短肢剪力墻結構扭轉效應試驗研究

楊曉華，周 磊，盧學臣

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

短肢剪力墻結構扭轉效應試驗研究

楊曉華，周 磊，盧學臣

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

對按國家現行《異形柱結構設計規范》設計的一個三層短肢剪力墻空間結構施加偏心的低周水平反復荷載，研究短肢剪力墻結構在扭轉作用下的裂縫發展及結構受力情況。試驗結果表明，短肢剪力墻空間結構屬于典型的“強墻肢弱連梁”結構，連梁端部是結構薄弱區域，梁端首先出現塑性鉸，較好地耗散了地震能量；靠近節點附近的外邊緣墻肢部位受到扭矩和樓層較大彎矩的雙重作用，受拉作用被強化，是墻肢的薄弱部位；在墻肢連梁相交位置處的節點受彎曲-剪切-扭轉共同作用，前期主要通過節點內部的斜壓桿機構傳遞剪力。

短肢剪力墻空間結構；擬靜力試驗；扭轉效應；節點

0 引言

理論研究與地震災害調查表明，地震時地面運動是多維的，不僅有平動分量，也有轉動分量。造成結構的地震反應是多維的[1]，由此引起的結構扭轉效應往往是造成結構破壞的一個重要因素[2]。空間節點的地震反應具有多維特性，破壞機制復雜[3]。在短肢剪力墻研究方面，對單個墻肢構件或對單個節點構件進行的研究較多[4-9]，而利用三維空間結構模型在水平地震荷載作用下結構節點抗扭轉的研究較少[10-11]。由此得出的相關結論，并不能充分說明節點扭轉破壞的機理。本文對一按異形柱規范設計的三層短肢剪力墻空間結構施加偏心模擬水平地震作用的循環荷載，對受扭轉作用的空間結構節點進行研究，通過分析結構變形和裂縫開展情況，研究整體結構的變形情況及節點核心區剪切機理。

1 試驗概況

1.1 試件設計

結構模型試驗選取一個典型的實際工程，按1:4縮尺比例設計一個兩跨三層短肢剪力墻空間結構模型，短肢剪力墻肢厚比為5。結構模型基本尺寸如圖1所示，墻肢及連梁配筋情況如圖2所示。實測混凝土立方體抗壓強度為25.74 MPa；實測鋼筋的屈服強度為301 MPa，極限強度為350 MPa，彈性模量為2.15×105MPa。試驗過程中對模型結構頂層施加一個偏心的水平往復集中荷載，并為此預先設計一套加載裝置來防止結構模型發生局部承壓破壞。試驗荷載通過電動伺服加載系統施加在頂層偏離中間節點位置400 mm處的分配鋼梁上，分配鋼梁采用螺桿與對應結構側面的反向荷載傳遞裝置固定連接，具體加載裝置如圖3所示。

圖1 結構試驗模型Fig. 1 A structural testing model

圖2 墻肢及連梁配筋圖Fig. 2 A diagram of the coupling beams of the shear wall

圖3 試驗加載裝置圖Fig. 3 Test loading devices

1.2 加載方案

模型結構試驗在湖南工業大學土木工程結構實驗室進行，加載制度如圖4所示。本次試驗主要研究短肢剪力墻空間節點在水平地震荷載作用下的受力性能和裂縫開展情況，以及抵抗水平扭轉的效應。加載過程采用荷載控制加載，每級荷載峰值增加20 kN，每級荷載作用下往復循環3～5次。由于試驗設備條件限制，試驗最大加載到113 kN時，無法繼續加載，因此，本次試驗的最大水平循環荷載為100 kN。

圖4 低周反復試驗加載制度Fig. 4 Low cyclic loading system

1.3 測量儀器布置及測量內容

在結構試驗模型頂層4個角節點上，對應梁中心位置處安裝位移計（測點編號及位置如圖1所示），主要測量結構在2個方向上的側向位移和頂層節點的扭轉變形。在短肢剪力墻肢及與連梁節點上設置鋼筋和混凝土應變片，通過電阻應變儀采集各級荷載下鋼筋混凝土的應變值。在整個試驗過程中及時觀測裂縫的出現和發展情況。

2 試驗結果與分析

2.1 荷載位移曲線

結構頂層各測點的荷載位移曲線如圖5所示。1～4號4個測點位于結構模型左側①軸線附近，水平偏心荷載偏向這一側，其中：1, 2號測點設置在結構模型的后面，3, 4號測點設置在結構模型的前面。5～8號測點位于結構模型右側③軸線附近，其中：7,8號測點設置在結構模型的后面，5, 6號測點設置在結構模型的前面。測點編號為奇數時測得的是此位置沿外加荷載作用方向上的位移，測點編號為偶數時測得的是此位置垂直于外加荷載作用方向上的位移。由編號為1, 3, 5, 7測點最大位移繪制的骨架曲線如圖6所示。

