改善钢筋混凝土低矮剪力墙抗震性能的研究_王新杰

23卷1期

2007年3月世 界 地 震 工 程W ORLD EARTHQUAKE ENG I N EER I NG V o.l 23,N o .1M ar .,2007收稿日期:2006-10-16; 修订日期:2006-12-19

基金项目:国家自然科学基金(50678010);北京市属市管高校拔尖创新人才基金(05004311200501)

作者简介:王新杰(1977-),男,硕士研究生,主要从事混凝土结构抗震研究.

文章编号:1007-6069(2007)01-0061-06

改善钢筋混凝土低矮剪力墙抗震性能的研究

王新杰 曹万林张建伟宋义平范燕飞王志惠

(北京工业大学建筑工程学院,北京100022)

摘要:普通钢筋混凝土低矮剪力墙抗震性能较差,其抗震性能的改善一直受到工程界的关注。总结了

一些改善低矮剪力墙抗震性能的国内外研究成果,包括:开缝低矮剪力墙、带暗支撑低矮剪力墙、设耗

能装置的低矮剪力墙和低矮组合剪力墙等。在此基础上,提出了一种新型耗能剪力墙,并进行了初步

的试验研究。

关键词:钢筋混凝土;低矮剪力墙;耗能装置;抗震性能

中图分类号:TU 375 文献标识码:A

R esearch on i m prove m ent of seis m ic perfor m ance

of lo w -rise RC shear wall

WANG X i n -jie CAO W an -li n Z HANG Jian -w e i SONG Y -i p i n g FAN Yan -fe i WANG Zh-i hui

(The Coll ege ofA rch itect u re and C i vil Engi n eeri ng ,B eiji ng Un ivers it y of Technol ogy ,Beiji ng 100022,C h i na)

Abst ract :Nor m al l o w-rise RC shear w all has poor seis m ic perfor m ance ,and i m prov i n g its se is m ic perfo r m ance is al w ays attracted the attention of eng i n eers and researchers .I n th is paper ,so m e research resultsw hich i m prove seis -m ic perfor m ance o f the lo w -rise RC shear w all have been genera lized ,i n cluding slitted lo w-rise shear w al,l l o w-r i s e shear w allw ith concealed braci n gs ,lo w -rise shear w a ll equ i p ped w it h energy d issipati o n dev ice and co m posite lo w-rise shear w al.l B ased on i,t a ne w type of energy d issipa ti o n shear w all has been proposed ,preli m inary experi m en -tal study of wh ich has been conducted .

K ey w ords :re i n forced concrete ;lo w-rise shear w al;l energy d issi p a ti o n device ;se is m ic perfor m ance

1 引言

近年来,我国城市建设迅速发展。人们对建筑功能提出了更多要求,底层大空间结构迅速发展。为避免大空间楼层形成薄弱层,大空间楼层竖向构件提供必需的抗侧刚度是此类结构必须解决的关键技术问题。钢筋混凝土剪力墙又以其抗侧刚度大、承载力高、施工便利等特点成为此类结构弥补抗侧刚度不足首选的抗侧力结构部件。但由于墙体高度的限制,高宽比小于1的低矮剪力墙仍常出现。研究表明,低矮剪力墙的破坏形态为脆性剪切破坏,其延性和耗能能力较差,强震作用下其破坏具有突然性。一旦破坏就可能是猝不及防的严重破坏,甚至是建筑的整体倒塌。按照我国/小震不坏,中震可修、大震不倒0的抗震设防原则[1],当低矮剪力墙作为此类结构主要抗侧力构件时,采取提高其抗震性能的措施是十分必要的。本文介绍了国内外在提高低矮剪力墙抗震性能研究方面的部分成果,并介绍了本文提出的一种新型抗震耗能剪力墙及其初步的试验研究结果。

