钢筋混凝土异型剪力墙高层结构抗震性能试验及理论分析研究

2014-03-20刘建新朱美春

上海师范大学学报·自然科学版 2014年3期

刘建新,沈杰,朱美春

(上海师范大学建筑工程学院,上海 201418)

0 引言

随着大型城市的发展,越来越多的高层(或超高层)建筑结构被建造,成为现代国际化都市建设的一个重要标志之一.传统的高层钢筋混凝土剪力墙结构[1]整体抗震性能较好、过去被广泛的使用在高层建筑结构的设计和建造中;然而,国内外大量的科学研究和工程实践表明:传统的高层钢筋混凝土剪力墙结构虽然具有良好的整体抗震性能,但剪力墙间距小、使用空间受限,不易形成大的使用空间,极大地限制了它的广泛应用.本文作者在国内1995年首先提出一种新型异型剪力墙结构[2]的概念,即异型剪力墙建筑结构,并对其抗震设计进行了初步的探讨[2],表明它能够克服传统剪力墙结构(如双肢剪力墙结构)自重大、剪重比大、剪力墙间距小、使用空间小、平面布置不灵活等缺点,同时具有很强的整体抗震能力.这种新型结构的组成为每片剪力墙隔层错跨布置,并且相邻两片剪力墙互相错开布置.根据使用要求可相邻错层或不错层布置各片剪力墙,这样使同一层房间的开间由原1个开间宽增大为2个开间宽或3个开间宽甚至更大;同时这种隔层错跨的布墙方案可有效增大抗侧刚度、整体耗能能力,受力变形均匀,减小自重、减小地震作用、节能节材.

国外学者在错列剪力墙方面提出了一些概念并作了一些纯理论的结构分析研究[1,3],指出错列剪力墙可以有较好的经济性,相对传统剪力墙(如双肢剪力墙结构)而言,节省了混凝土材料,抗侧刚度和承载力降低不多,技术经济指标较好,但底层局部构件(柱)等内力极大,配筋设计困难,且剪力墙结构的抗震延性降低明显,受力后阶段侧移发展较大,水平承载力降低很快;要克服这些缺点,还需要理论、试验及工程实践的研究.

在过去的十几年中,本文作者[2,4-6]首先对异型剪力墙结构——隔层错跨剪力墙结构分析了这种结构体系的工作机理、对其进行了二维横、纵向多方面的结构分析、研究了其抗震设计、构造措施、设计方案,提出了一些设计建议和构造措施;有专家对错列剪力墙结构的相关体系进行了理论和试验研究;在前人的研究基础上,文献[7-8]对错列剪力墙结构作了相关的理论和试验研究,对隔层错跨剪力墙结构的抗震受力变形也作了相关的理论分析,推动了隔层错跨剪力墙结构这种新型结构体系的应用研究水平[2,4-5];文献[7-8]引用了本文作者提出的新型隔层错跨剪力墙结构概念和有关研究结果,并在研究证实该新型剪力墙结构具有优越的结构和建筑大空间功能的基础上,又对该新型剪力墙结构了进行抗震性能的比较研究和弹塑性地震反应分析,推动了研究的进展.

但是，以上所有的理论与试验研究都是针对于单榀二维平面错列剪力墙体系而言的，缺乏对隔层错跨剪力墙体系具体的试验研究及与理论的对比研究和验证.本文作者对隔层错跨剪力墙体系作了具体的试验，同时在建立异型错跨剪力墙模型及考虑混凝土结构非线性性能的基础上，对其进行了非线性有限元理论分析，并与试验结果进行了比较研究，其理论分析结果与试验结果吻合较好.

如上所述，结合本试验与理论分析研究的成果、对这种异形剪力墙承载力、刚度及变形能力、延性等抗震性能指标及其变形和破坏机制已有的一些理论分析和数值抗震非线性研究[2,9]以及多个学者的研究结果[2-3,10-12]，表明：异型剪力墙建筑结构与传统剪力墙结构相比，具有建筑使用空间大、水平荷载承载力强、整体抗侧刚度大、抗震承载力大、延性保持良好、自重小、所受地震力小，节约材料、降低成本等优点.值得一提的是，本研究制作了异型剪力墙结构模型(图1模型制作图，图2模型试验)，用美国MTS电液伺服系统对模型进行了低周反复加载抗震试验. 下面的章节为试验模型设计、低周反复加载抗震试验及试验与理论对比分析全过程.由于这种新型异形剪力墙结构所进行的低周反复加载抗震试验过程困难程度较高，目前国内外还很少见报导.

图1 模型制作图

图2 模型试验加载

1 异型剪力墙结构低周反复加载抗震试验

1.1 试验模型设计

为了研究钢筋混凝土异型剪力墙结构的破坏形态、滞回曲线、耗能能力、位移延性等抗震性能,按1∶6制作了试验模型(图1)进行试验.试验研究表明:只要节点构造措施恰当,异型剪力墙结构能具有较好抗震能力和延性,能满足工程抗震的要求.

