提高鋼筋混凝土剪力墻抗震性能的思想與方法

蔣歡軍，王 斌，呂西林

（1.同濟大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海 200092；2.同濟大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海 200092）

早期的抗震設(shè)計理念認為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的變形性能好于剪力墻結(jié)構(gòu)，而剪力墻由于剛度大，變形能力較差，在強震作用下容易引起脆性破壞，因此較大程度上限制了剪力墻的使用.雖然就延性系數(shù)而言，剪力墻確實不如框架，但是在歷次大地震中，剪力墻結(jié)構(gòu)卻很少受到破壞，表現(xiàn)出良好的抗震性能［1］.隨著對剪力墻抗震性能的進一步認識，人們意識到剪力墻結(jié)構(gòu)合理的屈服機制應(yīng)該是大震作用下，結(jié)構(gòu)的主要耗能通過連梁大量彎曲屈服承擔，墻肢的屈服應(yīng)盡量推遲，并且大部分控制在結(jié)構(gòu)的底部.當前實際工程中，鋼筋混凝土剪力墻已是高層結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件之一.由于高層結(jié)構(gòu)底部的剪力墻承受較大的軸力、彎矩和剪力，在強震作用下，高軸壓下的剪力墻容易發(fā)生受壓剪切或者壓潰破壞，使其構(gòu)件強度和耗能明顯下降，震后難以修復(fù).如何改善底部剪力墻的抗震性能，是高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的關(guān)鍵問題之一.

2010年2月智利地震（M8.8）和2011年2月新西蘭Christchurch地震（M6.3）中，剪力墻結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度和不同類型的破壞，部分墻體的破壞遠超出可修復(fù)的程度，這也是近年來現(xiàn)代鋼筋混凝土高層建筑遭受明顯破壞的地震.因此，對這兩次地震中剪力墻的震害調(diào)查及對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法的改進受到全世界地震工程和結(jié)構(gòu)工程專業(yè)人士的極大關(guān)注［2-7］.

本文首先從智利地震和新西蘭地震中剪力墻的震害現(xiàn)象出發(fā)，分析可能造成剪力墻破壞的主要原因，提出改善剪力墻抗震性能的思想與設(shè)計方法.同時，針對目前超高層結(jié)構(gòu)中采用的內(nèi)置鋼板組合剪力墻，利用數(shù)值模擬開展參數(shù)化分析，為當前鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供依據(jù).

1 智利和新西蘭地震中剪力墻震害現(xiàn)象分析

剪力墻的破壞模式與墻體的高寬比、軸壓比、截面形式、邊緣約束構(gòu)件以及鋼筋配置形式等因素密切相關(guān).通常情況下墻體都是在軸壓、彎曲和剪切多種作用狀態(tài)下工作，其破壞模式最終取決于這3種承載力的相對強弱關(guān)系，彎曲破壞的墻體具有較好的延性，而剪切破壞的墻體在超過峰值荷載后承載力迅速退化，延性較差.

1.1 鋼筋混凝土受壓破壞

2010年智利地震中，較多的中高層剪力墻底部出現(xiàn)嚴重的混凝土壓碎破壞，其最直接的原因是底部剪力墻較薄，墻體軸壓過大.用Aw表示底層剪力墻的面積，W 表示結(jié)構(gòu)總重力，dnp＝Aw／W 表示單位重力所占的剪力墻體面積.經(jīng)統(tǒng)計，1939—1985年間的建筑，dnp的均值是3×10-7m2·N-1，而1985—2006年間的建筑，dnp降低為2×10-7m2·N-1（圖1）.1985年，墻體軸壓比均值小于0.1，而1985年后尤其是2000年后的建筑，軸壓比均值為0.2～0.3［7］.建筑高度的增加使得其底部剪力墻承受豎向荷載增大，在地震作用下容易發(fā)生壓潰破壞，如圖2a所示.這種破壞使得整體結(jié)構(gòu)的強度迅速下降，甚至引起建筑物的倒塌.

