鋼筋混凝土異型剪力墻高層結構抗震性能試驗及理論分析研究

劉建新,沈 杰,朱美春

(上海師范大學 建筑工程學院,上海 201418)

0 引 言

隨著大型城市的發展,越來越多的高層(或超高層)建筑結構被建造,成為現代國際化都市建設的一個重要標志之一.傳統的高層鋼筋混凝土剪力墻結構[1]整體抗震性能較好、過去被廣泛的使用在高層建筑結構的設計和建造中;然而,國內外大量的科學研究和工程實踐表明:傳統的高層鋼筋混凝土剪力墻結構雖然具有良好的整體抗震性能,但剪力墻間距小、使用空間受限,不易形成大的使用空間,極大地限制了它的廣泛應用.本文作者在國內1995年首先提出一種新型異型剪力墻結構[2]的概念,即異型剪力墻建筑結構,并對其抗震設計進行了初步的探討[2],表明它能夠克服傳統剪力墻結構(如雙肢剪力墻結構)自重大、剪重比大、剪力墻間距小、使用空間小、平面布置不靈活等缺點,同時具有很強的整體抗震能力.這種新型結構的組成為每片剪力墻隔層錯跨布置,并且相鄰兩片剪力墻互相錯開布置.根據使用要求可相鄰錯層或不錯層布置各片剪力墻,這樣使同一層房間的開間由原1個開間寬增大為2個開間寬或3個開間寬甚至更大;同時這種隔層錯跨的布墻方案可有效增大抗側剛度、整體耗能能力,受力變形均勻,減小自重、減小地震作用、節能節材.

國外學者在錯列剪力墻方面提出了一些概念并作了一些純理論的結構分析研究[1,3],指出錯列剪力墻可以有較好的經濟性,相對傳統剪力墻(如雙肢剪力墻結構)而言,節省了混凝土材料,抗側剛度和承載力降低不多,技術經濟指標較好,但底層局部構件(柱)等內力極大,配筋設計困難,且剪力墻結構的抗震延性降低明顯,受力后階段側移發展較大,水平承載力降低很快;要克服這些缺點,還需要理論、試驗及工程實踐的研究.

在過去的十幾年中,本文作者[2,4-6]首先對異型剪力墻結構——隔層錯跨剪力墻結構分析了這種結構體系的工作機理、對其進行了二維橫、縱向多方面的結構分析、研究了其抗震設計、構造措施、設計方案,提出了一些設計建議和構造措施;有專家對錯列剪力墻結構的相關體系進行了理論和試驗研究;在前人的研究基礎上,文獻[7-8]對錯列剪力墻結構作了相關的理論和試驗研究,對隔層錯跨剪力墻結構的抗震受力變形也作了相關的理論分析,推動了隔層錯跨剪力墻結構這種新型結構體系的應用研究水平[2,4-5];文獻[7-8]引用了本文作者提出的新型隔層錯跨剪力墻結構概念和有關研究結果,并在研究證實該新型剪力墻結構具有優越的結構和建筑大空間功能的基礎上,又對該新型剪力墻結構了進行抗震性能的比較研究和彈塑性地震反應分析,推動了研究的進展.

但是，以上所有的理論與試驗研究都是針對于單榀二維平面錯列剪力墻體系而言的，缺乏對隔層錯跨剪力墻體系具體的試驗研究及與理論的對比研究和驗證.本文作者對隔層錯跨剪力墻體系作了具體的試驗，同時在建立異型錯跨剪力墻模型及考慮混凝土結構非線性性能的基礎上，對其進行了非線性有限元理論分析，并與試驗結果進行了比較研究，其理論分析結果與試驗結果吻合較好.

如上所述，結合本試驗與理論分析研究的成果、對這種異形剪力墻承載力、剛度及變形能力、延性等抗震性能指標及其變形和破壞機制已有的一些理論分析和數值抗震非線性研究[2,9]以及多個學者的研究結果[2-3,10-12]，表明：異型剪力墻建筑結構與傳統剪力墻結構相比，具有建筑使用空間大、水平荷載承載力強、整體抗側剛度大、抗震承載力大、延性保持良好、自重小、所受地震力小，節約材料、降低成本等優點.值得一提的是，本研究制作了異型剪力墻結構模型(圖1模型制作圖，圖2模型試驗)，用美國MTS電液伺服系統對模型進行了低周反復加載抗震試驗. 下面的章節為試驗模型設計、低周反復加載抗震試驗及試驗與理論對比分析全過程.由于這種新型異形剪力墻結構所進行的低周反復加載抗震試驗過程困難程度較高，目前國內外還很少見報導.