2 开缝剪力墙及改进的开缝剪力墙

2.1 带竖缝剪力墙

日本学者武藤清在1965年提出了带竖缝剪力墙的概念[2],即在整体墙上设置若干条平行的竖向通缝,缝中的钢筋被截断并且不填充混凝土和其他材料。这种开通缝剪力墙改变了整体剪力墙的受力性能和机理,使剪力墙由原来的墙板受剪切为主转变成各墙肢以受弯为主,其破坏特征也转变为延性较好的弯曲破坏,从而大大地提高了剪力墙的延性。武藤清教授及其后继者对这种开缝剪力墙做了大量的试验研究,对混凝土强度、开缝的长度及缝间距、配筋率等主要因素进行了深入详细的分析,给出了开缝剪力墙受力性能得以发挥的必要条件,既要求墙板的抗弯承载力不能超过其抗剪承载力,以保证破坏形式为具有良好延性的墙肢弯曲破坏。这种形式的剪力墙已在日本霞关大厦、东京世界贸易中心、新宿的三井大厦等工程中得到了应用,获得了较好的工程效果。但是结构的抗震性能的优劣不能仅以延性作为唯一标准,该种型式的剪力墙是以牺牲结构的承载力和初始刚度来获得延性的。虽然它较大地提高了延性,但其承载力和初始刚度也明显减小,有时其承载力减少到原来的65%,刚度减少到原来的60%。

2.2缝槽剪力墙

为克服武藤清提出的通缝剪力墙承载力和初始刚度较低的缺点,东南大学夏晓东提出了一种改进的缝

槽剪力墙[3,4],就是在剪力墙上设置若干条竖向半通缝,中间的钢筋不截断,外留混凝土,只是缝槽处的厚度

为墙体厚度的一半。夏晓东对这种墙共进行了11个试件的试验研究,并且与整体墙和通缝墙作了对比。试验结果表明:这种缝槽剪力墙兼有整体墙和通缝墙的优点,当外载不大时,它以整体墙的形式工作,初始刚度与整体墙接近;而当外荷载较大时,缝槽混凝土首先开裂并错动,使墙体转变成由若干墙板柱组成的结构,这时才开始明显降低墙体的刚度,但延性与带竖缝墙接近。由于缝槽处混凝土开裂后相互错动以及钢筋的咬合作用,可消耗一定的能量。据试验数据分析,这种缝槽墙的最大的承载力约为整体墙的90%以上,而当顶点位移达到最大承载力对应侧移的二倍时,仍然能够承担85%的最大荷载。由于这种剪力墙缝中有一定厚度的混凝土填充,试件在一定范围内显示出整体性,墙肢的剪切斜裂缝较多,在后期承载阶段缝槽并没有显著退出工作。

2.3 带水平短缝剪力墙

东南大学戴航提出了带水平短缝的新型延性低矮剪力墙(见图1)[5,6]

。这种延性墙方案和普通整截面墙的配筋无任何区别,仅在墙板沿对角方向开设许多阶梯状水平半通缝。特点:其弹性阶段的抗侧刚度比开竖缝剪力墙的刚度损失较小;弹塑性阶段,预设水平缝槽将起到引导裂缝走向的作用,避免低矮剪力墙剪切斜裂缝迅速扩展现象的发生,使剪力墙能经受较大变形;高应力状态下,塑性区域裂缝分散于整个墙板上的缝槽周围,充分发挥了墙板的塑性耗能能力;墙板开裂后阶段形成梯状裂缝,阶梯状裂缝处混凝土及钢筋的剪摩擦作用将消耗大量地震能量,有利于结构自身抗震。合理地布置水平缝的剪力墙承载力为整体剪力墙的90%左右,而其延性提高2