圖1 不同年份剪力墻承擔豎向荷載分布［7］Fig.1 Axial load distribution of shear walls variation over the years［7］

1980年前，新西蘭主要采用的抗震設(shè)計規(guī)范為NZS4203：1976，剪力墻中典型的配筋方式是在厚度為150～200mm的墻中，配置單層或者雙層間距為305mm（12in）、直徑為9.5mm（3／8in）的水平和豎向鋼筋，較低的配筋率使得剪力墻在2011年的地震中易發(fā)生受剪破壞［5］.相比之下，一些老結(jié)構(gòu)由于墻體較厚，表現(xiàn)出較好的抗震性能.20世紀80年代后，新建的剪力墻結(jié)構(gòu)具有高寬比較大和軸壓比過大等特點，雖然此類剪力墻設(shè)計為彎曲破壞模式，但當承受較大豎向荷載時，地震過程中容易出現(xiàn)底部墻體剪壓破壞或者混凝土壓潰破壞.

在智利和新西蘭地震中都出現(xiàn)了整體墻片發(fā)生平面外失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象，如圖2b所示，相對其他破壞形式而言，此類震害以前研究相對較少，墻體較薄、軸壓比過大和邊緣約束區(qū)混凝土較早壓碎破壞可能是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因.

1.2 邊緣構(gòu)件縱筋屈曲和斷裂

在1985年的智利地震中，剪力墻表現(xiàn)出了良好的抗震性能，雖然大部分墻體沒有采用延性構(gòu)造措施，但是仍可有效控制層間變形，所以1996年發(fā)布的抗震設(shè)計規(guī)范NCh433.Of96中，雖然絕大多數(shù)條款與美國規(guī)范ACI318—95的規(guī)定類似，但是取消了邊緣約束構(gòu)件這條規(guī)定，這也是本次地震中剪力墻邊緣部位出現(xiàn)如此嚴重破壞的主要原因（圖2c）.地震中破壞的剪力墻的配筋間距普遍為200mm×200 mm，并且箍筋為90°彎鉤，混凝土保護層（通常兩邊各20mm）的剝落直接導(dǎo)致了墻體有效承壓面積減少近20%左右，在這種情況下，90°彎鉤的箍筋在地震作用下容易張開，導(dǎo)致墻體縱筋出現(xiàn)嚴重的壓屈破壞，甚至出現(xiàn)鋼筋斷裂的現(xiàn)象.

新西蘭在采用規(guī)范NZS3101：1982前，剪力墻大多未采用延性設(shè)計的措施，尤其在邊緣約束區(qū)域.近年來剪力墻設(shè)計時，一般采用規(guī)范NZS3101：2006的延性設(shè)計方法，但是在配置箍筋較少的邊緣約束位置，也易發(fā)生縱筋壓屈或斷裂破壞.

2 改善普通剪力墻抗震性能的研究

震害調(diào)查和試驗研究表明，普通鋼筋混凝土剪力墻在強震作用下，主要存在以下兩個突出的問題：

（1）底部剪力墻承受較大的軸向壓力，其破壞模式較難控制，容易發(fā)生剪壓破壞，構(gòu)件的強度和耗能能力呈明顯下降趨勢.

（2）雖然按照“強剪弱彎”的原則設(shè)計墻體的抗彎和抗剪鋼筋，并且試圖使塑性鉸出現(xiàn)在底部加強區(qū)部位，但是由于損傷位置過分集中，使墻體震后難以修復(fù)，所以對底部墻體的變形和耗能提出了更高的要求.

因此，對于高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)來說，如何避免剪力墻底部發(fā)生剪壓破壞和提高墻體的變形能力，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中突出的問題.就試驗研究和實際工程應(yīng)用而言，主要有4類改進的方法：①在墻體內(nèi)部配置型鋼或鋼板.端部配置型鋼以延緩墻腳的破壞，提高墻體的延性，而配置鋼板可以改善墻體的軸壓行為，對承載力、延性和耗能能力都有明顯的改善.②改變普通剪力墻的配筋形式，如采用斜向分布配筋和內(nèi)藏鋼桁架等，可以提高剪力墻的抗剪能力和耗能能力.③改變剪力墻的剪跨比，使剪力墻破壞模式發(fā)生變化，如中間開縫剪力墻等.④開發(fā)新型剪力墻體系，如在剪力墻中增加耗能裝置，采用搖擺剪力墻結(jié)構(gòu)體系等.當前實際工程中常用的是第①和第②類方法.

