冷軋帶翼鋼筋剪力墻結構抗震性能試驗研究

陳妍，禹厚勤，陳忠范

（1.國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇蘇州215000；2.南京水務集團有限公司，江蘇南京210002；3.東南大學混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室，江蘇南京210096）

冷軋帶翼鋼筋剪力墻結構抗震性能試驗研究

陳妍1，3，禹厚勤2，陳忠范3

（1.國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇蘇州215000；2.南京水務集團有限公司，江蘇南京210002；3.東南大學混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室，江蘇南京210096）

冷軋帶翼鋼筋（CDB-W）是一種新型的冷軋變形鋼筋，該鋼筋是以普通低碳熱軋鋼筋（高線圓盤或棒條）為母材經專門的生產工藝加工而成。冷軋帶翼鋼筋具有強度高、粘結握裹力強、施工方便等優點，在建筑工程中得到愈來愈廣泛的應用。制作了冷軋帶翼鋼筋混凝土剪力墻結構1/2縮尺模型進行了地震模擬振動臺試驗，分析了模型的破壞現象，研究了在不同的地震波形和不同的地震烈度下，試驗模型的自振頻率變化及加速度、位移和應變反應，檢驗了模型的抗震能力。在試驗的基礎上進行了相關的理論研究。利用有限元軟件ANSYS建立了冷軋帶翼鋼筋剪力墻模型，進行了相應的結構非線性時程分析。計算結果與實測符合較好。

冷軋帶翼鋼筋；鋼筋混凝土剪力墻；抗震性能；有限元分析

冷軋帶翼鋼筋的加工工藝是將牌號為HPB235或Q215低碳鋼熱軋高線園盤條經冷軋或冷搓形成的麻花狀變形鋼筋，與冷軋扭鋼筋不同的是，鋼筋軋成矩形截面的同時，在矩形截面的短邊刻有“雙翼”，然后再進行冷扭，形成連續螺旋狀的直條鋼筋［1］，冷軋帶翼鋼筋的外形和截面形狀如圖1。

這種鋼筋強度高、粘結握裹力強、錨固可靠、施工方便，而且，鋼筋的延性也比其他冷加工鋼筋好，是冷軋變形鋼筋的一個新品種。冷軋帶翼鋼筋作為一種新型的冷軋變形鋼筋，由于出現時間較晚，早在20世紀30年代，國外就已經出現了冷軋變形鋼筋。奧地利和歐洲其他一些國家于1935年使用了“Tor”鋼筋，它是將一根表面帶有兩條縱向對稱肋條的熱軋鋼筋進行冷扭轉，此后，德國也有了這方面的新品種，它是用四根熱軋圓鋼筋冷扭轉后絞合在一起，目的是改善與混凝土的結合性能；荷蘭的“Torma”鋼筋是先將圓鋼筋冷壓刻痕，然后冷扭轉和拉伸使其形成一條螺旋槽的冷加工鋼筋［2］。1985年英國頒布了英國標準技術規程《specification for cold reduced steel for the rein?forcement of concrete》（BS 4482-1985）。

目前，有關的試驗和理論研究較少，己有的研究成果如下如下。2005年東南大學的藍宗建進行了冷軋雙翼變形鋼筋砼雙向板受力性能試驗研究［3］。2005年同濟大學的張鈞林進行了冷扎雙翼變形鋼筋與砼粘結錨固性能試驗研究報告［4］，推導出了鋼筋的粘結錨固強度計算公式，計算出了鋼筋的錨固長度，為冷軋帶翼鋼筋的構件設計提供了依據。2006年華南理工大學蔡健完成了冷軋帶翼鋼筋混凝土受彎構件縱向受拉鋼筋最小配筋率的試驗研究［4］。

