在高层及超高层建筑中,剪力墙作为其核心抗侧力构件得到广泛应用
[1-2].在实际工程中,为了避免高层及超高层建筑中剪力墙的厚度和轴压比过大,一般使用强度和耐久性较好的高强混凝土.但高强混凝土的延性较差,影响了其在高烈度区域的应用,因此可通过在剪力墙两端设置暗柱
[3]、钢板
[4]等约束边缘构件来实现对剪力墙的有效约束,同时在构件中应用高强箍筋,共同提高剪力墙的抗震性能.然而目前在实际工程中,应用不同约束边缘构件高强箍筋高强混凝土剪力墙的情况较少,因此分析和研究不同约束边缘构件高强箍筋高强混凝土剪力墙的抗震性能具有重要的实际意义.
王春刚等
[5]对四片双钢板混凝土组合剪力墙进行研究,结果表明内隔板或缀板与端板组成的约束边缘构件能有效约束墙体,但受到钢材强度和端板稳定性的影响.赵花静等
[6]将高强矩形螺旋钢筋(HRSR)作为约束边缘构件应用于高强混凝土剪力墙中,研究发现墙体的变形能力和承载能力得到了显著提高.Yu等
[7]对型钢混凝土(SRC)剪力墙进行试验和分析,发现型钢作为边缘构件性能较好.白亮等
[8]试验发现设置钢管的约束边缘构件可提高高强混凝土剪力墙的变形和耗能能力.Zhang等
[9]通过试验表明采用高强混凝土和钢筋设计剪力墙可以显著提高其承载力和抗震性能.Chen等
[10]研究发现再生混凝土填充的方形和L形钢管混凝土作为边界柱的框架-屈曲钢板剪力墙(SPSW)其承载力和屈服刚度良好.Shi等
[11]对钢管混凝土(CFST)柱-钢纤维增强高强混凝土(SFRHC)剪力墙的抗震性能进行研究,发现CFST柱能显著提升SFRHC剪力墙抗震性能.梁兴文和李静等
[12-13]通过拟静力试验对高强混凝土剪力墙的抗震性能进行研究,发现当配筋及剪跨比相同时,只要采取合理有效的抗震措施,按照强剪弱弯的设计原则,就可使剪力墙具有比普通混凝土剪力墙更良好的抗震性能.
本文在课题组已有研究基础上
[14-15],通过拟静力试验对三种不同约束边缘构件高强混凝土剪力墙的破坏特征、承载能力、延性、刚度退化和耗能性能进行对比研究,分析设置暗柱、端柱和配置型钢三种约束边缘构件对高强混凝土剪力墙的约束效果,以及对承载能力和耗能性能的提高作用,为实际工程中不同约束边缘构件高强混凝土剪力墙的设计和应用提供参考.
1 试验概况
1.1 试件设计
试验按照规范
[16-17]共设计了9个缩尺模型试件(1/2),分别为3个边缘端柱约束高强混凝土剪力墙试件(编号DHSCW-01~DHSCW-03),3个边缘型钢约束高强混凝土剪力墙试件(编号SHSCW-01~SHSCW-03)和3个边缘暗柱约束高强混凝土剪力墙试件(编号RHSCW-01~RHSCW-03).试件制作采用C80混凝土,设计配合比如
表1所示,各试件基本参数如
表2所示,试件截面尺寸及配筋分布如
图1所示,所用钢筋及型钢的型号和力学性能如
表3所示.
1.2 加载试验
试验采用低周反复水平加载进行,加载装置如
图2所示,由反力墙、反力架、压梁等对试件进行固定.通过液压千斤顶倒装固定在设置了刚性垫梁的滑动支座上,以提供均匀、稳定的竖向荷载,并保持在试验过程中与试件的变形同步同向.借助往复作动器和水平连接装置对试件施加水平反复荷载.试验施加的竖向荷载如
表4所示.
1.3 加载制度
加载制度如
图3所示.首先由千斤顶中点加载竖向荷载,当竖向荷载达到设计值并保持恒定后,采用力与位移双控制法
[18]进行水平荷载加载.试件屈服前,采用力控制加载,设定水平荷载以50 kN为增量加载;试件屈服后,以屈服位移的整数倍进行位移控制加载,每级加载循环3次;当试件承载力下降到峰值荷载的85%或发生破坏时,停止加载.