2.1 改善軸向壓力的分析

為了提高剪力墻在地震作用下的延性，通常要控制其承擔軸向壓力的大小.我國建筑抗震設(shè)計規(guī)范［8］第6.4.2條對不同抗震等級和不同設(shè)防烈度下的剪力墻在重力荷載代表值下的軸壓比限值進行了規(guī)定，但是在美國規(guī)范ACI318—08和智利規(guī)范NCh433.Of96中，均沒有限制軸壓比的規(guī)定.從前面的震害分析可以看出，軸壓比的增大使得墻體易發(fā)生壓潰破壞，從而在一定程度上導(dǎo)致了整體墻片的失穩(wěn)破壞.

評估鋼筋混凝土剪力墻和內(nèi)置鋼板組合剪力墻的軸壓比隨豎向荷載變化的基本參數(shù)如下：剪力墻抗震等級取一級，7度抗震設(shè)防，混凝土強度等級為C60，初步設(shè)計墻厚為1000mm.改善軸壓比的方法采用增加墻厚至1500mm和采用內(nèi)置鋼板組合剪力墻兩種方式，其中內(nèi)置鋼板采用Q345鋼，配鋼率取3.5%，其軸壓比n隨樓層變化如圖3所示.

圖3 不同墻體軸壓比變化Fig.3 Variation of axial load ratio with different types of shear walls

從圖3可以看出，當采用1000mm的普通剪力墻，樓層數(shù)量超過85層時，其軸壓比已超過規(guī)范限值0.5.為滿足墻體延性的需求，將墻厚增加到1500 mm和采用內(nèi)置鋼板組合剪力墻都可以滿足軸壓比的限值，但相比而言，組合剪力墻不論從提高墻體的抗剪能力，增加結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力，還是增加建筑面積來說，都優(yōu)于增加墻厚這一措施.采用3.5%配鋼率的鋼板組合剪力墻，可以使軸壓比降低27%.

2.2 改善墻體抗剪機制的分析

對于剪力墻的抗剪承載力來說，增加豎向鋼筋或水平配筋對其效果不是很明顯，但是通過改變墻體的配筋形式，如采用斜向配筋形式、增加內(nèi)藏鋼桁架或內(nèi)藏鋼板，都能明顯提高墻體的抗剪能力.

鋼筋混凝土剪力墻構(gòu)件的受剪承載力Va可以表達為

式中：Vs為抗剪承載力中鋼筋的貢獻；Vc為抗剪承載力中混凝土的貢獻；Vp為軸力對剪力的影響.本文主要探討不同配筋形式對剪力墻抗剪承載力的影響，其配筋形式和分析模型簡圖如圖4所示.

圖4 剪力墻抗剪承載力分析Fig.4 Shear strength analysis of shear walls

式中：Av為水平鋼筋的面積；fy為屈服強度；d為墻體開裂高度；s為分布筋間距.

當采用斜向配筋時，斜向鋼筋的水平分布間距仍然為s，鋼筋的傾角為α，由圖4b可得，斜向裂縫長度B＝d／cosθ，鋼筋的間距a＝s／［sinθ（cotθ＋cotα）］，通?？梢约俣芽p傾角為θ＝45°，那么所有穿過裂縫的全部鋼筋的水平分量為

從公式（3）可以得出，當鋼筋傾角為45°時，其抗剪承載力Vs＝1.41Avfyd／s，和普通配筋的剪力墻的抗剪承載力相比，提高了41%.

在低周反復(fù)加載過程中，由于斜向配筋的方向和斜裂縫開展方向較一致，使得鋼筋能更有效地發(fā)揮其軸向拉壓的貢獻，減少了構(gòu)件滯回曲線的捏攏效應(yīng)，能有效地提高構(gòu)件的滯回耗能能力，這一點已在試驗中得以驗證［9-11］，這種特性能顯著改善底部剪力墻在強震作用下的抗震性能.

2.3 實際超高層工程應(yīng)用分析

為了有效地改善超高層結(jié)構(gòu)底部剪力墻的抗震性能，實際工程中采用多種組合剪力墻體系.表1中列舉了國內(nèi)典型超高層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系.可以看出，內(nèi)置鋼板組合墻是一種具有良好發(fā)展前景的超高層抗側(cè)力構(gòu)件，尤其適用于高烈度地震區(qū)的建筑.此類組合剪力墻構(gòu)件的設(shè)計方法雖然已寫入《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3—2010），但是對于其抗震性能還需進一步研究.