倍多。图1 带水平短

缝剪力墙图2带竖向缝槽钢纤维高强混凝土低矮剪力墙

62 世 界 地 震 工 程 23卷

2.4 带竖向缝槽钢纤维高强混凝土低矮剪力墙

唐兴荣提出了带竖向缝槽钢纤维高强混凝土低矮剪力墙(见图2)[7]。在钢纤维高强混凝土墙板中设置

竖向缝槽,缝槽内留有部分混凝土且允许横向钢筋穿越。并进行了一榀整截面和三榀带竖向缝槽钢纤维高强混凝土低矮剪力墙低周反复荷载试验。试验表明,这种带竖向缝槽钢纤维高强混凝土低矮剪力墙抗震性能优于整截面墙,采用钢纤维高强混凝土,有利于保证承载力和延性条件下减少截面尺寸。并建议设计该类构件时,横梁必须具有足够的刚度和抗剪强度,墙板内竖向钢筋应尽量靠近缝槽两侧或在缝槽两侧局部加强。贯通竖向缝槽的横向墙板钢筋,宜采用较密的布置方式。并对缝槽的构造给出了设计建议,给出了带竖向缝槽高强混凝土低矮剪力墙的受剪承载力公式。

2.5 双功能剪力墙

清华大学叶列平教授提出了在通缝墙的开缝部位设置连接键而形成的双功能剪力墙(见图3)[8~11]。通过设置连接键,使剪力墙在正常使用荷载下表现出整体强的工作性能,具有较大刚度和承载力(功能一)。在强震作用下,连接键因受剪破坏退出工作,双功能墙自动转变为通缝墙,抗侧刚度可显著减小,从而使地震作用减小,并可获得与通缝墙基本一致的变形能力(功能二)。此外,连接键也可以作为耗能元件,其破坏可以吸收一部分地震能量,

减轻主体结构的震害。

图3

双功能剪力墙图4设边框带钢管柱低矮剪力墙

2.6 设边框带钢管柱剪力墙

哈尔滨工业大学李惠针对低矮剪力墙的不足,提出了一种钢管混凝土耗能低矮剪力墙(见图4)[12],即

把普通钢筋混凝土低矮剪力墙沿横向断开,中间以钢管混凝土柱联系,利用钢管混凝土柱的塑性变形消耗地震能量,从而减小结构的地震反应。其研究表明:钢管混凝土耗能低矮剪力墙与普通整截面低矮剪力墙相比,抗震性能明显提高,其弹性刚度和极限承载力较普通剪力墙降低不多,且变形和耗能能力大大提高;通过合理设计,可以控制该耗能低矮剪力墙的破坏主要发生在钢管混凝土柱上,而其它部分基本保持完好,便于震后修复;该耗能低矮剪力墙用于底层框剪砌体结构抗震时,能充分利用钢管混凝土柱的良好滞回性能,消耗地震能量,保护上部砌体结构不发生破坏或破坏较轻,同时底层也不发生过大的位移。

3 型钢混凝土组合低矮剪力墙(SRC 剪力墙)

3.1 内藏钢板支撑剪力墙

在北京京城大厦(日本清水建筑株式会社设计)等钢结构建筑中,采用了内藏钢板支撑剪力墙[13]。该种

剪力墙是由内部的型钢支撑与外包的钢筋混凝土墙板组合而成。通常,计算时仅考虑钢板支撑的作用,外包的钢筋混凝土只起到保护钢板不失稳的作用。哈尔滨工业大学计学闰教授等对这种剪力墙进行了深入的试

验和分析,并提出了设计建议[14]。

3.2 型钢钢筋混凝土低矮剪力墙

东南大学刘航、兰宗建等,在钢筋混凝土低矮剪力墙内设置型钢骨架来改善钢筋混凝土低矮剪力墙的抗震性能,成为劲性钢筋混凝土低矮剪力墙(见图5)[15]。试验研究结果表明,由于型钢骨架的作用,劲性钢筋63

1期王新杰等:改善钢筋混凝土低矮剪力墙抗震性能的研究*

混凝土低矮剪力墙的承载力和变形能力均明显高于同条件下的普通钢筋混凝土低矮剪力墙;同时,其刚度衰减较为缓慢,滞回环较为饱满,抗震耗能能力提高显著,且破坏形态也由脆性破坏转化为延性破坏,实现了构

