短肢剪力墙延性设计的仿真分析

2011-04-17刘玲华周雪峰

山西建筑 2011年5期

刘玲华周雪峰张玉

短肢剪力墙结构是我国近年来兴起的一种新型的抗侧力构件，它既保留了异形柱不凸出墙面的优点又克服了异形柱框架抗震性能不理想等缺点，且有较大的门窗洞口，可以更好的满足住宅建筑的采光与通风要求，耗材少，经济性好，因此在高层住宅结构中得到了日益广泛的应用，建设部已将其列为一种新型的住宅体系加以推广。然而由于这种结构出现的比较晚，目前国内外对它的研究非常少，其设计方法多为基于承载力的抗侧力设计。震害和试验研究表明，建筑结构的倒塌，主要是由于结构构件的耗能能力和塑性变形能力小于所需要的能力，而基于承载力的设计并不能保证剪力墙达到预期的塑性变形或延性要求。因此，如何提高短肢墙的延性，增强其耗能能力就成了建筑结构中急需解决的问题。

1 短肢剪力墙结构延性设计措施

1.1 连梁的延性设计措施

在实际工程中要使连梁设计满足强剪弱弯的原则，设计出延性较好的连梁可以考虑以下几个方面:

1)控制连梁的跨高比(以T形截面墙肢为例)。

表1 连梁跨高比对T形试件延性性能的影响

从表 1中可以看到:在连梁跨高比增长过程中，试件延性比变化幅度很大。延性比上升达到峰值后，快速下降。这说明选择一个合理的跨高比对结构的安全性和经济性都是重要的，分析可知连梁并不是越刚越好，连梁刚度大反而影响墙肢的延性性能，连梁刚度太小时，极限荷载和延性比都减小，墙肢抵抗变形的能力差。

2)交叉斜撑配筋。交叉斜撑配筋连梁的延性很好，它是由新西兰坎特伯雷大学T.Pau lay教授提出，经过多次试验，并在工程中已经加以应用的一种连梁[2]。在普通配筋的连梁中，要依靠混凝土传递剪力，反复荷载作用下混凝土挤压破碎，连梁便失去了承载力;而交叉配筋连梁中，连梁的剪力由交叉斜撑承担，交叉斜撑起拉杆、压杆作用，形成桁架传力途径，混凝土虽然破碎，桁架仍然能继续受力，对墙肢的约束弯矩仍起作用。

交叉配筋连梁的构造要求高，为防止斜筋压屈，必须用矩形箍筋与斜向钢筋绑在一起，成为既要受拉，又要受压的斜撑杆，因此，配置交叉斜撑的连梁厚度不能小于300mm，交叉斜撑还必须伸入墙体并有足够的锚固长度，同时还要配置横向和竖向钢筋形成网状配筋，防止混凝土破碎后掉落。连梁交叉斜撑的钢筋面积由剪力形成的拉、压力计算确定，我国对交叉斜撑的配筋构造要求可查规程。

1.2 墙肢的延性加强措施

1)增加墙肢的翼缘宽度。在短肢剪力墙的设计中，墙肢布置应以T形、L形、]形、+形等有翼缘的墙肢为主，尽量避免拐角处形成孤立的“一”字形墙肢。而且翼缘的宽度对剪力墙的弹塑性性能有很大的影响。结合仿真试验，在墙肢、连梁的截面高度和配筋率不变的情况下，以T形试件为例分析翼缘宽度对短肢剪力墙的影响(见表2)。

表2 翼缘宽度对T形试件延性性能的影响

从表 2中可以看出，随着短肢剪力墙翼缘宽度的增加，试件的延性不断增加。当翼缘的高宽比为 0时，试件延性较差，并且破坏时在z方向有较大的变形，这说明一字形短肢剪力墙是不稳定的，之后随着翼缘宽度的增加，位移延性增加显著，当翼缘的高宽比大于 8时，延性增加趋势减慢，但仍有增加。

2)严格控制短肢墙的轴压比。根据国内外研究结构，在承受压弯作用的剪力墙中，当处于小偏压状态时墙的延性较差，不仅如此，即使在大偏压状态下，若轴压比较大，混凝土受压区的边缘应力很高，如果混凝土没有约束或约束不够，可能混凝土先达到极限压应变，出现竖向裂缝，甚至压碎，使构件丧失变形能力和承载能力。因此规范已引入剪力墙的变形能力要求，并从变形能力出发规定了轴压比限值，同时提出了按混凝土压应变大小设置的约束边缘构件的设计方法。只有这样才能保证短肢墙的延性。

表3 轴压比对T形试件延性性能的影响

从表 3中可以看出:轴压比对试件的位移延性影响非常大，随着轴压比的增加，试件的延性明显降低，当轴压比大于 0.4时，延性下降非常快。

另外，中南建筑设计院与武汉理工大学联合在试验研究的基础上，利用ANSYS对单调荷载下短肢剪力墙体系进行了非线性有限元分析[4]，得出了轴压比为 0.3左右的短肢剪力墙综合性能较好，建议普通短肢剪力墙轴压比应控制在 0.3左右。

3)合理选择混凝土强度等级。提高混凝土强度，不仅可以提高构件的极限荷载和开裂荷载，而且还可以增加结构的位移延性。但在纵向配筋率相同的条件下，提高混凝土标号等于减少钢筋在换算截面中所占的比重，也就意味着纵向配筋率的减少，反而会使位移延性降低。通过仿真试验看到结构的位移延性比在混凝土等级增加的开始段，增加显著，而随着混凝土等级增加到一定值后，延性比开始减小(见表 4)。所以应根据需要合理的选择混凝土强度等级，不要一味的增加其强度。