表1 典型超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系Tab.1 Structural systems of typical super high rise buildings

3 內(nèi)置鋼板組合剪力墻抗震性能分析

2009年呂西林等［12］進行了多參數(shù)內(nèi)置鋼板混凝土組合剪力墻（SPRCW）的試驗研究.2011和2012年陳濤、蔣冬啟等［13-14］針對高軸壓比和高強混凝土鋼板組合剪力墻進行了系列試驗研究.本文基于OpenSees程序，針對組合剪力墻中軸壓比和配鋼率2個常用參數(shù)，對比分析了不同參數(shù)下組合剪力墻的抗震性能，對其破壞形式和受力特性進行了研究，為該類組合剪力墻構(gòu)件的實際工程應(yīng)用提供參考.

3.1 組合剪力墻計算分析模型

混凝土和鋼筋本構(gòu)采用美國休斯敦大學(xué)Mansour和 Hsu［15-16］提出的循環(huán)軟化膜模型（cyclic soften membrane model，CSMM）.

選取文獻［14］中試件作為研究對象，墻厚150 mm，截面寬度800mm，墻高2160mm，其截面尺寸與配筋信息見圖5（兩邊對稱），分析的單元與材料見表2.鋼筋混凝土墻與鋼板之間采用共節(jié)點剛接，即不考慮二者之間的黏結(jié)滑移關(guān)系.邊緣約束構(gòu)件與剪力墻板之間采用共節(jié)點命令組合，協(xié)調(diào)二者之間的變形，分析模型如圖6所示.

圖5 構(gòu)件截面尺寸與配筋信息（單位：mm）Fig.5 Cross-sectional dimensions and reinforcement details（unit：mm）

表2 組合剪力墻構(gòu)件分析參數(shù)Tab.2 Analytical parameters of SPRCW

數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比見圖7.可以看出，所采用的分析模型能夠較好地模擬構(gòu)件極限承載力前后強度和剛度變化.但在后期加載階段，分析模型有過高估計構(gòu)件滯回耗能的趨勢，這可能是由于分析模型中沒有考慮實際試驗過程中鋼板與混凝土墻體之間的黏結(jié)滑移而導(dǎo)致.

圖6 有限元分析模型Fig.6 Finite element model

圖7 計算與試驗滯回曲線對比Fig.7 Analytical and test load-displacement curves

基于實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中的問題，本文主要探討軸壓比和配鋼率對組合剪力墻抗震性能的影響.實際上鋼板與混凝土之間的構(gòu)造措施對于構(gòu)件的抗震性能也有很大的影響，但是在一定數(shù)量的抗剪栓釘或拉結(jié)筋的作用下，鋼板與混凝土墻體協(xié)調(diào)變形，所以文中沒有討論這個參數(shù).分析模型的加載制度如圖8所示.

圖8 分析模型的加載制度Fig.8 Loading protocol of analytical models

3.2 軸壓比的影響

分析模型中組合剪力墻構(gòu)件的鋼板厚度取5 mm，豎向和水平向配筋率分別為0.67%和0.37%.軸壓比分別取0.1，0.2，0.3和0.4，對應(yīng)模型分別為Model-0.1，Model-0.2，Model-0.3，Model-0.4.

不同模型在低周反復(fù)加載下水平力-頂點位移的滯回曲線如圖9所示.從圖中可知，軸壓比越大，構(gòu)件承載力越高.軸壓比較小的構(gòu)件，在整個加載過程中，混凝土與鋼板共同工作，構(gòu)件承載力尚未出現(xiàn)退化現(xiàn)象，如Model-0.1和Model-0.2（為了統(tǒng)一評估構(gòu)件的抗震性能，對所有分析模型采用相同的加載制度，所以對 Model-0.1和 Model-0.2并未加載到最終破壞階段）；而軸壓比較大的構(gòu)件（如Model-0.4）在加載后期由于混凝土逐漸壓碎破壞，導(dǎo)致構(gòu)件承載力明顯下降，此后構(gòu)件的滯回曲線較為穩(wěn)定，承載力主要由鋼板提供.