圖5 測點荷載-位移曲線Fig. 5 Load-displacement curves of gauging points

施加水平荷載為單個偏心荷載，結構變形沿荷載作用方向為組合變形，是水平平移和扭轉變形的疊加。由圖5可以看出，由于荷載偏心距不大，編號為奇數的測點給出的同軸線上，結構前后平行于荷載作用方向上的位移曲線相近，扭轉變形并不明顯；編號為偶數的測點給出的同軸線上，結構前后垂直荷載作用方向上的位移曲線完全不同，在相同荷載作用下，位移的方向相反，表明整體結構產生了水平扭轉變形。由圖5和圖6可知，在水平偏心荷載作用下，結構左右兩側位移變化差異較明顯。靠近偏心荷載作用的結構模型左側部分區域在荷載峰值達到80 kN以后進入了塑性變形階價段，力-位移曲線出現滯回環，骨架曲線出現拐點；遠離偏心荷載作用的結構模型右側測點位移小于左側，該區域結構仍處于彈性狀態，力-位移曲線滯回現象不明顯，骨架曲線近似于直線。

圖6 骨架曲線Fig. 6 Skeleton curves

2.2 裂縫發展

各級加載下結構裂縫的發展情況如下所述，結構裂縫如圖7所示。

第一級加載（±20 kN），結構未出現裂縫，結構處于彈性狀態，最大位移約3.0 mm。

第二級加載（±40 kN），正向加載過程中，①號軸線三層靠近加載位置一側梁端底部出現首條裂縫，緊接著連梁另一端上部出現裂縫，加載方向改變后，隨正向荷載的減小，裂縫慢慢閉合。反向加載過程中，同一連梁遠離加載位置一側梁端底部出現裂縫，正向加載時原連梁上部出現的裂縫也隨著反向力的增大而愈發明顯。

第三級加載（±60 kN），隨著正向荷載逐漸增加，二層①號軸線連梁出現裂縫，三層①號軸線位置連梁已產生的裂縫進一步擴展發育，頂層邊連梁與短肢剪力墻垂直交點附近出現首條剪切斜裂縫。接著中間②號軸線二層和三層連梁端部也產生裂縫，隨后頂層中間②號軸線位置連梁與短肢剪力墻垂直交點附近也出現剪切裂縫。反向加載過程中，與集中加載點較近的①號軸線墻肢在距底部約100 mm的位置出現水平裂縫，卸載后閉合。

第四級加載（±80 kN），①號軸線二層和三層連梁端部附近所產生的梁裂縫上下基本貫通，頂層邊連梁與短肢剪力墻垂直交點附近出現的剪切斜裂縫向墻肢節點內部延伸，①號軸線墻肢在距底部約100 mm位置的水平裂縫擴展加長。

第五級加載（±100 kN），隨著荷載的增加，在距集中加載點較近的①號邊軸線和中間②號軸線位置連梁端部，裂縫進一步發育擴展，剪切斜裂縫繼續向節點外緣角部延伸。短肢剪力墻在距離墻底150 mm和200 mm位置處出現新的水平裂縫。隨著結構側移的不斷增加，與加載方向垂直B軸線邊節點附近的連梁端部出現微小裂縫，不明顯，卸載后閉合。

圖7 結構裂縫圖Fig. 7 A map of structural cracks

從結構試驗模型裂縫發展情況來看，裂縫首先出現在梁端，并隨著荷載的增加而逐漸擴大，部分裂縫上下貫通，形成塑性鉸。上部結構短肢剪力墻體并未產生明顯裂縫，后期由于變形較大而產生的結構底層短肢剪力墻肢水平裂縫也并未發育完全。這說明短肢剪力墻結構是屬于典型的強墻肢弱梁結構，滿足地震區的使用要求。

2.3 鋼筋受力情況

2.3.1 節點內外連梁縱筋

二、三層②軸線位置處T節點內外梁端縱筋應力變化如圖8所示。

由圖8可知，節點內外連梁縱筋應力差距明顯，鋼筋與混凝土之間的黏結性能良好。②號軸線位置二三層靠近節點位置梁端底部縱筋受拉應力值相近，且在第五級正向加載時均達到屈服。二三層連梁跨中應力很小，忽略不計，可認為該位置連梁反彎點位于跨中。

圖8 二、三層②軸線T節點內外梁端縱筋應力圖Fig. 8 Stress diagram of longitudinal bars inside and outside T-shaped joints at② axis on the second and third fl oor

