短肢剪力墙结构顶层端节点的空间受力研究

王飞，余向前，傅剑平

（1重庆大学建筑设计研究院重庆400045 2重庆市设计院重庆4000153重庆大学土木工程学院重庆400045）

短肢剪力墙结构顶层端节点的空间受力研究

王飞1，余向前2，傅剑平3

（1重庆大学建筑设计研究院重庆400045 2重庆市设计院重庆4000153重庆大学土木工程学院重庆400045）

在两个短肢剪力墙无粘结预应力楼盖子空间结构模型的低周反复加载试验研究基础之上，本文通过对短肢剪力墙结构顶层端节点在试验试件的破坏失效结果分析，以及节点区钢筋的应变分析，“L”型短肢剪力墙顶层端节点在水平加载过程中从二维平面节点受力状态逐渐转变为空间节点受力状态的受力模式，空间节点受力比二维平面节点受力复杂得多，空间节点比平面节点抗震性能更有利，因此在工程设计中建筑物角部应尽可能采取“L”形墙肢的建议。

短肢剪力墙；顶层端节点；空间受力分析。

1 引言

目前国内外进行钢筋混凝土框架研究，绝大多数情况下研究仅局限于平面受力的框架节点。从已有的研究成果以及工程实践来看，对于框架结构这种简化分析是切实可行的，但是对于短肢墙无粘结预应力楼盖结构体系，由于空间较大，墙肢较薄，且墙肢翼缘内有预应力筋束通过，就显得节点构造、受力复杂。图1是文献[1]短肢剪力墙无粘结预应力楼盖结构顶层子空间模型试验试件的外观图，图2是试验试件的总体尺寸及加载装置图。为叙述方便起见，本文将与水平加载方向平行的梁称为受弯梁，把与水平加载方向垂直的梁称为受扭梁。

图1 试件的外观图

图2 总体尺寸及加载装置图

本试验采用低周反复水平加载方式进行加载试验。试验时，首先进行无粘结预应力筋的张拉，通过张拉0.45fptk的控制应力在板内建立预应力；然后通过在板面上加砝码的方式施加2.0kN/m2的竖向均布荷载；最后由水平拉、压作动器逐级往复施加水平荷载。在受弯梁的钢筋屈服前按荷载控制，受弯梁屈服后按位移控制，每个位移延性系数下往复两次，直至试件失效试验结束。在试验中，通过图2所示装置测定不同受力阶段试件的变形；通过对穿过节点墙肢及梁内纵筋沿纵向开槽，在槽内密贴应变片的方式量测不同受力阶段连接区内及墙肢端、梁端钢筋的应变大小及分布情况；通过在节点区各层水平箍筋长肢上按间距100mm贴应变片的方法量测不同受力阶段节点区各层水平箍筋的受力情况。

根据文献[1]试验结果分析，短肢剪力墙无粘结预应力楼盖结构顶层端节点是空间受力连接区。由于带翼缘的扭梁可以平衡一部分墙端的弯矩，故节点不是简单的平面受力情形，而是复杂的空间受力情况。另外，从试件破坏失效后端节点图片来看，尤其是试件二端节点墙肢角部混凝土被掀起破坏严重，这说明仅按前面的二维平面分析是不够的，因此本文对节点的空间受力情况作进一步的研究。分析研究这种结构体系顶层端节点的空间受力性能，对在设计中采用空间节点的模式比采用平面节点的模式有更清楚的认识，提出了合理化设计建议。

本文通过两个短肢剪力墙无粘结预应力楼盖梁、墙肢、板子空间结构模型的低周反复加载试验，图3和图4是试件失效后端节点破坏情况。

图3 试件一失效后图

图4 试件二失效后图

2 顶层端节点空间受力模型

从本次试验测试数据的分析中可以看出，在试件前期加载的过程中受扭梁所受的扭矩不大，纵筋和箍筋应变都很小（个别因应变片质量问题造成的数据异常应排除在外），这时水平力主要由带翼缘的受弯梁来传递给短肢剪力墙，即使最终加载到试件破坏，扭梁和箍筋的应变大多数都未屈服，从而可以看出扭梁尽管平衡一部分墙端弯矩但并不大。另外，从上面试件失效后端节点图片以及试验破坏现象的描述来分析，可简化端节点的受力模型，根据力的平衡条件，可以绘出端节点在水平推力作用下的受力状态图（如图5所示）。