圖9 不同軸壓比下構(gòu)件的荷載-位移滯回曲線Fig.9 Load-displacement hysteretic curves for members with different vertical loads

圖10對比了不同軸壓比時組合剪力墻中鋼筋混凝土部分和鋼板部分分別承擔的側(cè)向水平力.當軸壓比較小如0.2時，側(cè)向水平力主要由混凝土部分承擔，而鋼板的貢獻相對較少.當軸壓比較大如0.4時，隨著混凝土的損傷發(fā)展和部分退出工作，鋼板分配的剪力逐漸增大.整個構(gòu)件的后期承載力，主要由鋼板承擔.由此可見，和普通鋼筋混凝土剪力墻類似，軸壓比也是影響組合剪力墻抗震性能的一個重要參數(shù).從圖10b可以看出，在加載后期，由于組合剪力墻中鋼板的貢獻，使構(gòu)件保持較高的承載力，能改善超高層結(jié)構(gòu)底部剪力墻的抗震性能，這一點與試驗中結(jié)論一致［12，17］.

圖10 不同軸壓比時鋼筋混凝土剪力墻與鋼板承擔側(cè)向力對比Fig.10 Comparison of lateral force for RC walls and steel plates

3.3 配鋼率的影響

分析模型中內(nèi)置鋼板厚度分別取0，3，7和10 mm.當厚度為10mm時，其配鋼率（6.6%）和目前實際工程相比稍微偏大一些.軸壓比取0.3，豎向和水平向配筋率分別為0.67%和0.37%.其中內(nèi)置鋼板厚度為0mm表示為普通鋼筋混凝土剪力墻.

不同構(gòu)件在低周反復(fù)加載下水平力-頂點位移的滯回曲線如圖11所示.由圖11可知，和普通鋼筋混凝土剪力墻相比，內(nèi)置鋼板組合剪力墻可以非常明顯地改善構(gòu)件的承載力、延性和滯回耗能.鋼板厚度越大，構(gòu)件承載力和滯回耗能則越大.

圖12對比了內(nèi)置不同厚度鋼板時組合剪力墻中鋼筋混凝土部分和鋼板部分分別承擔的側(cè)向水平力.當含鋼率較低時，整個加載過程中，混凝土承擔主要的水平力.隨著鋼板厚度的增加，其承擔的水平力增大.尤其在后期加載階段，隨著外圍混凝土的壓碎破壞，鋼板承擔了更多的水平力.

圖11 不同配鋼率下構(gòu)件的荷載-位移滯回曲線Fig.11 Load-displacement hysteretic curves for members with different thicknesses of steel plates

圖12 內(nèi)置不同厚度鋼板時鋼筋混凝土剪力墻與鋼板承擔側(cè)向力對比Fig.12 Comparison of lateral force for RC walls and steel plates

4 結(jié)論

從智利地震和新西蘭地震中剪力墻的震害現(xiàn)象出發(fā)，闡述了提高鋼筋混凝土剪力墻抗震性能的思想與方法.針對目前在實際超高層工程中應(yīng)用的內(nèi)置鋼板組合剪力墻進行了數(shù)值模擬分析.主要結(jié)論如下：

（1）軸壓比過大和缺少邊緣構(gòu)造措施，導(dǎo)致構(gòu)件易發(fā)生混凝土壓潰和鋼筋屈曲破壞，是智利地震和新西蘭地震中剪力墻破壞的主要原因.底部剪力墻的嚴重破壞，使震后修復(fù)工作比較困難.

（2）提高墻體的受壓能力和抗剪承載力，都可以有效地改善鋼筋混凝土剪力墻的抗震性能.就當前實際工程而言，在墻體內(nèi)部配置型鋼和鋼板是最為常用的方式.對于鋼板組合剪力墻而言，內(nèi)置的鋼板可以有效地改善墻體的軸壓能力，提高墻體的承載力、延性和耗能能力.

（3）軸壓比是影響組合剪力墻抗震性能的一個重要參數(shù).軸壓力較大的構(gòu)件，在加載后期隨著混凝土的損傷發(fā)展和部分退出工作，鋼板分配的剪力逐漸增大，整個構(gòu)件的后期承載力主要由鋼板承擔.由于組合剪力墻中鋼板的貢獻，使構(gòu)件保持較高的承載力，能明顯改善超高層結(jié)構(gòu)底部剪力墻的抗震性能.

（4）和普通鋼筋混凝土剪力墻相比，內(nèi)置鋼板組合剪力墻可以非常有效地提高構(gòu)件的承載力、延性和滯回耗能.配鋼率越大，構(gòu)件承載力和滯回耗能則越大.隨著鋼板厚度的增加，其承擔的水平剪力也越大.尤其在后期加載階段，隨著外圍混凝土的破壞，鋼板承擔了更多的水平剪力.

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