2.3.2 節點兩邊連梁縱筋

二、三層B軸線位置處T節點兩邊梁端縱筋應力隨加載級數的變化過程如圖9所示。

圖9 二、三層B軸線T節點外兩邊梁端縱筋應力圖Fig. 9 Stress diagram of longitudinal bars at either side of T-shaped joints at B axis on the second and third fl oor

由圖9可知，在加載過程中，由于結構受到的扭轉作用，節點外左右梁端應力差異明顯，鋼筋都處于彈性應力階段，二層B軸線位置連梁反彎點同樣位于跨中附近。

2.3.3 墻肢縱筋

二、三層B軸線位置處T節點墻肢縱筋應力變化如圖10所示。

圖10 二、三層B軸線T節點墻肢縱筋應力圖Fig. 10 Stress diagram of longitudinal bars of T-shaped joints at axis B

由圖10可知，底層墻肢受彎程度大于上部墻肢，B軸線二層T節點腹板角部墻筋應力始終大于三層。由于結構墻肢鋼筋在綁扎定位澆筑過程中縱筋不可避免地發生了彎曲，翼緣邊部墻肢縱筋上的原用于測量節點以上部位的鋼筋應變片進入節點內部，僅節點下部的應變片位置仍在節點外。對比圖10中各曲線的變化過程可知，節點下部縱筋后期在彎矩和扭矩的共同作用下全程受拉，并且受拉應力迅速增加，而上部和中部貼片位置縱筋拉壓應力狀態明顯，且壓應力呈現有層次地遞增；扭矩在節點平面內通過連梁和樓板得到了分散，表現不明顯。這表明靠近節點的墻肢部位受到扭矩和樓層較大彎矩的疊加作用，受拉作用被強化，是墻肢的薄弱部位。

2.3.4 墻肢箍筋

二、三層L形和T形節點區墻肢箍筋應力變化如圖11所示。

圖11 二、三層L形和T形節點區墻肢箍筋應力圖Fig. 11 Stress diagram of longitudinal bars at the L-shaped and T-shaped joint areas on the second and third fl oor

由圖11可知，節點區墻肢箍筋受拉壓應力值普遍較小，受力作用不明顯，節點區剪力主要通過墻肢縱筋和混凝土組成的斜壓桿機構傳遞。

3 結論

通過對短肢剪力墻空間結構施加偏心的往復水平荷載，觀察研究結構的整體變形及其內部節點位置各鋼筋的應力情況，可得出如下結論：

1）整體結構模型產生的變形為彎曲-剪切-扭轉組合變形。連梁反彎點位于跨中；梁端是結構的薄弱部位，裂縫主要產生在此部位；裂縫包括直裂縫和斜裂縫。塑性鉸首先出現在連梁兩端，塑性鉸的出現能很好地耗散地震能量，形成了典型的“強墻肢弱連梁”結構，具有良好的抗震性能。由于靠近邊節點附近墻肢部位受到扭矩和樓層較大彎矩的雙重作用，其受拉作用被強化，是短肢剪力墻結構的薄弱部位，設計時應予以考慮。

2）短肢剪力墻結構在承受水平地震荷載作用時，短肢剪力墻和連梁的相交節點承受彎曲-剪切-扭轉組合力作用，在受力前期主要通過節點內部斜壓桿機構傳遞剪力，節點約束作用并不明顯。

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（責任編輯：鄧光輝）

An Experimental Study on the Torsion Effect of Short-Pier Shear Wall Structures

YANG Xiaohua，ZHOU Lei，LU Xuechen
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

An eccentric low cyclic horizontal loading has been applied to the spatial structure of a three-storied short-per shear wall, which has been designed according to the current nationalDesign Speci fi cation for Special-Shaped Column Structures. A research has been made of the crack development and structural stress of the structures under the torsional loading. Experimental results show that the short-pier shear wall structure is a typical structure with strong limbs and weak beams, its tie-beam end being the weak region of the structure. The plastic hinges at the end of the tiebeam effectively consume the seismic energy, and the part near the outer edge of the wall limbs, also a weak component of short-limb shear wall structure, whose tension has been strengthened under the double effects of the torque and the relatively large bending moment of the storey. The shear force is transferred through the baroclinic rod mechanism inside the joint of beams, which has been under the multiple effects of bending, shear and torsion.

short-pier shear wall structure；pseudo static test；torsion effect；joint

TU398+.2

：A

：1673-9833(2017)03-0012-07

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.03.003

2016-11-30

楊曉華（1963-），男，湖南岳陽人，湖南工業大學教授，博士，主要從事建筑結構工程及結構計算方法方面的研究，E-mail：yangsheep@126.com

周 磊（1992-），男，江蘇無錫人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為高層建筑結構，E-mail：690032140@qq.com