短肢剪力墻結構頂層端節點的空間受力研究

王飛，余向前，傅劍平

（1重慶大學建筑設計研究院重慶400045 2重慶市設計院重慶4000153重慶大學土木工程學院重慶400045）

短肢剪力墻結構頂層端節點的空間受力研究

王飛1，余向前2，傅劍平3

（1重慶大學建筑設計研究院重慶400045 2重慶市設計院重慶4000153重慶大學土木工程學院重慶400045）

在兩個短肢剪力墻無粘結預應力樓蓋子空間結構模型的低周反復加載試驗研究基礎之上，本文通過對短肢剪力墻結構頂層端節點在試驗試件的破壞失效結果分析，以及節點區鋼筋的應變分析，“L”型短肢剪力墻頂層端節點在水平加載過程中從二維平面節點受力狀態逐漸轉變為空間節點受力狀態的受力模式，空間節點受力比二維平面節點受力復雜得多，空間節點比平面節點抗震性能更有利，因此在工程設計中建筑物角部應盡可能采取“L”形墻肢的建議。

短肢剪力墻；頂層端節點；空間受力分析。

1 引言

目前國內外進行鋼筋混凝土框架研究，絕大多數情況下研究僅局限于平面受力的框架節點。從已有的研究成果以及工程實踐來看，對于框架結構這種簡化分析是切實可行的，但是對于短肢墻無粘結預應力樓蓋結構體系，由于空間較大，墻肢較薄，且墻肢翼緣內有預應力筋束通過，就顯得節點構造、受力復雜。圖1是文獻[1]短肢剪力墻無粘結預應力樓蓋結構頂層子空間模型試驗試件的外觀圖，圖2是試驗試件的總體尺寸及加載裝置圖。為敘述方便起見，本文將與水平加載方向平行的梁稱為受彎梁，把與水平加載方向垂直的梁稱為受扭梁。

圖1 試件的外觀圖

圖2 總體尺寸及加載裝置圖

本試驗采用低周反復水平加載方式進行加載試驗。試驗時，首先進行無粘結預應力筋的張拉，通過張拉0.45fptk的控制應力在板內建立預應力；然后通過在板面上加砝碼的方式施加2.0kN/m2的豎向均布荷載；最后由水平拉、壓作動器逐級往復施加水平荷載。在受彎梁的鋼筋屈服前按荷載控制，受彎梁屈服后按位移控制，每個位移延性系數下往復兩次，直至試件失效試驗結束。在試驗中，通過圖2所示裝置測定不同受力階段試件的變形；通過對穿過節點墻肢及梁內縱筋沿縱向開槽，在槽內密貼應變片的方式量測不同受力階段連接區內及墻肢端、梁端鋼筋的應變大小及分布情況；通過在節點區各層水平箍筋長肢上按間距100mm貼應變片的方法量測不同受力階段節點區各層水平箍筋的受力情況。

根據文獻[1]試驗結果分析，短肢剪力墻無粘結預應力樓蓋結構頂層端節點是空間受力連接區。由于帶翼緣的扭梁可以平衡一部分墻端的彎矩，故節點不是簡單的平面受力情形，而是復雜的空間受力情況。另外，從試件破壞失效后端節點圖片來看，尤其是試件二端節點墻肢角部混凝土被掀起破壞嚴重，這說明僅按前面的二維平面分析是不夠的，因此本文對節點的空間受力情況作進一步的研究。分析研究這種結構體系頂層端節點的空間受力性能，對在設計中采用空間節點的模式比采用平面節點的模式有更清楚的認識，提出了合理化設計建議。

本文通過兩個短肢剪力墻無粘結預應力樓蓋梁、墻肢、板子空間結構模型的低周反復加載試驗，圖3和圖4是試件失效后端節點破壞情況。

圖3 試件一失效后圖

圖4 試件二失效后圖

2 頂層端節點空間受力模型

從本次試驗測試數據的分析中可以看出，在試件前期加載的過程中受扭梁所受的扭矩不大，縱筋和箍筋應變都很小（個別因應變片質量問題造成的數據異常應排除在外），這時水平力主要由帶翼緣的受彎梁來傳遞給短肢剪力墻，即使最終加載到試件破壞，扭梁和箍筋的應變大多數都未屈服，從而可以看出扭梁盡管平衡一部分墻端彎矩但并不大。另外，從上面試件失效后端節點圖片以及試驗破壞現象的描述來分析，可簡化端節點的受力模型，根據力的平衡條件，可以繪出端節點在水平推力作用下的受力狀態圖（如圖5所示）。