圖1 冷軋帶翼鋼筋的外形和截面形狀圖Fig.1 Cross-section shape of CDB-W

已有的研究表明，冷軋帶翼鋼筋強度高、粘結握裹力強、錨固可靠、施工方便，適用于工業與民用建筑和一般構筑物中以受彎為主的現澆鋼筋混凝土樓板，除去板柱結構中的板。因為無論在高層建筑或各抗震等級結構中，水平板類構件始終不屬抗震構件。至于是否可以用作剪力墻的分布筋使用，還需要做進一步的研究。本文對冷軋帶翼鋼筋混凝土剪力墻結構1/2縮尺模型進行振動臺試驗研究和理論分析。通過這一研究，分析冷軋帶翼鋼筋做為分布筋的抗震墻的抗震性能，為進一步推廣應用冷軋帶翼鋼筋提供科學依據［5］。

2 試件的設計與制作

2.1 模型結構概況

由于振動臺承載能力有限，模型取為4個對稱布置的、幾何尺寸完全一直的L形截面剪力墻組成，4個L形墻肢之間通過連梁和樓板連接。模型的平立剖見圖2、圖3。模型按1/2（模型尺寸與原型尺寸之比）縮尺，層數為4層，層高1.45m。水平兩個方向墻肢中心軸距分別為2 100mm，1 800mm，墻肢厚度為60mm。水平兩向的連梁截面高度均為235mm，連梁截面寬度均為80mm。L形墻肢1～2軸間的墻肢截面高厚比（截面高度與厚度比值）為6.5，墻肢截面高度為520mm，連梁跨度為840mm，連梁跨高比為10.5；A～B軸間的墻肢截面高厚比為10.25，墻肢截面高度為820mm，連梁跨度為540mm，連梁跨高比為6.75［6］。

圖2 模型平面圖Fig.2 Plan of themodel

圖3 試件模型Fig.3 Model specimen

2.2 模型相似常數初步確定

選取模型與原型的長度相似系數SL=1/2，由于制作模型所用的鋼筋、混凝土等材料與原型相同，即彈性模量和剪切模量的相似系數SE=SG=1。其中周期相似比ST=0.707，加速度相似比Sa=1，模型結構本身的質量為9.8噸，基礎自重為5.37噸，附加質量為9.2噸，附加人工質量后模型加底座的總重為24.37噸，小于振動臺最大承載能力25噸，滿足要求。模型四層附加質量為2噸，一～三層附加質量為2.4噸，每個質量塊為20 kg，因此，屋面板上放100個質量塊；其余三層每層屋面板上放120個質量塊，總共460個質量塊。本模型為滿配重的地震模擬振動臺試驗縮尺模型。質量塊只提供質量，不提供結構強度和剛度。本次試驗采用水泥砂漿將質量塊固定在模型上，然后用鋼絲在把質量塊在綁在一起不產生松動。

1）鋼筋的選取。本次試驗基礎縱向鋼筋采用直徑為20mm的二級鋼筋，主體結構的墻鋼筋和板面鋼筋采用直徑為6.5mm的冷軋帶翼鋼筋。

2）混凝土的選取。本次試驗模型基礎采用抗壓強度為C30的商品混凝土，上部主體采用小粒徑（5～20mm）骨料C25細石混凝土，塌落度控制在16～18 cm。

2.3 模型的配筋設計

從量綱的角度來說，構件的截面應力、混凝土的強度、鋼筋的強度應該具有相同的相似常數，這時的相似原則主要從把握構件層面上保證原型結構和模型結構的相似，即：對于正截面承載能力的控制，依據抗彎能力等效的原則；對于斜截面承載能力的控制，依據抗剪能力等效的原則，有以下相似關系［7］：