2 试验过程及现象
2.1 DHSCW试件破坏特征
水平控制加载到400 kN左右时,三个试件均在两侧端柱底部附近产生水平裂缝;荷载加载至600 kN时,DHSCW-02墙体和端柱裂缝发展,外侧少量混凝土受压脱落,试件屈服;加载至700 kN时,DHSCW-01屈服.此后进行位移加载,在整数倍Δy循环下,DHSCW-01端柱下部区域混凝土压溃,DHSCW-02端柱、墙板底部水平裂缝加宽;随后DHSCW-01混凝土压溃区域发生脱落,墙体和端柱斜裂缝发展,DHSCW-02底梁附近形成主斜裂缝;继续加载,DHSCW-01墙体水平裂缝区域开始出现混凝土脱落,DHSCW-02两侧端柱附近混凝土发生大范围脱落,直至6Δy循环时,试件两侧端柱出现箍筋外露,纵筋基本压曲.
DHSCW-01试件最终破坏形态为弯曲破坏,斜裂缝主要分布在墙体底部约600 mm处[
图4(a)].DHSCW-02和DHSCW-03的破坏过程相似,最终破坏形态为弯曲屈服后的剪切破坏,在墙体底部约450 mm处[
图4(b)]和约300 mm处[
图4(c)]分布较多弯剪斜裂缝.由
图4可知,DHSCW试件的破坏特征主要为端柱和墙体底部塑性铰区混凝土的压酥脱落和部分钢筋的压曲外露.
2.2 SHSCW试件破坏特征
当水平加载至250 kN、350 kN和450 kN时,三个试件均在墙底受拉端处产生水平裂缝;随着分别加载至350 kN、500 kN和550 kN时,三个试件出现斜裂缝;继续加载至450 kN,SHSCW-01型钢屈服,底部约束区混凝土出现竖向裂缝;加载至680 kN,SHSCW-02型钢屈服;加载至700 kN,SHSCW-03型钢屈服,且附近混凝土发生竖向劈裂.试件屈服后进行位移加载,在1Δy作用下,SHSCW-01墙根部型钢位置处出现竖向劈裂裂缝;SHSCW-02弯剪斜裂缝开展,底部约束区混凝土轻微脱落;SHSCW-03斜裂缝发展并相互交叉.在2Δy位移循环下,SHSCW-01底部约束区混凝土保护层脱落;SHSCW-02型钢周围混凝土保护层脱落;SHSCW-03主斜裂缝宽度加大,受压区混凝土脱落.一直加载至6Δy,SHSCW-01墙板中部的斜裂缝迅速发展并形成临界斜裂缝;SHSCW-02墙根混凝土压酥脱落,并产生沿对角线方向贯通的主斜裂缝;SHSCW-03主斜裂缝不断发展,且周围的混凝土压酥脱落.
SHSCW-01试件和SHSCW-03试件最终破坏形态为弯曲屈服后的剪切破坏[
图5(a)和
图5(c)].SHSCW-02试件最终破坏形态为剪切滑移破坏[
图5(b)].由
图5可知,SHSCW试件的破坏特征主要为型钢屈服后主斜裂缝的不断发展和附近混凝土的压酥脱落.
2.3 RHSCW试件破坏特征
当水平加载至160 kN、260 kN、400 kN时,RHSCW-01左侧墙脚处出现第一条细水平裂缝,RHSCW-02和RHSCW-03在墙体反面受拉区根部产生细水平裂缝.随着继续加载,距离墙脚较高的位置出现了弯剪斜裂缝.分别加载至360 kN、480 kN和500kN时,RHSCW-01墙体下部塑性铰区分布较多的水平弯曲裂缝.试件屈服;RHSCW-02弯剪斜裂缝向下扩展,压区混凝土压酥,两端纵筋屈服;RHSCW-03试件出现45°斜裂缝,试件屈服.随后进行位移加载.在位移加载循环下,RHSCW-01墙体中下部出现沿对角线发展的主剪切斜裂缝;RHSCW-02墙板中部出现较多新的剪切斜裂缝,混凝土保护层开始脱落,继续加载,墙身底部受压区范围内大面积混凝土压酥、脱落;RHSCW-03墙体斜裂缝发展,其中两条45°交叉斜裂缝发展形成主斜裂缝并贯穿整个墙板,附近混凝土压酥脱落.