圖5 端節點水平力作用下的受力狀態圖

3 頂層端節點空間受力現象及鋼筋應變分析

從試件一失效后端節點的圖3來看，墻肢翼緣在大約梁底標高處出現裂縫，接著在節點區也相繼出現了大致相互平行的裂縫，并且這些裂縫都是從墻肢的角部向墻肢翼緣的遠端逐漸發展的，是從墻肢梁底標高處的角部斜向上發展到板頂面。另外，從圖6試件一節點實測梁、墻正彎矩受拉鋼筋應變來分析，在加載前期，節點區鋼筋的應變發展是由墻肢的角部向墻肢翼緣的遠端逐漸減小的，在加載后期，從墻正彎矩受拉鋼筋應變分布情況來看，豎直段1～10點應變值與鋼筋彎入節點區水平段10～14點應變大致差不多。這充分說明在加載前期“L”形墻肢主要是以彎梁傳遞水平力，這時墻肢主要是以墻肢腹板矩形截面受力，可以看作平面結構體系，節點也是以平面受力為主；然而，在加載中、后期，隨著墻肢翼緣發揮作用，就不再是二維節點受力，而主要是空間節點受力機理。此外，即使墻肢腹部鋼筋也彎入板內，但板面角區還是出現了“八”字型裂縫，因此在墻肢長范圍內的板對傳遞水平力所作的貢獻較大。另外，在節點區的兩束預應力筋盡管在板底出現了兩條裂縫，但對節點區最終破壞所起的作用不是很明顯。總體來說，試件一因鋼筋的粘結性能較好，并且墻肢腹部鋼筋也彎入板內起了一部分作用，又因為墻肢鋼筋配得較強，遠未達到屈服，鋼筋受力不充分，故即使試件破壞失效后，節點區都沒有嚴重的破壞，能夠滿足抗震性能的基本要求。

圖6 試件一節點實測梁、墻正彎矩受拉鋼筋應變

圖7 試件二節點實測梁、墻正彎矩受拉鋼筋應變

從試件二破壞失效后的圖4來分析。與試件一相同墻肢翼緣也是首先在梁底標高處出現裂縫，然后在節點區以及墻肢底部相繼出現裂縫，且在節點區的裂縫也是從墻肢角部向墻肢翼緣遠端逐漸發展的，同時在墻肢翼緣遠端與扭梁底相交的角部出現了斜向上向第二束預應力筋的裂縫。從圖7試件二節點實測梁、墻正彎矩受拉鋼筋應變來分析，同樣先是墻肢鋼筋1～8點所起的作用較大，然后逐漸轉移給墻肢翼緣內的鋼筋9、10點，即由平面節點受力逐漸轉為空間節點的受力。從端節點的內側裂縫發展來看，節點區裂縫發育較充分，但在墻肢翼緣的內側裂縫不是很明顯，在節點區板底沿預應力筋束出現了裂縫，并且墻肢長內的第一束預應力筋的墊板壓陷了混凝土，這說明預應力筋對節點區有不利影響。另外，除板面同樣出現了“八”字型裂縫以外，在節點區上部鋼筋的粘結滑移裂縫，在反復荷載作用下，混凝土被壓碎拉脫，并且在板面角部混凝土被掀起，這充分說明節點區頂部破壞嚴重。因節點區鋼筋的粘結失效，導致結構的剛度嚴重退化，最終因試件承擔負彎矩的能力明顯下降而破壞。與試件一是明顯不同的，其主要原因是提高了梁下部承擔正彎矩鋼筋的用量，其鋼筋的錨固粘結性能較好，并且加強了梁端抗剪的箍筋，能保證梁端出現塑性鉸后有很好的轉動能力，這從試件二的滯回曲線可以看出，試件二承擔負彎矩的能力直到試件失效都沒有明顯的下降；另外，節點區鋼筋的構造與試件一不同（參考文獻[1]），節點區的負彎矩鋼筋，由于首先在節點區梁上部鋼筋的粘結性能退化，然后墻肢長范圍內的板筋發揮了作用，當節點區板面角部混凝土被鋼筋彈起后，板筋的粘結性能也迅速退化，最終因節點區板面角部混凝土的掀起，鋼筋的粘結失效而導致試件破壞。

從扭梁的縱筋和箍筋應變分析結果來看，在加載中、后期，縱筋和箍筋應變都逐漸增大，也就是說扭梁還是起到了一定的抗扭作用。從扭梁的上部縱筋應變普遍比下部縱筋應變要小，它們相差部分由與扭梁旁邊剛性連接的板筋來承擔，故板筋參加了一部分抗扭作用，應考慮板作為翼緣的作用。值得說明的是，由于扭梁在反復荷載作用下，在墻肢翼緣與扭梁相交角部，出現了交叉斜裂縫，且不斷向節點區上部發展，再加上墻肢較薄，從而加速了墻肢翼緣節點區上部以及板面角部裂縫的發展。