原型結構

模型結構

彎矩相似常數

剪力相似常數

其中：Ss表示箍筋間距相似系數。

根據式（5），（6）以及原型的配筋面積就可以算出模型的配筋面積了［7］。

模型配筋見圖4～圖6。

圖4 模型墻體配筋圖Fig.4 Wall reinforcements

圖5 模型樓板配筋圖Fig.5 Floor reinforcements

3 振動臺試驗方案

振動臺的工作原理：把給定的地震波波形輸入計算機，計算機通過數字控制器控制油泵及電液伺服閥使作動器按給定的波形振動，臺面上的傳感器將振動信號反饋給主機，計算機通過控制軟件確保臺面的振動波形一致。數據采集系統采集模型結構的振動反應數據，以供分析計算使用。以此按照所輸入的工況改變地震波的振幅，使一直到模型破壞倒塌［9-10］。

3.1 傳感器

加速度計使用磁吸式加速度計傳感器，布置6個。

位移計使用拉線式位移傳感器，其中量程為1 000mm的2個，量程為750mm的4個。量程越大的位移器其精度也越低。

加速度計和位移計見圖7，加速度計和位移計的校正因子見表1。

圖6 模型配筋剖面圖Fig.6 Profile of wall reinforcements

圖7 傳感器布置Fig.7 Sensors location

表1 加速度計和位移計的校正因子表Tab.1 Correction factor table

3.2 傳感器布置

在模型2軸-A軸處，樓蓋標高、底座各布置位移傳感器1個，在頂層樓蓋位移傳感器對角線位置布置位移傳感器1個，共布位移傳感器6個。

在模型A軸中點，每層樓蓋標高處、底座上各布置加速度傳感器1個，共布加速度傳感器5個。

3.3 地震波

地震波的選取也是振動臺試驗成功與否的一個重要因素［7-8］。根據現行《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）。試驗選用的地震波形有El Centro波、Taft波、人工波。

試驗進程為：

1）采用白噪聲對模型進行掃描，測出結構的頻譜特性；

2）依次按照工況輸入El Centro波、Taft波和上海波；

3）重新進行白噪聲掃頻，對比結果試驗前后的動力特性，檢測模型損傷程度；

4）繼續輸入下一個工況的El Centro波、Taft波和上海波；

5）如此反復，直至結構破壞倒塌。

4 試驗現象和數據分析

現將試驗現象進行詳細敘述。

1）加速度峰值在35 gal和55 gal工況下時，模型整體左右晃動不明顯，肉眼幾乎觀察不到結構的振動，模型表面沒有可見裂縫。用白噪聲對模型進行頻譜分析后發現，模型的自振頻率也沒有發生變化，由此可以判斷模型在這個工況下基本沒有任何損傷，仍處于彈性階段［8］。

2）當加速度峰值達到110 gal和140 gal工況下時，模型在振動臺面上的晃動開始趨于明顯，肉眼可以看見比較明顯的振動，仍然沒有發現可見裂縫。但是經過白噪聲的頻譜分析后，發現自振頻率有所下降，也就是說模型已經開始損傷，有了細微裂縫的開展，肉眼無法看見因為裂縫很小或者裂縫位置比較難以發現。

3）當加速度峰值達到310 gal工況下時，模型振動已經非常明顯。在地震波停止后進行觀察，已經發現了肉眼可以觀察到的細微裂縫，位置出現在振動方向的第一層連梁的端部，裂縫寬度很小，要用照明燈才可能勉強觀測。通過白噪聲掃描后，發現模型的自振頻率確實有不同程度的下降［10］。

4）當加速度峰值達到620 gal工況下時，臺面振動已經非常劇烈，肉眼觀測的模型振動幅度非常大，模型一層連梁兩端裂縫發展明顯。部分兩段的豎向裂縫已經貫通，形成梁鉸。二層及三層連梁的端部也出現了細微裂縫。墻根出現了第一根可見裂縫見圖4.1（c）。通過白噪聲掃頻后發現結構各階自振頻率都有不同程度的下降，模型結構的剛度降低，周期變長，已經積累了比較大的損傷。在620 gal工況El Centro波下，臺面的振幅接近最大行程250mm，擔心下一個工況El Centro波產生的臺面振幅超過量程，研究決定從700 gal工況開始，輸入Taft波和上海波，不再輸入El Centro波。

