的侧移 曲线 ， 随着结构 中钢筋混凝土墙 的数量 ( 即结构特征刚度 系数 A) 的不同而变化。当 A值较小 (A =2 ． 0) 时， 组合结 构的侧移曲线凸向初始位置 ， 自底部向上 ， 层问位移 越来越大， 表现 出明显 的弯 曲变形特征 ； 当 A值较 大( A =7 ． 0) 时， 组合结构的侧移曲线 凹向初始位 置， 自底部 向上 ， 层 间位移越来越 小 ， 表现出明显 的 剪切变形 特征 ； 当 A值合 适 (A =4 ． 0) 时 ， 砌 体 墙一钢筋混凝土墙组合结构 ， 由于刚性楼盖 的连接 作用 ， 两者 的侧 向变形 必须一致 ， 结构侧 移 曲线为 “ 弯剪型” ， 房屋底部几层 的变形明显较剪切型结构 要小得多。 位移 ／ mil l 位移 ／ n ( a ) 时程分析结果( A r ~ x = 4 0 0 g a 1) ( b ) P 1 ls h - o v e r 分析结果 ： 4 0 0 g a 1 ) 图6 结构特征刚度系数 A对结构侧移曲线的影响 Fi g． 6 Effe c t s o f s t r uc t ur a l s t i ffne s s c ha r ac t e r i s t i c pa r ame t e r A on s t ru c t ure l at e r al di s pl ac e me nt 4 结 论 通过对不 同结构特征刚度系数 的组合结构进行 非线性时程分析及静力非线性分析 ， 可 以得 出以下 结论。 ( 1 ) 钢筋混凝土墙的数量变化对 结构的受力和 变形影 响很 大。钢筋 混凝 土墙 的数量过 少 (A = 7 ． 0) ， 达不到提高结构抗震 能力 的 目的， 其 变形表 现出砌 体 结构 的变形 特 征 ， 其 变形 曲线 为 “ 剪 切 型” ， 层间位移 自底部 向上越来越小。 ( 2 ) 钢筋混凝土墙 的数量 过多 ( A =2 ． 0) ， 其 变形表现出钢筋混凝土剪力墙结构 的变形特征 ， 其 变形 曲线为“ 弯曲型” ， 层问位移 自底部 向上越来越 大 ， 结构抵抗变形 的能力增强 ， 抗震能力提高 ， 但又 不符合此类组合结构的设计思想。 ( 3 ) 钢筋混凝 土墙 的数量适量 (A =4 ． 0) 时， 其变形表现出砌体墙一钢筋混凝土墙组合结构的变 形 特征一剪弯变形特征 ， 说明当组合结构中混凝土 墙 的数量 比较合理 时， 组合结构 中的钢筋混凝土墙 和砌体墙具有 良好 的协同工作性能。 ( 4 ) 砌体墙一钢筋混凝 土墙组合 结构 的侧移曲 线 ， 随着结构 中钢筋混凝 土墙 的数量 ( 结构特征 刚 度系数 A) 的不同而变化。当 A值较小(A =2 ． 0) 时， 组合结构的侧移曲线接近混凝土剪力墙结构 的 侧移曲线 ； 当 A值较大 (A =7 ． 0) 时， 组合结构 的 侧移曲线接近纯砌体结构的侧移 曲线 。 参 考 文 献 ： [ 1 ] 高小旺， 孟刚， 周晓夫， 等． 砖墙与钢筋混凝土墙组合结构房 屋抗震 能力的分析方法[ R] ． 北 京 ： 中国建 筑科学 研究院工程 抗震研 究所 ， 1 9 9 6： 5 7 2 - 5 9 1 ． [ 2 ] 王万钊 ， 杨秀凤 ， 周惟 ， 等． 砖墙与混凝土剪 力墙混合结 构八 层建筑 模型抗 震性 能试验 研究 [ J ] ． 建 筑科 学， 1 9 9 6， 3 1 ( 1 )： 1 O． 1 7． [ 3 ] 方鄂 华． 多层 及 高层建 筑结构设 计 [ M] ． 北 京 ： 地震 出版 社 ， 1 9 9 2： 1 0 8 — 1 1 1 ． [ 4] 高小旺 ， 王菁 ， 肖伟 ， 等． 八 层砖墙与钢 筋混 凝土墙组合结 构 1 ／ 2比例模 型抗 震 试验 研究 [ J ] ． 建 筑结 构学 报 ， 1 9 9 9 ， 2 0 ( 1 ) ： 3 1 - 3 8 ． [ 5 ] 杨宝璋 ， 秦兵 ， 肖 伟． 昆 明地 区大 开间组 合结构住 宅结 构 体系的研究[ J ] ． 工程抗震 ， 2 0 0 3 ， ( 3 )： 1 3 — 1 8 ． [ 6 ] 张相庭． 高层建筑结构 抗风抗 震设计 计算 ( 3版 ) [ M] ． 上 海 ： 同济大学出版社 ， 1 9 9 6 ： 1 4 0 — 1 4 6 ． [ 7] 高小旺 ， 肖伟 ， 李荷 ， 等． 砖墙与钢筋混 凝土墙组合结 构房 屋中钢筋砼墙合理数量 的探 讨 [ J ] ．工程力 学 ( 增 刊 ) ， 1 9 9 7： 5 4 0- 5 4 4． [ 8 ] G B 5 0 0 1 1 — 2 0 0 1 建筑抗震设计规范[ s ] ． 北京： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 1 ： 1 3 - 2 8 ． [ 9 ] J G J 3— 2 0 0 2 ； J 1 8 6— 2 0 0 2高层建筑混凝土技术规程[ s ] ． 北 京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 2 ： 1 0 — 1 4 ．