图5 端节点水平力作用下的受力状态图

3 顶层端节点空间受力现象及钢筋应变分析

从试件一失效后端节点的图3来看，墙肢翼缘在大约梁底标高处出现裂缝，接着在节点区也相继出现了大致相互平行的裂缝，并且这些裂缝都是从墙肢的角部向墙肢翼缘的远端逐渐发展的，是从墙肢梁底标高处的角部斜向上发展到板顶面。另外，从图6试件一节点实测梁、墙正弯矩受拉钢筋应变来分析，在加载前期，节点区钢筋的应变发展是由墙肢的角部向墙肢翼缘的远端逐渐减小的，在加载后期，从墙正弯矩受拉钢筋应变分布情况来看，竖直段1～10点应变值与钢筋弯入节点区水平段10～14点应变大致差不多。这充分说明在加载前期“L”形墙肢主要是以弯梁传递水平力，这时墙肢主要是以墙肢腹板矩形截面受力，可以看作平面结构体系，节点也是以平面受力为主；然而，在加载中、后期，随着墙肢翼缘发挥作用，就不再是二维节点受力，而主要是空间节点受力机理。此外，即使墙肢腹部钢筋也弯入板内，但板面角区还是出现了“八”字型裂缝，因此在墙肢长范围内的板对传递水平力所作的贡献较大。另外，在节点区的两束预应力筋尽管在板底出现了两条裂缝，但对节点区最终破坏所起的作用不是很明显。总体来说，试件一因钢筋的粘结性能较好，并且墙肢腹部钢筋也弯入板内起了一部分作用，又因为墙肢钢筋配得较强，远未达到屈服，钢筋受力不充分，故即使试件破坏失效后，节点区都没有严重的破坏，能够满足抗震性能的基本要求。

图6 试件一节点实测梁、墙正弯矩受拉钢筋应变

图7 试件二节点实测梁、墙正弯矩受拉钢筋应变

从试件二破坏失效后的图4来分析。与试件一相同墙肢翼缘也是首先在梁底标高处出现裂缝，然后在节点区以及墙肢底部相继出现裂缝，且在节点区的裂缝也是从墙肢角部向墙肢翼缘远端逐渐发展的，同时在墙肢翼缘远端与扭梁底相交的角部出现了斜向上向第二束预应力筋的裂缝。从图7试件二节点实测梁、墙正弯矩受拉钢筋应变来分析，同样先是墙肢钢筋1～8点所起的作用较大，然后逐渐转移给墙肢翼缘内的钢筋9、10点，即由平面节点受力逐渐转为空间节点的受力。从端节点的内侧裂缝发展来看，节点区裂缝发育较充分，但在墙肢翼缘的内侧裂缝不是很明显，在节点区板底沿预应力筋束出现了裂缝，并且墙肢长内的第一束预应力筋的垫板压陷了混凝土，这说明预应力筋对节点区有不利影响。另外，除板面同样出现了“八”字型裂缝以外，在节点区上部钢筋的粘结滑移裂缝，在反复荷载作用下，混凝土被压碎拉脱，并且在板面角部混凝土被掀起，这充分说明节点区顶部破坏严重。因节点区钢筋的粘结失效，导致结构的刚度严重退化，最终因试件承担负弯矩的能力明显下降而破坏。与试件一是明显不同的，其主要原因是提高了梁下部承担正弯矩钢筋的用量，其钢筋的锚固粘结性能较好，并且加强了梁端抗剪的箍筋，能保证梁端出现塑性铰后有很好的转动能力，这从试件二的滞回曲线可以看出，试件二承担负弯矩的能力直到试件失效都没有明显的下降；另外，节点区钢筋的构造与试件一不同（参考文献[1]），节点区的负弯矩钢筋，由于首先在节点区梁上部钢筋的粘结性能退化，然后墙肢长范围内的板筋发挥了作用，当节点区板面角部混凝土被钢筋弹起后，板筋的粘结性能也迅速退化，最终因节点区板面角部混凝土的掀起，钢筋的粘结失效而导致试件破坏。

从扭梁的纵筋和箍筋应变分析结果来看，在加载中、后期，纵筋和箍筋应变都逐渐增大，也就是说扭梁还是起到了一定的抗扭作用。从扭梁的上部纵筋应变普遍比下部纵筋应变要小，它们相差部分由与扭梁旁边刚性连接的板筋来承担，故板筋参加了一部分抗扭作用，应考虑板作为翼缘的作用。值得说明的是，由于扭梁在反复荷载作用下，在墙肢翼缘与扭梁相交角部，出现了交叉斜裂缝，且不断向节点区上部发展，再加上墙肢较薄，从而加速了墙肢翼缘节点区上部以及板面角部裂缝的发展。

从两个试件试验结果来看，此类结构考虑受弯梁的弯矩和受扭梁的扭矩与墙端弯矩平衡，在设计中按这种平衡关系，参照抗震设计的“强墙弱梁”的设计思路，能够很好地满足抗震性能。

