暗斜撐對型鋼－高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻抗震性能影響的研究

李立仁，華 川

(1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400045;2.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶400030)

我國是使用混凝土結(jié)構(gòu)最多的國家，隨著我國高層及超高層建筑的大量涌現(xiàn)，采用高強(qiáng)混凝土已成為一種趨勢。高強(qiáng)混凝土因其強(qiáng)度高、變形小、耐久性能好，適應(yīng)了現(xiàn)代建筑工程向大跨度、高層以及超高層方向的發(fā)展。但是，高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)受力后表現(xiàn)出破壞突然、延性及抗震性能較差的不足均未得到有效的解決。因此，研究高強(qiáng)混凝土在工程中的成熟應(yīng)用，受到了工程界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

在一些實(shí)際工程中，由于墻體高度的限制，其鋼筋混凝土剪力墻往往形成通常所說的低矮剪力墻。低矮剪力墻以受剪為主，其破壞形式為脆性剪切破壞，延性和耗能能力較差，在地震作用下其破壞具有突然性，因此，采取提高抗震性能的措施是十分必要的。

型鋼－混凝土剪力墻是將型鋼和混凝土兩種材料組合起來共同承受荷載的受力墻體，迄今為止，國內(nèi)外對型鋼－高強(qiáng)混凝土剪力墻的的抗震性能研究比較少，在工程上的應(yīng)用還不是十分成熟。因此，本文擬通過低周反復(fù)水平加載試驗(yàn)，探索不同斜撐類型對型鋼－高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻抗震性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

研究表明:普通混凝土剪力墻，通過合理的設(shè)置支撐(如型鋼支撐、鋼筋暗柱斜撐)，可形成抗震性能較好的普通混凝土剪力墻。因此，本文考慮在高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻暗柱中增設(shè)型鋼，腹板內(nèi)增設(shè)斜撐來改善高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻的抗震性能。

1.1 試件制作

本次試驗(yàn)3片型鋼－高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻試件依次為:SRHCW－Ⅰ(未設(shè)斜撐)、SRHCW－Ⅱ(內(nèi)設(shè)鋼筋斜支撐)、SRHCW－Ⅲ(內(nèi)設(shè)型鋼斜支撐)。型鋼－高強(qiáng)混凝土剪力墻的高寬比為1.0，試件的剪力墻腹板及加載梁的混凝土強(qiáng)度等級為C80，下加載梁可作為加載試件的固端，其混凝土強(qiáng)度等級為C30。各試件均采用1/3縮尺模型，具體尺寸及配筋如圖1、表1所示。構(gòu)件的設(shè)計軸壓比為0.15，試驗(yàn)軸壓比0.075，所施加的豎向荷載值均為750 kN。

圖1 剪力墻試樣

表1 試件各參數(shù)明細(xì)表

續(xù)表

1.2 材料力學(xué)性能

本次實(shí)驗(yàn)主要用的鋼材有熱軋鋼筋及熱軋型鋼兩大類，力學(xué)性能見表2，高強(qiáng)混凝土實(shí)測抗壓強(qiáng)度見表3。

表2 鋼材材料性能指標(biāo)

表3 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度

2 試驗(yàn)的加載及量測

2.1 試驗(yàn)加載裝置

本次試驗(yàn)在重慶大學(xué)大型結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)加載裝置如圖2。

2.2 試驗(yàn)加載制度

本實(shí)驗(yàn)加載過程分為兩個階段，第一個階段，采用荷載控制加載，豎向千斤頂先緩慢加載，這個過程要進(jìn)行幾何及物理對中，對中以后加載到最大值，然后穩(wěn)定軸力至最大值，再施加水平荷載，找到剪力墻墻體開裂的第一條裂縫后進(jìn)入第二個階段——位移控制加載階段，在位移控制加載階段，每級控制位移下循環(huán)兩次，且使用每一級位移遞增的變幅加載方式。當(dāng)實(shí)驗(yàn)的某一級實(shí)測荷載－位移滯回曲線的荷載值降到最大荷載的85%時就認(rèn)為試件破壞，也可以認(rèn)為試件所加軸力不能穩(wěn)定于設(shè)計值以及不能繼續(xù)承擔(dān)水平力時即宣告試驗(yàn)終止。

