第27卷第2期2007年4月
地 震 工 程 与 工 程 振 动
EARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGVIBRATIONVol.27No.2
Apr.2007
收稿日期:2006-09-15; 修订日期:2006-12-27 基金项目:国家自然科学基金项目(50678010);北京市属市管高校拔尖创新人才基金项目(05004311200501) 作者简介:曹万林(1954-),男,教授,博士,主要从事工程抗震研究.
文章编号:1000-1301(2007)02-0081-04型钢混凝土剪力墙的抗震性能研究曹万林,范燕飞,张建伟,王新杰,王志惠,宋义平(北京工业大学建筑工程学院,北京100022)
摘要:型钢混凝土剪力墙(亦称为SRC剪力墙)是一种新型的剪力墙,其抗弯承载力、抗剪承载力及延性均好于普通剪力墙。本文简要总结了近年来国内外关于型钢混凝土剪力墙抗震研究的成果。在此基础上,进行了较高轴压比下内藏钢桁架混凝土组合高剪力墙的抗震性能试验研究。试验研究表明,内藏钢桁架的存在明显改善了高轴压比下型钢混凝土高剪力墙的抗震性能。关键词:型钢混凝土;剪力墙;内藏钢桁架;轴压比;抗震性能中图分类号:P315.97;TU375 文献标志码:A
ResearchonseismicperformanceofsteelreinforcedconcreteshearwallsFANYanfei,CAOWanlin,ZHANGJianwei,WANGXinjie,WANGZhihui,SONGYiping(TheCollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022,China)
Abstract:Steelreinforcedconcreteshearwallisanewkindofshearwalls,whichhasbetterflexure,bearingca-pacityandductilitythanusualshearwalls.Someachievementshavebeenbrieflyintroducedaboutrecentresearchofsteelreinforcedconcreteshearwalls.Baseduponthesestudies,theexperimentalstudyontheseismicperform-anceofhigh-riseshearwallswithconcealedsteeltrussofhighaxial-loadratiohasbeendone.Theexperimentalre-sultsshowthatthesettingofconcealedsteeltrusscanobviouslyimprovetheseismicperformanceofhigh-risesteelreinforcedconcreteshearwallofhighaxial-loadratiocomparedwiththeusualones.Keywords:steelreinforcedconcrete;shearwall;concealedsteeltruss;axial-loadratio;seismicperformance
引言 型钢混凝土构件是以型钢为钢骨并在型钢周围配置钢筋浇筑混凝土后而形成的一种新型组合混凝土构件。由于型钢混凝土中的型钢与其外包混凝土能够共同工作,两种材料的强度都能得到充分利用。与钢筋混凝土构件相比,型钢混凝土构件具有承载力大、延性好、抗震能力强的特点。SRC剪力墙近年来在高层、超高层中得到愈来愈广泛的应用。因而国内外的科研人员在这一领域也做了一定的研究[1]。然而,目前关于
SRC剪力墙的抗震性能试验研究主要集中在轴压比为0或者轴压比较小的情况。在一些实际工程中,如建筑的底部剪力墙常遇到轴压比较大的情况,当轴压比增大后,SRC剪力墙的抗震性能如何,如何合理进行设计,这些尚需要进行进一步研究。因此,本文重点进行了笔者提出的内藏钢桁架混凝土组合剪力墙在较高轴压比下的抗震性能试验研究。
DOI:10.13197/j.eeev.2007.02.0131 SRC剪力墙的抗震研究概况下面简要介绍一下国内外相关研究的概况。双层钢板内填混凝土组合剪力墙。它具有承载力高、延性好等优点,但造价偏高且施工较为复杂,因此在工程中还很少应用。Emori[2]对双层钢板内填混凝土剪力墙进行了研究,双层钢板之间焊接了横向和纵向的加劲肋。从试验结果来看,试件具有较高的承载力和良好的延性。Link等[3]对两层钢板中间内填混凝土并在钢板中设置竖向加劲肋的组合墙板剪力墙在竖向荷载和水平反复荷载下的极限承载力和后期承载力进行了非线性有限元分析。钢和混凝土之间的作用用带拉格朗日因子的裂缝单元来模拟,计算结果和实验结果吻合良好。