4 结论

通过以上分析，空间节点受力比二维平面节点受力复杂得多，空间节点比平面节点抗震性能更有利，在加载的前期节点主要是以二维平面节点受力状态为主，随着加载进一步推进，逐渐转移为空间节点受力状态，这说明空间节点减轻了平面节点受力的负担。故对于短肢剪力墙结构，特别是建筑屋角部设计为“L”形的墙肢比“一”形的墙肢抗震性能好得多，因此在工程设计中应尽可能采取“L”形的墙肢。

尽管受扭梁对节点区有一定的不利作用，但受扭梁对空间节点区的总体作用不大。其主要原因是扭受梁在整个试件受力过程中发挥的扭矩作用并不大。

无粘结预应力筋对空间节点区的作用是双重的，在加载前期对节点抗震有利，延缓板开裂的时间及裂缝的发展，但在加载后期对节点的抗震是不利的，当节点转为以空间受力为主时，且在无粘结预应力筋垫块周围出现了裂缝，这就加速了节点区裂缝的发展。故在设计中应考虑预应力筋对混凝土的局部作用问题，以及使结构达到预计的大震非弹性变形前不发生预应力筋垫块周围混凝土出现裂缝的要求。

[1]王飞.短肢墙预应力楼盖结构顶层端节点抗震性能试验研究[D].重庆大学，2004，7.

[2]余向前.短肢墙预应力楼盖结构体系抗震性能试验研究[D].重庆大学，2004，7.

[3]傅剑平.钢筋混凝土框架节点抗震性能与设计方法研究[D].重庆大学，2002，7.

[4]GB 50010－2002，混凝土结构设计规范[S].

[5]GBJ50011－2001，建筑抗震设计规范[S].

责任编辑：余咏梅

施工经验

现浇空心楼板GBF管的抗浮验算

GBF管现浇空心板是在现浇钢筋混凝土楼盖结构中采取埋芯成孔工艺，在楼盖内按照设计要求等间距排放GBF管，并在管两端部采取抗浮措施，使管与上下钢筋网片连为一体，浇筑混凝土而成的。

GBF管的抗浮固定是现浇空心楼板整个施工过程中的控制重点和难点，控制方法有压筋法和板下钢管固定法两种。压筋法即在肋间设置支架钢筋，采用“几”字形支架，支架钢筋分别布置在距GBF管端部200mm处，用以控制GBF管的上口位置和排与排之间的间距。待GBF管铺设完后，在“几”字形支架上部点焊通长压筋。板下钢管固定法即在模板支设前，利用手枪钻在模板上钻眼，待GBF管就位后，利用模板上已钻好的眼，用铁丝将GBF管与模板下架体连接。

GBF管的抗浮验算方法如下：考虑GBF管在流态混凝土中产生的浮力，对拉结铁丝的直径及间距进行验算。以“压筋法”为例：采用8号铁丝，每间隔1m穿过模板，将通长压筋与模板下脚手架钢管连接，选取1mX1m计算单元，进行抗浮验算。

(1)浮力计算对于虚线区域，根据阿基米德定律：F浮=p混凝土gV=2.500 x9.8×3.14x0.12x0.9x4=2769.48(N)。

(2)应力计算在一个计算单元中，有两个拉结点。每个拉结点用1根8号铁丝连接。

(3)安全性验算实际截面应力σ=110.25N/mm2<[σ]= 210N/mm2，即每个拉结点采用1根8号铁丝是安全的，完全可以抵抗计算单元内GBF管的上浮力。

（摘自：《建筑工人》）

Spatial Analysis on the Behavior of Top Story Knee Joint of Concrete Structures with Short Shear Wall

This paper，based on revered cycle loading tests on the two specimens of concrete structures with short shear wall and unbonded tendons prestressed slab，analyzes the spatial analysis behavior of this concrete structure system under cyclic loading by the damage in the test specimen failure results analysis and strain analysis of reinforced node area.L-type short shear wall top story knee joints in the level of loading from two-dimensional plane stress state is gradually transformed into state space joint of the force model.Spatial mode by force than plane seems more complex than the plane mode，and seismic performance seem more favorable.so at the end of the paper，a suggestion is made to advercate that in building designs，the corner "L"-shaped wall should be greatly recommended.

short shear wall；top story knee joint；spatial analysis

TU312文献标识码：A文章编号：1671-9107（2010）08-0027-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.8.027

2010-5-25

王飞（1973-），男，重庆武隆人，硕士，工程师，一级注册结构师，主要从事结构设计和研究。