件的强剪弱弯。

图5

型钢钢筋混凝土低矮剪力图6 内藏钢桁架组合低矮剪力墙

3.3 内藏钢桁架组合低矮剪力墙

笔者对型钢(工字钢、槽钢或钢板等)混凝上组合剪力墙(亦称SRC 剪力墙)进行了研究,结果表明SRC 剪力墙具有良好的变形能力和延性。在此基础上,首次提出了内藏钢桁架混凝上组合剪力墙(见图6),该新型组合剪力墙的特点在于两种不同组合的联合应用:一是不同受力体系桁架与剪力墙的组合;一是不同材料型钢与混凝上的组合,形成了双重组合剪力墙。并对内藏钢桁架混凝上组合低矮剪力墙进行了试验研究[16]。共进行了3个1/3缩尺的低矮剪力墙的抗震性能试验研究,包括1个普通低矮剪力墙,1个内藏钢框架组合低矮剪力墙和1个内藏钢桁架组合低矮剪力墙。在试验研究基础上,比较分析了各剪力墙的刚度及其哀减过程、承载力、延性、滞回特性、钢筋应变、耗能能力及破坏特征,试验表明内藏钢桁架组合低矮剪力墙比普通低矮剪力墙的抗震性能显著提高。

4 带暗支撑剪力墙及暗支撑与其它技术的联合应用

4.1 带暗支撑低矮剪力墙

笔者还提出了钢筋混凝土带暗支撑剪力墙(见图7)。这种新型剪力墙的提出,主要考虑到剪力墙中水平及竖向配筋率达到一定程度后对提高其延性和承载力的作用己很弱,为此提出的新配筋方案,即在普通剪力墙配筋基础上,加配斜支撑纵筋和箍筋,使其与混凝土形成作用持久的斜向钢筋混凝土核芯束,这就是暗支撑。暗支撑可选用人字形、X 形、八字形等。与钢结构中内藏钢板剪力墙的设计方法相比,钢筋混凝土带暗支撑与墙体为同一种材料,共同工作性能好,易于施工[17~26]

。本课题组已完成的大量抗震试验研究表明,这种暗支撑在剪力墙中有销栓作用,它限制了斜裂缝的开展,剪力墙板上出现的裂缝细而多且分布域广,从而提高了剪力墙的延性和耗能能力,同时暗支撑的存在也提高了剪力墙的承载力,使剪力墙具有良好的抗震性能。

文献[14]的试验研究表明,在弹塑性阶段,内藏钢板与外包钢筋混凝土有剥离现象,但显然若为钢筋混凝土暗支撑就不会有这种现象出现,因为钢筋混凝土带暗支撑剪力墙中的暗支撑与剪力墙是同一种材料,是一次浇捣混凝土而成的。文献[14]试验又表明,在弹塑性阶段,内藏钢板会发生平面外屈曲,而外包钢筋混凝土剪力墙则有效地限制了这种变形的发展。笔者进行的钢筋混凝土框架中加设人字形支撑结构的抗震性能试验研究,结果也表明,在弹塑性变形后期,由于钢筋混凝土受压支撑没有墙体约束,突然发生平面外屈曲破坏,这一点与钢板支撑破坏有类似之处,但同时进行的钢筋混凝土有边框带暗支撑剪力墙抗震性能试验则表明,暗支撑与剪力墙共同工作性能良好。

4.2 带暗支撑双功能低矮剪力墙

笔者提出了低矮剪力墙中少设竖缝、而在竖缝分割的各剪力墙板中加暗支撑的有边框带暗支撑双功能64 世 界 地 震 工 程 23卷

图7 带暗支撑低矮剪力墙

图8 带暗支撑双功能低矮剪力墙

低矮剪力墙(见图8),以提高墙板的承载力和延性,并将这些措施与双功能剪力墙的设计方法相结合[27~29],从而达到提高低矮剪力墙抗震性能的目的。共进行了4个模型的对比试验。试验结果表明:有边框带暗支撑双功能低矮剪力墙的承载力、后期刚度、延性、耗能能力比相应的普通低矮剪力墙都有显著提高。5 内藏竖向软钢耗能带低矮剪力墙