從兩個試件試驗結果來看，此類結構考慮受彎梁的彎矩和受扭梁的扭矩與墻端彎矩平衡，在設計中按這種平衡關系，參照抗震設計的“強墻弱梁”的設計思路，能夠很好地滿足抗震性能。

4 結論

通過以上分析，空間節點受力比二維平面節點受力復雜得多，空間節點比平面節點抗震性能更有利，在加載的前期節點主要是以二維平面節點受力狀態為主，隨著加載進一步推進，逐漸轉移為空間節點受力狀態，這說明空間節點減輕了平面節點受力的負擔。故對于短肢剪力墻結構，特別是建筑屋角部設計為“L”形的墻肢比“一”形的墻肢抗震性能好得多，因此在工程設計中應盡可能采取“L”形的墻肢。

盡管受扭梁對節點區有一定的不利作用，但受扭梁對空間節點區的總體作用不大。其主要原因是扭受梁在整個試件受力過程中發揮的扭矩作用并不大。

無粘結預應力筋對空間節點區的作用是雙重的，在加載前期對節點抗震有利，延緩板開裂的時間及裂縫的發展，但在加載后期對節點的抗震是不利的，當節點轉為以空間受力為主時，且在無粘結預應力筋墊塊周圍出現了裂縫，這就加速了節點區裂縫的發展。故在設計中應考慮預應力筋對混凝土的局部作用問題，以及使結構達到預計的大震非彈性變形前不發生預應力筋墊塊周圍混凝土出現裂縫的要求。

[1]王飛.短肢墻預應力樓蓋結構頂層端節點抗震性能試驗研究[D].重慶大學，2004，7.

[2]余向前.短肢墻預應力樓蓋結構體系抗震性能試驗研究[D].重慶大學，2004，7.

[3]傅劍平.鋼筋混凝土框架節點抗震性能與設計方法研究[D].重慶大學，2002，7.

[4]GB 50010－2002，混凝土結構設計規范[S].

[5]GBJ50011－2001，建筑抗震設計規范[S].

責任編輯：余詠梅

施工經驗

現澆空心樓板GBF管的抗浮驗算

GBF管現澆空心板是在現澆鋼筋混凝土樓蓋結構中采取埋芯成孔工藝，在樓蓋內按照設計要求等間距排放GBF管，并在管兩端部采取抗浮措施，使管與上下鋼筋網片連為一體，澆筑混凝土而成的。

GBF管的抗浮固定是現澆空心樓板整個施工過程中的控制重點和難點，控制方法有壓筋法和板下鋼管固定法兩種。壓筋法即在肋間設置支架鋼筋，采用“幾”字形支架，支架鋼筋分別布置在距GBF管端部200mm處，用以控制GBF管的上口位置和排與排之間的間距。待GBF管鋪設完后，在“幾”字形支架上部點焊通長壓筋。板下鋼管固定法即在模板支設前，利用手槍鉆在模板上鉆眼，待GBF管就位后，利用模板上已鉆好的眼，用鐵絲將GBF管與模板下架體連接。

GBF管的抗浮驗算方法如下：考慮GBF管在流態混凝土中產生的浮力，對拉結鐵絲的直徑及間距進行驗算。以“壓筋法”為例：采用8號鐵絲，每間隔1m穿過模板，將通長壓筋與模板下腳手架鋼管連接，選取1mX1m計算單元，進行抗浮驗算。

(1)浮力計算對于虛線區域，根據阿基米德定律：F浮=p混凝土gV=2.500 x9.8×3.14x0.12x0.9x4=2769.48(N)。

(2)應力計算在一個計算單元中，有兩個拉結點。每個拉結點用1根8號鐵絲連接。

(3)安全性驗算實際截面應力σ=110.25N/mm2<[σ]= 210N/mm2，即每個拉結點采用1根8號鐵絲是安全的，完全可以抵抗計算單元內GBF管的上浮力。

（摘自：《建筑工人》）

Spatial Analysis on the Behavior of Top Story Knee Joint of Concrete Structures with Short Shear Wall

This paper，based on revered cycle loading tests on the two specimens of concrete structures with short shear wall and unbonded tendons prestressed slab，analyzes the spatial analysis behavior of this concrete structure system under cyclic loading by the damage in the test specimen failure results analysis and strain analysis of reinforced node area.L-type short shear wall top story knee joints in the level of loading from two-dimensional plane stress state is gradually transformed into state space joint of the force model.Spatial mode by force than plane seems more complex than the plane mode，and seismic performance seem more favorable.so at the end of the paper，a suggestion is made to advercate that in building designs，the corner "L"-shaped wall should be greatly recommended.

short shear wall；top story knee joint；spatial analysis

TU312文獻標識碼：A文章編號：1671-9107（2010）08-0027-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.8.027

2010-5-25

王飛（1973-），男，重慶武隆人，碩士，工程師，一級注冊結構師，主要從事結構設計和研究。