圖2 加載裝置

2.3 儀表位置

為了繪制滯回曲線，在加載梁端循環(huán)荷載施加位置處的下方，安放大位移計。為了測量節(jié)點(diǎn)的剪切變形，在混凝土墻面四個角部預(yù)埋四根短鋼筋，在短鋼筋上設(shè)置使用變形很小的鋼絲相連的百分表，通過百分表測量四個點(diǎn)的相對位移值以表示墻體的剪切變形情況。

3 受力過程分析及結(jié)果對比

3.1 試驗(yàn)記錄荷載值

三個試件由于所含斜撐類型不同其對應(yīng)的荷載值也均不同，表4為實(shí)驗(yàn)過程中三個試件交替受力時的開裂荷載和極限荷載值。

表4 試件荷載測量值

表中:Fcr為試件開裂的水平荷載值(開裂荷載均指首次加載至開裂的荷載);Fu為試件承受的最大水平荷載值。

對比發(fā)現(xiàn)三個試件的開裂荷載值相差不是很大，極限荷載值SRHCW－Ⅱ最大，SRHCW－Ⅲ最小，表明斜撐的不同對高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻承載力的貢獻(xiàn)不同。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果對比與分析

3.2.1 試件裂縫發(fā)展與破壞過程

本次試驗(yàn)的試件為高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻，理論上均會發(fā)生剪切破壞，就如SRHCW－Ⅰ和SRHCW－Ⅱ的破壞，這兩個試件在實(shí)驗(yàn)過程中的彈塑形變形能力差、耗能能力較弱，破壞過程較突然和短暫，但是，SRHCW－Ⅲ通過合理的設(shè)計構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)了變形能力很強(qiáng)的延性破壞。

三個試件最終破壞狀態(tài)見圖3，試件裂縫發(fā)展與破壞過程為:

(1)SRHCW－Ⅰ和SRHCW－Ⅱ破壞特征基本相似。試件開裂后進(jìn)入位移控制加載階段，裂縫迅速開展，很快貫通，接著裂縫變寬，在加載過程中混凝土發(fā)出清脆嘶嘶的聲音，最后在斜向主裂縫處形成斜向短柱受壓破壞。但SRHCW－Ⅱ在實(shí)驗(yàn)過程中開始形成水平裂縫較多，裂縫在墻面的分布較廣，裂縫間距較均勻且墻體最后破壞時下部破壞程度較SRHCW－Ⅰ嚴(yán)重。

(2)SRHCW－Ⅲ:在一開始出現(xiàn)較多的水平裂縫，接著斜向延伸，未出現(xiàn)明顯的主裂縫，裂縫間距分布比較均勻且裂縫幾乎遍布墻面，最后在墻體與基礎(chǔ)梁之間形成水平裂縫，在反復(fù)加載過程中，墻體底部受壓區(qū)混凝土壓碎，型鋼外露。最后破壞狀態(tài)為暗柱型鋼、暗柱主筋壓屈、混凝土壓碎，變形很大宣告實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖3 構(gòu)件最終破壞

3.2.2 滯回曲線

通過滯回關(guān)系曲線可以看出:

(1)SRHCW－Ⅰ的滯回環(huán)存在嚴(yán)重的“捏攏”效應(yīng)，當(dāng)主裂縫寬度明顯形成以后滯回曲線明顯偏移，剛度退化突然，滯回曲線向位移軸靠攏。

(2)SRHCW－Ⅰ和Ⅱ最大彈塑性位移幾乎差不多，但SRHCW－Ⅱ在試件正向受力過程中滯回環(huán)的面積明顯大于SRHCW－Ⅰ，鋼筋暗支撐的高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻也在一定程度上增強(qiáng)了構(gòu)件的延性。