抗震控制是抗震设计的重要方法之一,它是指对结构采取控制措施以减轻在地震中结构产生的反应。抗震控制可分为两大类,主动控制与被动控制。被动控制相对较为容易实现,目前应用越来越多。被动控制

一般是采用在结构上或结构内加置控制装置来对结构施加控制的[30],笔者基于被动控制的思想提出了内藏

竖向软钢耗能带低矮剪力墙并已申报国家专利。其做法是:通过开竖缝把整体墙分开,使低矮墙体破坏状态由剪切破坏转变为弯剪破坏或弯曲破坏,以提高墙体的变形能力和耗能能力;沿墙高在竖缝内设X 形软钢和剪切铅块耗能装置。在地震作用下,通过竖缝两边墙肢的错动实现耗能,从而消耗地震输入结构的能量。笔者已经完成五个1/3缩尺低矮剪力墙抗震性能试验,包括一个普通低矮整体剪力墙、一个普通开竖缝低矮剪力墙(图9)、两个具有不同设计参数的内藏竖向X 形软钢带低矮剪力墙(图10)和一个内藏竖向X 形软钢-铅耗能带低矮剪力墙(图11)。图12为普通开缝低矮剪力墙的实测滞回曲线,图13为内藏竖向X 形软钢带低矮剪力墙的实测滞回曲线,图14为内藏竖向X 形软钢-铅耗能带低矮剪力墙的实测滞回曲线。试验结果表明,内藏竖向耗能带剪力墙的抗震性能明显优于普通整体剪力墙和普通开竖缝剪力墙的抗震性能,特别是内藏竖向软钢-铅耗能带低矮剪力墙的抗震性能改善尤为突出。内藏竖向X 形软钢带低矮剪力墙与普通整体剪力墙相比,虽承载力有所降低,但其延性和耗能能力显著提高;内藏竖向X 形软钢带剪力墙与普通开竖缝剪力墙相比,其承载力和耗能能力都显著提高;内藏竖向X 形软钢-铅耗能带低矮剪力墙与普通整体剪力墙相比,承载力略有降低,但其延性和耗能能力均显著提高;内藏竖向X 形软钢-铅耗能带低矮剪力墙与普通开竖缝剪力墙相比,

其承载力和耗能能力均显著提高。

图9普通开竖缝低矮剪力墙

图10

内藏竖向软钢带低矮剪力墙图11 内藏竖向X 形软钢-铅耗能带低矮剪力墙65

1期王新杰等:改善钢筋混凝土低矮剪力墙抗震性能的研究*

图12 普通开竖缝低矮剪力

墙滞回曲线图13 内藏竖向软钢带低矮剪力

墙滞回曲线图14 内藏竖向X 形软钢-铅耗能带低矮剪力墙滞回曲线

6 结语

本文总结了国内外一些低矮剪力墙抗震性能研究的成果,并对其进行了分析和比较。在此基础上,提出了一种内藏竖向软钢耗能带低矮剪力墙,进行了初步的试验研究。试验研究表明,内藏竖向软钢耗能带低矮剪力墙抗震性能显著提高,且施工相对简便,具有一定的工程应用价值。

参考文献:

[1]

GB50011-2001,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.[2]

武藤清(日).结构物动力设计[M ].藤家禄译.北京:中国建筑工业出版社,1984.[3]

夏晓东.钢筋混凝土有边框带缝槽低剪力墙抗震性能的试验研究和延性设计[D].南京:东南大学,1989.[4]

夏晓东,丁大均,程文穰,兰宗建.钢筋混凝土延性低剪力墙的试验研究[J \〗.结构工程学报,1991(1,2):75-81.[5]