圖1 模型制作圖

圖2 模型試驗加載

1 異型剪力墻結構低周反復加載抗震試驗

1.1 試驗模型設計

為了研究鋼筋混凝土異型剪力墻結構的破壞形態、滯回曲線、耗能能力、位移延性等抗震性能,按1∶6制作了試驗模型(圖1)進行試驗.試驗研究表明:只要節點構造措施恰當,異型剪力墻結構能具有較好抗震能力和延性,能滿足工程抗震的要求.

在設計模型試件時考慮以下幾個方面的因素:

按實際結構1∶6縮比進行模型設計,考慮按7度抗震設防要求計算配置梁、柱、墻的受力鋼筋和構造鋼筋,在梁柱墻節點及底層柱的柱截面處特別加強箍筋的配置(按抗震設防8度配置),剪力墻板雙面雙向構造筋.

試件的制作過程:先根據設計的施工圖進行鋼筋下料,然后在鋼筋上的相應位置貼應變片,應變片貼好后進行鋼筋綁扎和模板的制作,最后進行混凝土澆筑和養護.在上海師范大學結構實驗室用MTS電液伺服系統對模型進行了低周反復加載抗震試驗;加載裝置、加載方式及試驗現場見圖2.

1.2 試驗加載過程

本試驗采用的加載程序為:首先對試件施加50%的豎向荷載,反復2次后加至100%豎向荷載設計值,并在整個加載過程中維持不變,每個柱子的軸向力N=50 kN(首先兩次施加25 kN的豎向荷載,而后加至50 kN的豎向荷載).

然后,在水平方向施加低周反復荷載.水平荷載采用分級加載制度:在梁或柱中的主筋屈服前,加載采用荷載控制,并分級加載,直到試件屈服.在結構梁或柱中的主筋屈服后,加載改為位移控制,即以頂部橫梁中心線水平屈服位移的整數倍控制加載,每級加載循環3次,直至試件破壞時為止.按位移控制加載時,應使骨架曲線出現下降段,至少應加載到荷載下降為極限荷載的85%時,方可停止試驗.

圖3 頂點位移和荷載的試驗與理論對比曲線

試件的整個試驗過程都在上海師范大學建筑工學院結構大廳進行.水平試驗加載拉壓至±185 kN以前,鋼筋混凝土模型上沒有出現裂縫,模型的力和水平位移成線性關系,當水平試驗加載大于185 kN,繼續增大時,一層混凝土柱底部首先出現裂縫,然后,一層剪力墻出現裂縫,然后,二層柱出現裂縫,整個結構呈現第一個屈服臺階;當水平試驗加載大于247 kN,整個結構呈現第二個屈服臺階;當荷載繼續增大到487 kN時,結構水平承載力達到最大極限荷載.然后,位移增加,荷載下降至401 kN,試驗停止.結構頂點水平荷載與位移的關系曲線如圖3所示.頂點位移和荷載的試驗與理論對比曲線見圖3.

2 試驗結果與數值計算結果比較分析及結論

圖4 異型剪力墻結構數值模型

為全面地研究這種新型異型剪力墻建筑結構的抗震能力、開裂及抗震延性等,用ANSYS對其進行了非線性水平荷載理論數值分析(圖4).

結構頂點水平荷載與位移的理論關系曲線如圖3帶點線所示.通過比較可以看出,理論曲線與試驗曲線比較接近,尤其是在荷載接近400 kN以前,二者都很接近;在400 kN以后試驗荷載值大于理論承載力.從試驗和理論上都說明該新型異型剪力墻結構的抗震能力、延性都在合理的范圍內.

結合文獻[1,3]多方面研究成果,表明本研究提出的異型剪力墻建筑結構確實是一種建筑使用空間大、抗震承載力強、整體抗側剛度大、延性保持良好、自重小、所受地震力小,節約節能的、具有結構、建筑雙重優點的新型剪力墻結構,只要節點構造措施恰當,它能具有較好抗震能力和延性,能滿足實際建筑工程抗震的要求,投入應用.

參考文獻:

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