双肢剪力墙的受力特点及延性破坏机构设计分析

2012-08-16石永峰

科技视界 2012年30期

关键词：双肢墙肢调幅

石永峰

（石嘴山市规划建筑设计院有限公司宁夏石嘴山 753000）

0 引言

连梁是双肢剪力墙的重要构件。它主要有两方面的作用：（1）影响剪力墙的整体刚度；（2）作为剪力墙抗震的第一道塑性耗能构件，吸收地震能量。由双肢剪力墙的破坏机制可知：连梁的刚度、高跨比、承载力对剪力墙的承载能力和抗震能力均有影响。

1 双肢剪力墙结构体系

1.1 连梁的破坏形态

1.1.2 斜压破坏。当梁中纵筋和箍筋配置较多时，随着荷载的增加，梁被弯曲裂缝和斜裂缝划分成多个倾斜的混凝土压杆。当荷载达到一定数值时，梁中较薄弱的一端混凝土突然剥落，连梁即宣告破坏，但此时纵筋和箍筋均未达到屈服应力，仍可继续承载。

1.1.3 剪切-滑移破坏。当箍筋抗剪能力较纵筋抗弯能力大的多时，钢筋纵筋屈服后，最早出现的竖向裂缝不断延伸并加宽使混凝土受压区减小，而斜裂缝并未充分发展。最后在反复荷载下受压区混凝土压碎，水平纵筋的销栓作用不能抵挡截面的剪力时，沿某条竖向裂缝发生剪切-滑移破坏，但此时箍筋并未屈服。

1.1.4 弯剪破坏。当纵筋和箍筋配置比例合适时，随荷载的增加，弯曲裂缝和弯剪裂缝逐渐向梁端受压区延伸，使剪压区不断减小，同时出现新裂缝。最后，剪压区混凝土在复合应力作用下达到破坏强度而压碎。此时，纵向受拉纵筋首先屈服，箍筋其次屈服。

1.2 双肢剪力墙的受力特点

经过研究发现，双肢剪力墙的受力特点与整体工作系数α 有关：

1.2.1 双肢剪力墙的侧移曲线呈弯曲型。α 值愈大，墙的刚度愈大，侧移愈小。

1.2.2 连梁的剪力分布具有明显的特点：剪力最大（也是弯矩最大）的连梁不在底层，它的位置及大小随α 值改变。当α 值增大时，连梁剪力增大，且剪力最大的梁出现的楼层也将下移。

1.2.3 墙肢的轴力与α 值有关。因为墙肢轴力即该截面以上所有连梁剪力之和，当α 值增大时，连梁剪力增大，轴力必然增大。

1.2.4 墙肢的弯矩与α 值有关。 α 值愈大，墙肢弯矩愈小。

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2 双肢剪力墙延性破坏机构

2.1 延性破坏机构设计要求

根据上述的双肢剪力墙的破坏机构和连梁的破坏形式可以知道，设计中需要的是发生破坏时连梁先于剪力墙破坏。它的特点是连梁能够充分发挥能力，即在连梁上首先出现塑性铰来吸收地震能量，以减小墙肢承受的外力，避免受到严重的破坏。同时，要求连梁自身发生弯剪破坏，发挥材料最大的承载力。所以要求双肢剪力墙在设计时应遵循“强墙弱梁”、“强剪弱弯”的延性设计原则。

要设计“强墙弱梁”的双肢剪力墙，首先，要保证墙肢不过早地发生脆性的剪切破坏，即要设计延性的墙肢；其次，应使连梁早于墙肢屈服；同时，尽可能避免连梁过早出现脆性的剪切破坏，使连梁发生弯曲破坏早于剪切破坏，即要设计延性的连梁。这才符合“强墙弱梁”、“强剪弱弯”的全部要求。

2.2 延性设计在现行规范中的表现

在延性双肢剪力墙中，延性连梁的设计是主要矛盾。《建筑抗震设计规范》GB50011-2010 和《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002对连梁内力做出了以下调整：

2.2.1 连梁弯矩设计值的调幅。连梁进行塑性调幅，降低弯矩较大的连梁以改善其延性。调幅后的弯矩设计值不应低于风荷载作用所得的弯矩设计值，或不低于比设防烈度低一度的地震作用计算所得的弯矩设计值，且不应小于调幅前弯矩的0.8 倍（设防烈度6～7 度）或0.55 倍（设防烈度8～9 度）。

2.2.2 连梁剪力设计值的调整。无地震作用组合以及有地震组合的四级抗震等级时，取考虑水平荷载组合的剪力设计值；对跨高比大于2.5的连梁，有地震作用组合的一、二、三级抗震等级时，连梁的剪力设计值应按下式进行调整：

9 度时尚应符合：

2.2.3 连梁的刚度可折减，折减系数不宜小于0.50

虽然延性连梁的设计是主要矛盾，但是延性墙肢是保证整栋结构安全抗震的关键。所以《建筑抗震设计规范》GB50011-2010 和《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002 也对剪力墙墙肢内力做出了以下调整：

1）一级抗震等级时的剪力墙，其加强部位上及以上一层，应按墙肢底部截面组合弯矩设计值采用；其他部位，墙肢截面的组合弯矩设计值应乘以增大系数，其值可取1.2。

2）双肢剪力墙中，墙肢不宜出现小偏心受拉。当任一墙肢为大偏心受拉时，另一墙肢的弯矩设计值和剪力设计值应乘以增大系数1.25。

3）剪力墙底部加强区范围内的剪力设计值Vw，一、二、三级抗震等级时应按下式调整：Vw=ηvwV′w；9 度时尚应符合：

Vb=1.1（Mwua/Mw）V′w

式中：Mwua为剪力墙底部按实配钢筋计算的考虑承载力抗震调整系数的正截面受弯承载力值；Mw、V′w为考虑地震作用组合的剪力墙计算部位的弯矩设计值和剪力设计值；ηvw为剪力增大系数，一级为1.6，二级为1.4，三级为1.2。

除了现行规范在延性设计方面对墙肢和连梁的内力进行调幅，近年根据大量的实际工程经验和理论试验研究，若满足以下三点要求，则可更好保证双肢剪力墙符合“强墙弱梁”、“强剪弱弯”的设计原则：

1）尽量设计高宽比大于2 的墙肢。

2）除了连梁的刚度要满足判定双肢剪力墙1≤α＜10 外，还要注意连梁与墙肢刚度比在0.14～0.40 之间，α 在2.89～8.64 之间时对抗震性能有良好的影响。

3）跨高比1.43 的连梁能较好的符合延性设计原则。

3 目前延性设计方法的不足

对于以上规范中墙肢和连梁的调幅方法，尤其是增大系数的确定，都是根据大量的实际工程经验得出的，其理论根据或实验支持较少，因此可以称为是由经验法确定的延性设计方法。虽然经验法目前仍在使用并在规范中进行规定，但这种方法是否完全合理，增大系数的确定是否完全正确，经过经验法调幅后结构是否能够保证安全，经验法在何种情况下适用等问题，都没有足够的理论支持或实验支持。这是目前经验法最大的不足。