试件RHSCW-01和RHSCW-02最终破坏形态为弯曲破坏[
图6(a)和
图6(b)].RHSCW-03最终破坏形态为剪-压型破坏[
图6(c)].由
图6可知,RHSCW试件的破坏特征主要为屈服后交叉斜裂缝下混凝土的压酥脱落.
对比三种不同约束边缘构件高强箍筋高强混凝土剪力墙试件的破坏特征发现:DHSCW-01~DHSCW03,SHSCW-01、SHSCW03和RHSCW-01、RHSCW02,由于其均符合强剪弱弯的设计原则,延性较好,约束边缘构件封闭箍筋的约束效果均得到了充分发挥,最终发生弯曲破坏或弯曲屈服后的剪切破坏;而SHSCW-02和RHSCW-03未能符合强剪弱弯的设计原则,延性较差,导致最终发生脆性明显的剪切滑移破坏和剪-压型破坏.
同种试件不同剪跨比下,剪力墙的破坏程度随着剪跨比减小逐渐严重;不同试件相同剪跨比下,剪力墙的破坏程度为DHSCW较轻,SHSCW次之,RHSCW较重.
3 试验结果及分析
3.1 承载能力及延性
DHSCW试件、SHSCW试件和RHSCW试件的骨架曲线如
图7所示.
不同剪跨比下三种试件开裂点、屈服点、峰值点和极限点对应的荷载、位移和位移延性比如
表5所示.
1)随着剪跨比减小,DHSCW试件、SHSCW试件和RHSCW试件三者骨架曲线趋势相似,但下降段变陡,同时各特征点的荷载值增大,位移减小.
2)当剪跨比同为2.1时,三种试件的开裂荷载比为2.14∶1.57∶1,屈服荷载比为1.83∶1.08∶1,峰值荷载比为1.40∶1.06∶1,位移延性比为1.31∶1.04∶1;当剪跨比同为1.5时,三种试件的开裂荷载比为1.51∶1.36∶1,屈服荷载比为1.47∶1.04∶1,峰值荷载比为1.43∶1.06∶1,位移延性比为1.76∶1.52∶1;当剪跨比同为1.0时,三种试件的开裂荷载比为1.53∶1.12∶1,屈服荷载比为2.04∶1.15∶1,峰值荷载比为1.61∶1.13∶1,位移延性比为1.68∶1.43∶1.
3)相同剪跨比下,三种试件各特征点的荷载为DHSCW试件较大,SHSCW试件次之,RHSCW试件较小.这表明与边缘暗柱约束高强混凝土剪力墙相比,采用端柱和型钢作为约束边缘构件的试件具有更好的承载力和延性.同时,设置端柱比配置型钢的约束效果以及对剪力墙承载能力的提高作用更为显著.
3.2 刚度退化
根据不同剪跨比下DHSCW试件、SHSCW试件、RHSCW试件三者各特征点下的荷载与位移,绘制试件的刚度退化曲线,如
图8所示.
1) 刚度退化曲线大致分为三段,初始点到开裂点倾斜较大,为速降阶段;开裂点到屈服点稍缓,为次降阶段;屈服点后倾斜平缓,为慢降阶段.
2) 各试件的初始刚度随着剪跨比的减小而显著增大.特征点处,DHSCW试件刚度较大,SHSCW试件刚度次之,RHSCW试件刚度较小.
3) 屈服点后,DHSCW试件刚度退化速率较慢,SHSCW试件刚度退化速率次之,RHSCW试件刚度退化速率较快.原因是端柱和型钢两种边缘约束构件有效地约束了墙板,使得刚度退化变慢,且端柱的约束效果更好.
