帶暗支撐低矮剪力墻抗震性能試驗及承載力計算

馬少華

摘要：本文提出的剪力墻是在普通剪力墻配筋基礎上，加配暗支撐縱筋和箍筋，澆搗混凝土后，在剪力墻板中形成鋼筋混凝土核芯束，這就是暗支撐。暗支撐的存在，明顯地改善了剪力墻的抗震性能，特別是顯著提高了剪力墻的抗震耗能能力。

關鍵詞：帶暗支撐低矮剪力墻;抗震性能;承載力

短肢剪力墻結構是一種比普通剪力墻結構自重輕、保溫好、平面布置靈活、建筑功能良好的結構體系，其發展勢頭強勁，其抗震性能受到大家關注。振動臺試驗研究結果表明，短肢剪力墻結構的抗震薄弱環節是建筑外邊緣及角點處的墻肢，部分墻肢、特別是底層一字形墻肢出現了先于連梁的剪切破壞，這種破壞的主要原因是墻肢的抗震能力低。因此提高短肢剪力墻墻肢的抗震性能是亟待解決的問題。

一、試驗概況

本文進行了4個雙肢短肢剪力墻模型抗震性能試驗研究，模型按1/3縮尺，其墻肢為L形截面。試件編號分別為DLSW-6.5、DLSBW-6.5、DLSW-8、DLSBW-8。符號中：DLSW為普通雙肢短肢剪力墻，DLSBW為帶暗支撐雙肢短肢剪力墻，6.5和8為模型的墻肢截面高度與厚度之比。DLSBW-6.5模型的配筋型式同DLSBW-8，其外形尺寸與DLSBW-8的不同處為：墻肢截面高度為520mm、連梁跨度為1040mm，其它幾何尺寸相同。DLSW-6.5、DLSW-8模型的配筋為分別在DLSBW-6.5、DLSBW-8的配筋中去掉墻肢中的暗支撐和連梁中的斜向鋼筋，DLSW-6.5的外形尺寸與DLSBW-6.5相同、DLSW-8的外形尺寸與DLSBW-8相同。模型采用細石混凝土澆筑，其設計強度等級為C30，實測強度均值為44.2MPa。水平加載點至基礎頂面距離為2550mm，并分別在距基礎頂面2550mm、1350mm處布置水平位移計。DLSW-6.5、DLSBW-6.5軸向壓力為320kN，DLSW-8、DLSBW-8軸向壓力為403kN。墻肢軸壓比均為0.2。采用低周反復荷載，用IMP數采系統采集鋼筋應變、水平位移、水平荷載，并用其繪制滯回曲線，人工測繪裂縫。

二、試驗結果及分析

1、承載力實測結果及分析

表1各剪力墻的開裂荷載、明顯屈服荷載、極限荷載的實測值

表1為各剪力墻的開裂荷載、明顯屈服荷載、極限荷載的實測值。表中：Fc為試件開裂水平荷載，它指首次加載開裂時的荷載;Fy為試件明顯屈服水平荷載，正負兩向明顯屈服荷載接近，Fy取了正、負兩向的均值;Fu為試件極限水平荷載，因試驗過程中負向加載出現平面外扭轉現象，因結構是對稱的，故Fu取正向極限值;Lcy=Fc/Fy;Lcu=Fc/Fu;Lyu=Fy/Fu稱為屈強比。

表2剪力墻各階段剛度實測值及其衰減系數

2、剛度實測值及分析

各剪力墻剛度實測值及各階段剛度衰減系數見表2。表中：K0為試件初始彈性剛度;Kc為試件開裂割線剛度;Ky為試件明顯屈服割線剛度;Bc0=Kc/K0，它為從初始彈性到開裂過程中的剛度衰減系數;Byc=Ky/Kc，它為從開裂到明顯屈服過程中的剛度衰減系數;By0=Ky/K0，它為從初始彈性到明顯屈服過程中的剛度衰減系數。具有相同墻肢截面高厚比的短肢剪力墻的初始彈性剛度非常接近。