(3)帶型鋼斜支撐SRHCW－Ⅲ的滯回環(huán)非常飽滿，剛度退化均勻，彈塑形位移最大，呈現(xiàn)一種梭型形狀，具有良好的抗震性能能力，且滯回曲線位移循環(huán)次數(shù)最多，但水平承載力并不是最大。

3.2.3 骨架曲線

通過對比分析三個試件的骨架曲線有:

高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻在試件開裂至最大水平荷載階段，暗斜撐可以提高試件的承載力，且型鋼斜撐提高幅度最大(SRHCW－Ⅲ骨架曲線斜率最大，剛度的退化較均勻，承載力也較大);高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻在最大水平荷載階段以后，暗斜撐可以明顯提高最大塑性變形能力(型鋼斜撐最大，鋼筋暗斜撐其次，SRHCW－Ⅰ最小)(圖4)。

3.2.4 延性

三個試件的延性系數(shù)如表5所示，由表5可以發(fā)現(xiàn):

(1)三個試件的開裂荷載值和開裂位移值很相近，帶斜撐的高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻略高，在彈性階段斜撐對剪力墻的影響不明顯。

圖4 試件骨架曲線對比

(2)SRHCW－Ⅲ的極限位移最大，SRHCW－Ⅱ的極限位移其次，SRHCW－Ⅰ最小，斜撐可以明顯提高高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻的變形性能。

(3)SRHCW－Ⅲ的延性系數(shù)最大(接近SRHCW－Ⅰ的1.6倍，接近 SRHCW－Ⅱ的1.55倍)，SRHCW－Ⅱ其次(接近SRHCW－Ⅰ的1.1倍)，SRHCW－Ⅰ最小，反映了型鋼斜撐可以明顯改善高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻的抗震性能。

表5 試件延性系數(shù)

3.2.5 耗能性能

表5 SRHCW－Ⅰ～SRHCW－Ⅲ等效阻尼比

表5中數(shù)據(jù)表明:(1)帶暗斜撐的高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻在對應(yīng)位移下的等效粘滯阻尼比均高于不含斜撐的SRHCW－Ⅰ;(2)帶型鋼斜撐的SRHCW－Ⅲ的等效粘滯阻尼比最大，SRHCW－Ⅱ其次，SRHCW－Ⅰ最小;(3)表明型鋼斜撐SRHCW－Ⅲ具有較好的抗震性能。

3.2.6 強(qiáng)度衰減

從此次試驗(yàn)的強(qiáng)度衰減圖可以發(fā)現(xiàn):(1)SRHCW－Ⅲ的衰減系數(shù)波動最為平緩，其抗震性能明顯優(yōu)于SRHCW－Ⅰ和Ⅱ;(2)在整個對應(yīng)位移級下SRHCW－Ⅱ衰減系數(shù)線均在SRHCW－Ⅰ上方，波動幅度較SRHCW－Ⅰ小;(3)設(shè)置暗斜撐的高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻可以提高反復(fù)水平荷載下的衰減系數(shù)，可以提高高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻的抗震性能。

4 結(jié)論

本文通過三個不同斜撐類型的型鋼－高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻試件的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，得出如下結(jié)論:剪跨比λ=1的剪力墻發(fā)生剪切破壞，但通過合理的構(gòu)造也可以讓高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻發(fā)生較好的延性破壞:暗斜撐對高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻的承載力貢獻(xiàn)值不是很大;帶暗斜撐的高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻的彈塑性位移、延性、耗能能力都比未設(shè)置暗斜撐的高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻有不同程度的提高，滯回環(huán)也較飽滿，且型鋼斜撐效果最顯著;帶暗斜撐高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻的強(qiáng)度衰減比未設(shè)暗斜撐的高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻衰減要慢;型鋼斜撐形成的核心混凝土約束能力強(qiáng)于暗柱斜撐，暗斜撐的破壞直接影響到低矮剪力墻墻體的破壞;含鋼量在相等的情況下，型鋼暗斜撐可以大幅增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土低矮剪力墻的抗震性能。

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