框支短肢剪力墙加腋梁式转换结构抗震性能研究

2011-05-09钟树生马相明卢挺

中国新技术新产品 2011年5期

钟树生马相明卢挺

（1、重庆大学土木工程学院,重庆 400045；2、中国建筑西南设计研究院有限公司，四川成都610081）

框支短肢剪力墙结构是为了满足建筑功能的需要而发展起来的一种新型的结构形式。它是将短肢剪力墙结构与框支剪力墙结构相结合的产物,由于上部短肢墙布置灵活,容易满足建筑平面的要求,结构刚度又不致过大 (与全剪力墙结构相比),因而受到建筑师和结构设计人员的青睐,在很多地方被广泛使用［1-2]。由于短肢剪力墙的特殊性,框支短肢剪力墙在结构形式、受力特点上与传统框支剪力墙有明显不同,目前在工程界运用虽然广泛,但理论研究尚不完善。作者结合某实际工程,分别对一榀加腋梁式框支短肢剪力墙转换框架及一榀相同尺寸的不加腋梁式转换框架进行了拟静力试验,并对这两种转换结构的受力及抗震性能进行了探讨。

1 试件设计与试验概况

1.1 试件尺寸及材料力学特性

此次试验模型尺寸为对原型结构进行简化、调整并按1/3缩尺所得,两试件编号依次为W9-2、W10-2。其中试件W9-2为加腋转换试件,尺寸简图如图1,试件W10-2的尺寸除取消加腋外,其余同试件W9-2。

图1 试件W9-2尺寸简图

1.2 加载装置及加载制度

试验装置简图如图2所示,试验加载制度参照文献[4],首先按均匀的若干步对试件施加竖向荷载,竖向荷载达到设计值后,保持其在整个试验过程中恒定不变。然后在上下两个水平加载点同步施加低周反复荷载。在试件转换梁纵筋达到屈服以前,采用荷载控制,寻找开裂荷载和屈服荷载时,加载步距放小;在转换梁的纵筋屈服以后,采用位移控制,即以转换梁中心线水平屈服位移的整数倍控制加载,每级加载循环二次,直至水平荷载下降至最大承载力的85%时,即认为试件失效,终止试验。屈服位移的寻找是通过数据采集系统追踪转换梁控制截面处的钢筋应变,只要其值达到钢筋的屈服应变,此时转换梁端位移计所测出的位移即看作试件的屈服位移。两试件的竖向荷载均按短肢剪力墙试验轴压比0.25控制,试件W9-2的最终荷载为500 kN,试件W10-2的最终荷载为490 kN。水平荷载采用如图2所示的两点加载模式,上、下层的水平加载点的加载比例关系如下确定:对原型结构进行计算,得出每一层的水平地震力,将原结构转换层以上的各层水平地震力叠加,形成一个总作用力,作用在上层加载点位置,将转换层的水平地震力作用在下层加载点位置。计算所得上下层水平力的比例为2.76:1。根据实验室所能提供的实验条件,为加载操作控制方便,取上下两层加载力的比例为2:1。

图2 试验装置简图

2 试验结果分析

2.1 试验钢筋应变发展规律

经过对钢筋应变数据进行分析、总结,可得出以下规律:

1)竖向荷载作用下转换梁三排纵筋全部受拉,并且随着荷载的增大,钢筋的拉应变迅速增加,表明竖向荷载作用下转换梁是一个偏拉构件,且两构件都出现受拉裂缝,但试件W10-2出现受拉裂缝要迟点。比较构件W9-2和W10-2可以发现,W9-2中转换梁纵筋出现应力峰值点的应变相对于构件W10-2来说很大,且在转换梁净跨部分钢筋应变值都很大。这主要是因为加腋使转换梁在净跨部分受拉更严重。

2)比较两榀试件可以看出,在达到正反屈服时,试件W10-2在墙肢下端转换梁的应变明显增大,特别是靠近节点处的钢筋应变最明显,进一步说明不加腋使出铰位置朝节点方向转移。