3、延性性能分析

各剪力墻位移及延性系數實測值見表3。位移指與水平加載點同一高度處的相應水平位移。其中：uc為與Fc對應的開裂位移;uy為與Fy對應的屈服位移;ud為正向彈塑性最大位移，L=ud/uy是剪力墻的延性系數（本文中ud取正向值計算）。帶暗支撐短肢剪力墻的開裂位移比普通短肢剪力墻有所提高，表明暗支撐有延緩開裂的作用。帶暗支撐短肢剪力墻的明顯屈服位移比普通短肢剪力墻有所提高。

表3各剪力墻位移及延性系數實測值

4、耗能能力試驗結果及分析

滯回環所包含的面積的積累反映了結構彈塑性耗能的大小。一般說來，滯回環越飽滿，結構的耗能能力越強。本次試驗中各試件在負向加載過程出現了平面外扭轉現象，考慮到結構是對稱的，這里取滯回曲線骨架曲線在第一象限所包含的面積作為比較各試件耗能能力的一個指標。顯見它只是總耗能的一部分。按這樣的比較指標，實測所得的4個試件的耗能情況見表4。

表4各試件耗能實測值

DLSBW-6.5與DLSW-6.5相比，鋼筋用量增加了50.6%，耗能提高了198.3%，耗能提高比例是用鋼量提高比例的3.91倍;DLSBW-8與DLSW-8相比，鋼筋用量增加了46.1%，耗能提高了183.2%。耗能提高比例是用鋼量提高比例的3.97倍。

5、破壞特征

最終破壞時，帶暗支撐雙肢短肢剪力墻的墻肢與普通雙肢短肢剪力墻的墻肢相比，裂縫多且密，裂縫寬度相對較小，裂縫分布于整個墻肢，墻肢上下兩端與中部相比裂縫較密。試件DLSW-6.5與DLSW-8相比：DLSW-6.5墻肢的裂縫主要分布在上下兩端，DLSW-8墻肢的裂縫分布于整個墻肢;DLSW-6.5墻肢端部裂縫比DLSW-8墻肢端部裂縫走向平緩;這些反映了墻肢高厚比對其受力的影響。試件DLSBW-6.5與DLSBW-8相比：DLSBW-6.5墻肢中部和連梁的裂縫相對較多。

三、承載力計算

試驗表明，雙肢短肢剪力墻的承載力計算可將兩墻肢考慮為偏心受壓構件。計算中忽略中部分布鋼筋合力影響。極限水平承載力：

式中：n為墻肢總數;Mi為第i個墻肢的肢底截面抵抗彎矩，根據墻肢截面承載力計算模型的受力平衡條件求得;Hi為第i個墻肢反彎點至肢底的高度;Ni為第i個墻肢的軸向壓力;e0i為第i個墻肢的偏心距。按鋼筋實測屈服強度及混凝土實測抗壓強度計算所得四個模型的承載力及其與實測結果的比較見表5

表5極限承載力計算結果與實測結果的比較

四、結論及設計建議

（1）帶暗支撐剪力墻與普通剪力墻相比，可顯著地改善抗震性能。

（2）設計中暗支撐的配筋比宜控制在0.1～0.3之間。

（3）設計中暗支撐傾角宜控制在45°～60°之間。

（4）帶暗支撐剪力墻的暗支撐配筋比在0.1～0.3、傾角在45°～60°之內時，本文試驗所得的各實測參數均值與普通剪力墻比較綜合如下：承載力比普通剪力墻提高了38.96%;延性系數比普通剪力墻提高了43.68%;屈服剛度比普通剪力墻提高了28.8%;耗能比普通剪力墻提高了176.6%，是用鋼量提高比例的6.94倍。

（5）暗支撐明顯地改變了剪力墻的裂縫分布，主裂縫角度有向暗支撐傾角逼近的趨勢。

參考文獻

[1]高層建筑混凝土結構技術規程（JGJ3-2002）[M]

[2]GB20011-2001建筑抗震設計規范[S]