戴航.带水平短缝低剪力墙在循环荷载下的试验研究和4层剪力墙的振动台模型试验[D ].南京:东南大学,1991.[6]

戴航,丁大均,陆勤.带水平短缝低剪力墙与普通剪力墙模型的对比振动台试验研究[J].工程力学,1992,9(2):76-85.[7]

唐兴荣.钢纤维混凝土低剪力墙抗剪强度和抗震性能的试验研究[D].1989.[8]

康胜.钢筋混凝土双功能带缝剪力墙抗震性能研究[D].1999.[9]叶列平,康胜,曾勇.双功能带缝剪力墙的弹性受力性能分析[J].清华大学学报,1999,39(12):79-81.

[10] 赵文辉,王志浩,叶列平.双功能带缝剪力墙连接键的试验研究[J].工程力学,2001,18(1):126-136.

[11] 康胜,曾勇,叶列平.双功能带缝剪力墙的刚度和承载力研究[J].工程力学,2001,18(2):27-34.

[12] 李惠,徐强,吴波.钢管混凝土耗能低剪力墙[J].哈尔滨建筑大学学报,2000,33(2):18-23.

[13] 龚炳年.国内高层钢结构建筑应用情况[J].建筑科学,1987,(4):71-74.

[14] 计学闰,等.内藏钢板支撑剪力墙受力特点及构造措施的试验研究[J].哈尔滨建筑工程学院学报,1990,23(2):129-136.

[15] 刘航,兰宗建,庞同和,等.劲性钢筋混凝土低剪力墙抗震性能试验研究[J].工业建筑,1997,27(5):33-36.

[16] 陶军平曹万林张静娜.内藏钢桁架混凝土组合低剪力墙抗震性能试验研究[J].世界地震工程,2006,22(2):131-137

[17] 曹万林,等.周期反复荷载作用下底部两层框架)带支撑抗震墙的性能[J].地震工程与工程振动,1998,18(1):183-190

[18] 曹万林,等.带暗支撑抗震墙研究[J].世界地震工程,1998,14(4):76-80.

[19] 曹万林,等.带暗支撑抗震墙层刚度及其衰减过程研究[J].世界地震工程,1999,15(1):48-53

[20] 曹万林,等.带暗支撑剪力墙抗震耗能性能试验及计算分析[J].河北工业大学学报,2000,29(1):57-61

[21] 曹万林,等.带暗支撑抗震墙结构的力学计算模型[J].地震工程与工程振动,1999,19(1):58-64

[22] 刘春燕.钢筋混凝土带暗支撑剪力墙抗震性能试验研究[D].2000

[23] 曹万林,刘春燕,张建伟,等.暗支撑倾角对带暗支撑剪力墙抗震性能的影响[J].世界地震工程,2000,16(3):66-70.

[24] 刘春燕,曹万林,张建伟,等.暗支撑配筋比对剪力墙抗震性能的影响[J].世界地震工程,2000,16(3):71-54.

[25] 曹万林,等.带X 形暗支撑设暗竖缝剪力墙抗震性能试验研究[J].世界地震工程,2001,17(2):39-42.

[26] 曹万林,等.带暗支撑剪力墙中暗支撑型式及其合理设计研究[J].地震工程与工程振动,2000,20(4):73-79.

[27] 曹万林,张建伟,等.钢筋混凝土带暗支撑开竖缝剪力墙抗震性能试验研究[J].工程力学(增刊),2001,Vo.l Ⅲ:53-57.

[28] 曹万林,等.钢筋混凝土带暗支撑双功能剪力墙的力学计算模型[J].地震工程与工程振动,2001,21(2):84-88.

[29] 曹万林,崔立长,张建伟,等.暗支撑与其它抗震措施在剪力墙中的联合应用[J].世界地震工程,2001,17(4):67-70.

[30] 张建伟.带暗支撑剪力墙体系抗震性能及设计理论研究[D].北京:北京工业大学,2004.66 世 界 地 震 工 程 23卷