5）當加速度峰值達到800 gal和1 300 gal工況下時，振動過程中可以聽到混凝土剝落的聲音，此時發現模型墻根已經出現了不少裂縫，并且部分裂縫已經有了不同程度的延伸。底層墻角出現了明顯的混凝土剝落現象，鋼筋已經露出。在1 100 gal工況之后，取下了位移傳感器，繼續做試驗［11］。

6）為了觀測模型的抗震延性，在保證安全的情況下，加速度峰值繼續增加，直至2 000 gal工況，此時梁端的豎向裂縫已經貫通，形成梁鉸，底層墻端出現大量的水平向裂縫，為了安全起見，試驗就此停止。

有關試驗過程中及模型破壞狀態時的照片見圖8。

4.1 模型結構動力特性

在開始振動臺試驗以前以及各種不同水準地震作用以后，均用白噪聲對模型結構進行掃描試驗，對加速度傳感器采集的數據進行PSD（頻譜分析）［11］，以得到模型結構在不同水準地震作用前后的自振頻率。模型的自振特性見下表2。

從以上的數據分析可以得出，隨著水平地震加速度輸入的加大，模型結構的頻率逐步降低。導致這一現象的原因是隨著水平地震加速度峰值的增大，結構開始慢慢出現損傷。55 gal和110 gal工況，自振頻率相差不大，基本上可以判定模型處于彈性階段；在220 gal工況開始，自振頻率明顯下降，加載到310 gal，開始大幅度下降，這時觀測到明顯裂縫，說明結構出現損傷，周期變長。

4.2 模型結構的加速度反應

模型在其振動方向分別輸入El Centro波、Taft波、上海波，進行了地震加速度逐級增大的振動試驗，利用各樓層布置的加速度傳感器可以得到結構的動力反應時程。下面以400 gal地震烈度下3種波為例，將采集到得水平加速度數據處理成加速度曲線如下。

圖8 結構試驗過程照片Fig.8 Testing pictures

表2 模型頻率及阻尼變化表Tab.2 Frequency and damping of shaking table tests

圖9 400 gal工況下3種波各測點的加速度時程曲線Fig.9 The acceleration time history curve of observation points

4.3 動力放大系數［12］

動力放大系數是指結構動力反應加速度峰值與輸入地震動加速度峰值之比，是地震波作用的結果，它與模型的結構特性、非彈性變形的發展以及輸入地震波的頻譜特性有關，可以體現出模型動力反應的變化和模型破壞情況。

圖10 各工況下動力放大系數Fig.10 Dynamicmagnification ofmodel

從以上圖中可以看出，不同地震波以及不同強度作用時結構的加速度動力放大系數不同，這說明不同地震波由于其頻率組成不同，對結構的作用效應亦不同，總的來說，Taft波和上海波下結構的加速度動力放大系數較大。隨著輸入地震烈度的提高，結構的加速度動力放大系數總體上有所減低，說明隨著輸入地震波的烈度的增加，結構開始慢慢損傷，進入塑性的程度加深，模型剛度退化，阻尼比增加，結構進入非線性。

4.4 與有限元結果對比

根據試驗構件尺寸，建立ANSYS有限元分析模型［13］，模型如圖11所示。剪力墻均視為與地面固接，整個結構就其受力模型而言，是一嵌固于基礎上的受側向地震荷載作用的懸臂梁。模擬試驗中的約束條件，墻板底面全部固結，限制其所有結點上的3個平移自由度，使其在x，y，z 3個方向不發生移動。

圖11 模型有限元模型Fig.11 FEM ofmodel

表3 模型頻率計算值與實測值比較Tab.3 Frequency of calculated andmeasured values

考慮豎向重力荷載對模態的影響，采用蘭索斯法進行模態求解，觀察此模型結構的自振頻率規律。

利用有限元軟件ANSYS10.0建立了冷軋帶翼鋼筋剪力墻模型，并進行了分析，理論分析結果與實測值符合較好。

5 結論

根據本文試驗研究及理論分析研究的結果，同時結合相關文獻及我國現行規范和規程，對冷軋帶翼鋼筋用于鋼筋混凝土房屋結構的剪力墻提出以下抗震設計建議。

[1]鄭康平,梁志達.冷軋變形鋼筋的開發[J].南方鋼鐵,1991(8):10-12.