在设计模型试件时考虑以下几个方面的因素:

按实际结构1∶6缩比进行模型设计,考虑按7度抗震设防要求计算配置梁、柱、墙的受力钢筋和构造钢筋,在梁柱墙节点及底层柱的柱截面处特别加强箍筋的配置(按抗震设防8度配置),剪力墙板双面双向构造筋.

试件的制作过程:先根据设计的施工图进行钢筋下料,然后在钢筋上的相应位置贴应变片,应变片贴好后进行钢筋绑扎和模板的制作,最后进行混凝土浇筑和养护.在上海师范大学结构实验室用MTS电液伺服系统对模型进行了低周反复加载抗震试验;加载装置、加载方式及试验现场见图2.

1.2 试验加载过程

本试验采用的加载程序为:首先对试件施加50%的竖向荷载,反复2次后加至100%竖向荷载设计值,并在整个加载过程中维持不变,每个柱子的轴向力N=50 kN(首先两次施加25 kN的竖向荷载,而后加至50 kN的竖向荷载).

然后,在水平方向施加低周反复荷载.水平荷载采用分级加载制度:在梁或柱中的主筋屈服前,加载采用荷载控制,并分级加载,直到试件屈服.在结构梁或柱中的主筋屈服后,加载改为位移控制,即以顶部横梁中心线水平屈服位移的整数倍控制加载,每级加载循环3次,直至试件破坏时为止.按位移控制加载时,应使骨架曲线出现下降段,至少应加载到荷载下降为极限荷载的85%时,方可停止试验.

图3 顶点位移和荷载的试验与理论对比曲线

试件的整个试验过程都在上海师范大学建筑工学院结构大厅进行.水平试验加载拉压至±185 kN以前,钢筋混凝土模型上没有出现裂缝,模型的力和水平位移成线性关系,当水平试验加载大于185 kN,继续增大时,一层混凝土柱底部首先出现裂缝,然后,一层剪力墙出现裂缝,然后,二层柱出现裂缝,整个结构呈现第一个屈服台阶;当水平试验加载大于247 kN,整个结构呈现第二个屈服台阶;当荷载继续增大到487 kN时,结构水平承载力达到最大极限荷载.然后,位移增加,荷载下降至401 kN,试验停止.结构顶点水平荷载与位移的关系曲线如图3所示.顶点位移和荷载的试验与理论对比曲线见图3.

2 试验结果与数值计算结果比较分析及结论

图4 异型剪力墙结构数值模型

为全面地研究这种新型异型剪力墙建筑结构的抗震能力、开裂及抗震延性等,用ANSYS对其进行了非线性水平荷载理论数值分析(图4).

结构顶点水平荷载与位移的理论关系曲线如图3带点线所示.通过比较可以看出,理论曲线与试验曲线比较接近,尤其是在荷载接近400 kN以前,二者都很接近;在400 kN以后试验荷载值大于理论承载力.从试验和理论上都说明该新型异型剪力墙结构的抗震能力、延性都在合理的范围内.

结合文献[1,3]多方面研究成果,表明本研究提出的异型剪力墙建筑结构确实是一种建筑使用空间大、抗震承载力强、整体抗侧刚度大、延性保持良好、自重小、所受地震力小,节约节能的、具有结构、建筑双重优点的新型剪力墙结构,只要节点构造措施恰当,它能具有较好抗震能力和延性,能满足实际建筑工程抗震的要求,投入应用.

参考文献:

[1] KEN N V,PRASADA R,KEN S.Staggered Shear Panels in Tall Buildings[J].Journal of Structural Engineering,1983,109(5):1174-1193.

[2] 刘建新.用墙板单元研究确定剪力墙的合理位置[J].建筑结构学报,1995,16(5):47-57.

[3] 沈萍.钢筋混凝土错列剪力墙结构的试验研究与理论分析[D].苏州: 苏州科技学院,2007.

[4] 刘建新.隔层错跨剪力墙结构体系的抗震设计探讨[J].建筑结构,1999,(2):20-22.

[5] 刘建新,张绍河.隔层错跨剪力墙结构高层建筑纵向抗震设计[J].工程力学,1999(a02):893-896.

[6] 刘建新.高层框剪结构剪力墙的布局优化设计[J].甘肃工业大学学报,1997,23(2):73-78.

[7] 刘传梅.钢筋混凝土跳层剪力墙结构弹塑性地震反应分析[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学,2007.

[8] 徐伟军,林有超,邓林.钢筋混凝土跳层剪力墙有限元分析中的单元对比[J].广西大学学报:自然科学版,2007,32:318-320.

[9] 刘建新,王红囡.新型隔层错跨剪力墙结构非线性分析[J].工业建筑,2006,36(12):31-35.

[10] 徐伟军.隔层错跨剪力墙与并联剪力墙抗震性能的比较研究[D].广西: 广西大学,2007.

[11] 梁龙.混凝土桁架隔层错跨布置的剪力墙结构的动力性能分析[D].吉林: 吉林建筑大学,2013.