3.3 耗能性能
累积滞回耗能
E是指结构在一次循环中消耗的能量.等效粘滞阻尼系数
he是用于衡量结构或材料在振动过程中能量耗散特性的系数,可表示试件的耗能性能,其计算示意图如
图9所示,其中:
为一个加载循环得到的滞回环所包围的面积;
为一个加载循环得到的滞回环峰值点连线与水平轴所包围的面积.
分别计算不同剪跨比下DHSCW试件、SHSCW试件和RHSCW试件在各特征点的位移角
θ、累积滞回耗能
E和等效粘滞阻尼系数
he,计算结果见
表6.
1)随着加载级别的提高,三种试件的耗能值和等效粘滞阻尼系数都不断增大,表明试件的耗能效果在不断增强.
2)不同剪跨比下,三种试件耗能值均随位移角增大而增大,同时等效粘滞阻尼系数基本上随试件位移角增大而增大.
3)同一剪跨比下,三种试件在各特征点的平均耗能比为:开裂点2.53∶2.02∶1,屈服点3.93∶2.96∶1,峰值点3.96∶2.99∶1,极限点4.23∶3.15∶1,表明DHSCW试件的耗能效果较好,SHSCW试件次之,RHSCW试件一般.
4)层间位移角能够作为混凝土结构的性能控制指标,三种试件的平均极限位移角分别为1/33、1/48、1/59,远大于规范
[17]中[
θp]=1/120的位移角限值,表明三种不同边缘约束的试件均具有良好的抗震性能,且三者中DHSCW试件抗震性能较好,SHSCW试件次之,RHSCW试件一般.
3.4 与普通混凝土剪力墙抗震性能比较
李宏男等
[19]研究了普通钢筋混凝土剪力墙的抗震性能,其设计的剪力墙试件的剪跨比、轴压比与DHSCW、SHSCW、RHSCW三种剪力墙相近,因此可以进行比较,对比结果如
表7所示.
由
表7可知,当剪跨比、轴压比相似时,三种试件中抗震性能一般的RHSCW试件与普通混凝土剪力墙的抗震性能相比,二者的极限位移角相近,但RHSCW试件的极限荷载远大于普通混凝土剪力墙,其抗震性能优于普通混凝土剪力墙的抗震性能,即三种不同约束边缘构件高强混凝土剪力墙的抗震性能均优于普通混凝土剪力墙.
3.5 剪力墙试件承载力计算
根据规范
[16]计算RHSCW三个试件的正截面受弯承载力与斜截面受剪承载力,并与试验结果进行比较,验证剪力墙的承载能力,如
表8所示.
由
表8可知,RHSCW试件承载力计算结果与试验结果较为吻合,表明该试件设计合理可靠.
4 结 论
通过对三种不同约束边缘构件高强混凝土剪力墙(DHSCW试件、SHSCW试件、RHSCW试件)抗震性能的对比研究,结论如下:
1)DHSCW试件在剪跨比2.1时最终破坏形态为弯曲破坏,在1.5和1.0时发生剪切破坏;SHSCW试件在剪跨比2.1、1.5和1.0时最终破坏形态均为剪切破坏;RHSCW试件在剪跨比2.1和1.5时最终破坏形态为弯曲破坏,在1.0时发生剪-压型破坏.同种试件不同剪跨比下,剪力墙的破坏程度随着剪跨比减小逐渐严重;不同试件相同剪跨比下,剪力墙的破坏程度为DHSCW较轻,SHSCW次之,RHSCW较重.
2)剪跨比不同时,DHSCW试件、SHSCW试件和RHSCW试件的开裂荷载、屈服荷载和峰值荷载比分别是1.83∶1.35∶1、1.75∶1.10∶1和1.50∶1.10∶1,表明DHSCW试件具有较高的承载能力.
3)剪跨比相同时,DHSCW试件刚度退化速率较慢,SHSCW试件刚度退化速率次之,RHSCW试件刚度退化速率较快,三者的平均位移延性系数比值为1.55∶1.28∶1,总耗能值的比值为4.19∶3.12∶1.说明采用端柱和型钢作为约束边缘构件可以对剪力墙墙板提供较好的约束,同时设置端柱比配置型钢对剪力墙抗震性能的提高作用更为显著.
国家自然科学基金资助项目(51978562)
国家自然科学基金资助项目(51278402)
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