3)施加推荷载过程中,两构件跨中部分箍筋应变值都比较大,且应变梯度很大。但与构件W9-2相比,W10-2箍筋的应变明显增大,特别是在原来加腋而现在不加腋处附近的钢筋增大最多,主要是由于原来由加腋部分承担的剪力都转由箍筋来承担。

4)试件W9-2转换梁左边和右边加腋筋在加载初期应变值都较小,然后应变值随着荷载增大而增大,在加载至3和-3时,左边和右边加腋筋应变分别达到2 000左右,接近钢筋的屈服应变2 100,此后应变就保持在这个范围内成波浪形变化。与试件W10-2对比,加腋梁式转换的框支短肢剪力墙结构明显地增强了转换梁在支座区段的抗剪承载力。

5)两试件框支柱纵筋应变均在柱底发展最快,最易形成塑性铰。对于试件W10-2,柱顶纵筋应变虽然大多数未达到屈服应变,但已很接近;而试件W9-2柱顶纵筋应变始终较小,远不及屈服应变。

2.2 试件破坏机制

试件W9-2的破坏机制为:首先是转换梁纵筋在跨中区段端部位置处屈服,梁加腋端形成塑性铰,转换梁跨中区段端部出现贯通裂缝,形成梁铰机制;随后柱脚开始屈服并最终形成塑性铰;在接近极限荷载时,梁端出现混凝土压碎并大量脱落,纵筋受压屈曲现象;最终转换梁受压区混凝土被压碎,宣告试件最后破坏。

图3 塑性铰出现次序图

试件W10-2的破坏机制为:首先是在转换梁跨中区段右端出现塑性铰,接着在转换梁右端、转换梁跨中区段左端和转换梁左端依次出现塑性铰,随后底层柱脚开始屈服并最终形成塑性铰。在接近极限荷载时,梁端节点处出现混凝土压碎,纵筋受压屈曲现象,从位移计上读数可以看出在6以后二层的位移特别小,相对于一层基本上没有位移。通过比较钢筋应变实测值,可以得出结构各梁端、柱端屈服及形成塑性铰的先后关系,图3列出了两个构件出现塑性铰的地方,图中1—6为各个构件端部出现塑性铰的先后次序,1在先,6在后。

图4 传力梁端的P-△曲线

2.3 P-滞回曲线分析

两试件传力梁端的P(荷载)-(位移)曲线如图4所示。两试件滞回曲线初期呈梭形,后期略呈反S形,正向残余位移比反向稍大,W9-2中间有较明显的“捏拢”,但整体还比较丰满,而W10-2滞回曲线中间无明显捏缩。

2.4 刚度退化分析

由关系曲线 (如图5所示)可知:构件W9-2和W10-2的初始刚度都比较大,但屈服后的刚度下降也都比较快。且刚度衰减的过程都可分为三个阶段:构件屈服前为刚度的速降阶段,此后构件刚度降低速度有所减缓,四倍屈服位移后到结构的最后破坏阶段为刚度的缓降阶段。比较而言,构件W9-2正向荷载刚度退化的趋势比反向荷载刚度退化明显,且正向荷载下刚度大于反向荷载下刚度,当构件接近破坏时,构件在正向荷载和反向荷载作用下的刚度又趋于相同;而构件W10-2正反两个方向刚度衰减趋势基本相同且两个方向刚度差别很小。

图5 试件曲线

2.5 延性及弹塑性变形分析

实测所得结构的位移、层间位移、层间位移角及延性系数见表1。两试件延性系数均满足抗震规范对结构延性系数大于4的要求,结构的延性较好。比较试件W10-2与W9-2的延性系数可以看出,W10-2的延性系数比W9-2小,特别是在6时柱子出现塑性铰后二层的位移特别小,相对于一层基本上没有位移,主要原因是试件出现“柱铰破坏”,可见加腋能够使框支短肢剪力墙转换结构获得较好的延性及合理的破坏形式。