[2]梁福康.冷軋扭鋼筋混凝土結構的現狀和發展前景[J].建筑技術,1999,29(8):531-533.

[3]藍宗建,江紅軍.冷軋雙翼變形鋼筋混凝土板受力性能的試驗研究[J].建筑技術,2006,37(11):830-83.

[4]張鈞林.同濟大學的冷軋變形雙翼鋼筋與混凝土粘結錨固性能試驗研究報告[R].2005.

[5]蔡健.華南理工大學的冷軋帶翼鋼筋受彎構件縱向最小配筋率試驗研究[R].2006.

[6]呂西林,等.復雜高層建筑結構抗震理論與應用[M].北京:科學出版社,2007.

[7]FAFJAR P,KRAWINKLER H.Nonlinear seismic analysis and design of reinforced concrete buildings[M].London:Elsevier Applied Science,1997.

[8]BORZI B,ELNASHAI A S.Refined force reduce factors for seismic design[J].Engineering Structure,2000,22(9):1244-1260.

[9]袁楊.空斗墻砌體結構房屋振動臺試驗研究[D].東南大學,2010.

[10]杜廣輝.高層住宅短肢剪力墻振動臺試驗研究[D].河北工程大學,2009.

[11]李敏霞.地震模擬振動臺試驗系統頻率特性估計的研究及應用[J].世界地震工程,1996(4):19-24.

[12]XILIN LU,JIANBAO LI,MINGGAN WU.Test and analysis for a shaking tablemodel of hybrid structures[C]//Structure and Extreme Events,Lisbon,2005:134-135.

[13]鄧凡平.ANSYS10.0有限元分析自學手冊[M].北京:人民郵電出版社,2008.

Experimental Study on the Seismic Behavior of Concrete Shear Wall with Cold-rolled Wing-deformed Bars

Chen Yan1,3,Yu Houqin2,Chen Zhongfan3
(1.Patent Examination&Cooperation Jiangsu Center of the National Patent Bureau,Suzhou 215000; 2.Nanjing Water Group Co.,Ltd.,Nanjing 210002;3.Key Laboratory of RC&PC Structures of the Ministry of Education,Southeast University,Nanjing 210096,China)

Cold-rolled wing-deformed bar(CDB-W),which ismade of ordinary low-carbon hot-rolled steel bar by special production technology,is a kind of new-type cold-rolled deformed bar.This kind of bar has advantages of high tensile strength,and good capacity to bond with concrete,so it is widely applied in the constructional engi?neering.A 1/2-scalemodel of a building built with concrete shear wall and cold-rolled wing-deformed bars has beenmade and tested on the shaking table.The seismic performance of thismodel has been recorded and investi?gated in terms of the failuremechanism,crack development,natural frequency,damping ratios,floor accelerations, floor shifts,strain response and the cracking of the walls.Moreover,results of the experimental tests are further studied theoretically and themodel of shear wall with cold-rolled wing-deformed is set up by using finite element software ANSYS.Nonlinear time history analysis ismade and comparative analysis are carried out between the simulation and experiment results.The simulation results are in good agreement with the experiment results.

cold-rolled wing-deformed bar;RC shear wall;seismic behavior;finite element analysis

TU4

A

2014-05-20

國家自然科學基金項目（50578039）

陳妍（1985—），女，工程師，碩士，主要研究方向為土木工程結構設計，防震防災；陳忠范（1961—），男，教授，博士，主要研究方向為工程結構防災減災。

1005-0523（2014）04-0082-08