分析结果表明这种剪力墙在峰值点后可以保持稳定的后期承载力直至达到很大的变形,说明试件具有良好的延性。这种较高的后期承载力源自试件在达到峰值点后的应力重分布。带工字钢边框的组合剪力墙。它由工字钢边框和钢筋混凝土墙板组成,边框和墙板通过焊接在外边框梁柱上的栓钉连接。这种形式的剪力墙受力分工明确:钢框架承受竖向荷载和由地震作用引起的倾覆力矩,混凝土墙板承受水平剪力。同时钢框架也可以对混凝土墙板起到约束的作用。Tong等[4]进行了一个1/3缩尺无轴力的工字钢框架-钢筋混凝土墙板组合剪力墙的拟静力试验研究。试验结果表明:带工字钢边框的组合剪力墙在反复荷载作用下混凝土墙板首先开裂,接着工字钢边框逐渐屈服,最后由于墙板的角部混凝土被压碎而破坏,破坏时边框并未出现撕裂的现象。这种剪力墙受力分工明确,但钢框架对钢筋混凝土墙板的约束作用较弱,在钢筋混凝土墙板破坏而退出工作后,钢框架也很难起到“二道防线”的作用。Saari等[5]
对连接钢框架和混凝土墙板的栓钉在地震反复荷载下的力学性能进行了试验研究。结果表明:栓钉的承载能力和变形能力对试件的整体工作性能有很大影响。在反复荷载下,栓钉承受拉力和压力的反复作用,而轴向拉力对栓钉的承载力和变形能力有很大的削弱。在栓钉的周围设置一些约束构造有助于充分发挥栓钉的承载力和变形能力。带钢管混凝土边框的组合剪力墙。主要有2种形式:一种是带钢管混凝土边框的钢板剪力墙,即在钢管混凝土框架中内嵌一块钢板。这种形式的组合剪力墙自重轻,延性好,墙板和边框连接可靠,但钢墙板容易出现局部屈曲的现象。Driver等进行了1个4层单跨的带钢管混凝土边框的钢板剪力墙的低周反复荷载试验[6]。Astaneh等进行了2个带钢管混凝土边框的钢板剪力墙抗震性能试验研究[7]。在试验中观测到,钢墙
板在加载至0.006倍的层间高度时开始发生斜向的局部屈曲现象。试验结果表明,滞回曲线饱满,下降段平缓,试件具有良好的延性和耗能能力,钢管混凝土柱在墙板破坏后依然可以承受后期荷载。另一种是带钢管混凝土边框的钢筋混凝土组合剪力墙。钢管混凝土组合剪力墙采用钢筋混凝土墙板,边框采用钢管混凝土端柱和工字钢梁结合的形式,在墙板和钢管混凝土柱之间用一些构造措施加强连接。这种组合剪力墙具有较高的整体抗震性能,可以使结构中的钢管混凝土柱和剪力墙在变形过程中能达到更协调的变形,从而表现出更好的延性能力。带型钢边框低剪力墙。西南交通大学黄雄军等共进行了5个带型钢边框低剪力墙的试验研究[8],试验
的主要目的是考察劲性混凝土边框低剪力墙的极限承载力、破坏形态、延性及耗能能力。罗英等在试验基础上提出了叠加形式的带边框低剪力墙的抗剪承载力计算公式,分别考虑了边框与墙板的破坏机理,公式计算值与试验实测值符合良好[9]。黄双华等在有限元分析的基础上结合试验研究的结果,提出了边框柱发生弯
曲破坏的低剪力墙极限承载能力计算模型,建立了计算公式,计算结果与实测值符合良好[10]。
设置型钢刚架的钢筋混凝土低剪力墙。东南大学刘航等针对底层框架-剪力墙多层砖房的剪力墙抗震问题,提出了在钢筋混凝土低剪力墙内设置型钢刚架,成为劲性钢筋混凝土低剪力墙,其型钢骨架主要由梁柱边框型钢和交叉型钢组成[11]。
钢骨联肢剪力墙。同济大学武敏刚、吕西林对钢骨联肢剪力墙进行了抗震性能试验研究[12]。进行了3
个开洞联肢钢骨剪力墙试件的伪静力抗震试验。试验表明,钢骨混凝土低剪力墙的剪切破坏形态与普通混凝土低剪力墙的破坏形态没有明显区别,但钢骨的存在使得墙体杭剪承载力大大提高。内藏钢桁架混凝土组合剪力墙及筒体。笔者从提高剪力墙自身耗能能力和承载力角度,提出了内藏钢桁架混凝土组合剪力墙及筒体,并已被授予国家专利[13,14]。
82 地 震 工 程 与 工 程 振 动 第27卷2 内藏钢桁架混凝土剪力墙试验研究笔者已完成了5个较高轴压比下混凝土剪力墙低周反复荷载下的抗震性能试验研究,本文简介其中3个试件的研究概况。3个试件:1个为普通剪力墙SW2.2-1,1个为内藏钢框架-钢筋桁架剪力墙SW2.2-2,1个为内藏钢桁架剪力墙SW2.2-3。试验模型按1/3缩尺,轴压比约为0.5。其中试件SW2.2-2和SW2.2-3的配筋及配置型钢图见图1,3个试件的滞回曲线图见图2,3个试件的破坏形态照片见图3。试验表明:与普通剪力墙相比,内藏钢框架-钢筋桁架剪力墙和内藏钢桁架剪力墙的滞回环相对饱满,延性及耗能能力显著提高,底部塑性耗能区的高度显著增大,裂缝分布域较高、较广,可充分发挥混凝土裂缝在开裂和闭合过程中的耗能作用,主斜裂缝出现较晚且发展缓慢,说明了内藏桁架的存在延缓了裂缝的开展,这对稳定剪力墙的后期性能是十分重要的。
图1 模型尺寸及配筋、配型钢图Fig.1 Geometryandreinforcementdetailsofspecimens
图2 各剪力墙滞回曲线Fig.2 Lateralloadversustophorizontaldisplacementloopsofthespecimens
83第2期曹万林等:型钢混凝土剪力墙的抗震性能研究