框支短肢剪力墻轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)變角斜柱抗震試驗(yàn)研究

鐘樹生 趙大梅 楊超策

（1、重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045 2、機(jī)械工業(yè)第三設(shè)計(jì)研究院，重慶 400039）

1 引言

本文通過對不同斜柱角度的兩榀斜柱式框支短肢剪力墻轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)試件的擬靜力試驗(yàn)，對比分析不同斜柱角度的斜柱式框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果，得出斜柱角度的變化對結(jié)構(gòu)整體受力性能及抗震性能的影響。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)合實(shí)際工程原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化、調(diào)整，并按1/3 縮尺確定試件尺寸，試件編號分別為W9-1、W9-7。試驗(yàn)以ANSYS 程序進(jìn)行的彈性有限元分析為基礎(chǔ)，為了簡化分析過程，在構(gòu)件分析時不考慮混凝土開裂、鋼筋屈服等非線性因素，采用彈性單元進(jìn)行分析。

2.2 加載裝置及加載制度

試驗(yàn)采用低周反復(fù)加載方式對試件進(jìn)行抗震性能研究。試驗(yàn)加載制度按照文獻(xiàn)[7]進(jìn)行加載，其加載程序?yàn)椋菏紫劝淳鶆虻娜舾刹綄υ嚰┘迂Q向荷載，豎向荷載達(dá)到設(shè)計(jì)值后，保持其在整個試驗(yàn)過程中恒定不變，然后在上下兩個水平加載點(diǎn)按2：1（根據(jù)原型結(jié)構(gòu)計(jì)算得出轉(zhuǎn)換層以上各層水平地震力之和與轉(zhuǎn)換層水平地震力的比值為2.76：1，結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件和加載控制，取上下兩層加載力的比例為2：1）的關(guān)系同步施加水平荷載。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

3.1 試件破壞現(xiàn)象簡述

試件W9-1：豎向加載至490kN 時無裂縫產(chǎn)生。水平正向荷載加至約40kN 時，在墻間轉(zhuǎn)換梁右端底部出現(xiàn)第一條垂直裂縫。95kN 時，墻間轉(zhuǎn)換梁左端頂部及右端底部縱筋受拉屈服，裂縫分別向左斜柱頂部及右墻左下角集中，形成了兩個中間裂縫垂直、兩邊裂縫朝中間合攏的"漏斗狀"裂縫群。反向至70kN 時，墻間轉(zhuǎn)換梁左端底部及右端頂部縱筋受拉屈服，最終也形成類似"漏斗狀"的裂縫群。在反復(fù)荷載的作用下，兩個方向的裂縫基本對稱出現(xiàn)，斜裂縫相互交叉成菱形，而轉(zhuǎn)換梁與斜柱相交的兩端處彎曲裂縫發(fā)展尤其厲害，到8Δy 時，試件最終破壞。在整個試驗(yàn)過程中，框支柱、斜柱、短肢墻的裂縫都較少。試件最終破壞形態(tài)見圖1(a)。試件W9-7:豎向加載至490kN 時無裂縫產(chǎn)生。水平正向荷載加至約30kN 時，在墻間轉(zhuǎn)換梁右端底部出現(xiàn)第一條垂直裂縫，隨著正向荷載的增加，該裂縫繼續(xù)向上豎直發(fā)展，當(dāng)正向加載至78kN、反向加載至72 kN 時，墻間轉(zhuǎn)換梁左、右端頂部及底部縱筋受拉屈服，轉(zhuǎn)換梁上裂縫形成了兩個中間裂縫垂直、兩邊裂縫朝中間合攏的"漏斗狀"裂縫群。在反復(fù)荷載的作用下，兩個方向的裂縫基本對稱出現(xiàn)，并逐漸向轉(zhuǎn)換梁跨中延伸，并且腹部也伴有細(xì)微的腹剪斜裂縫出現(xiàn)，與梁邊約成45o 角。6Δy～11Δy 循環(huán)過程中，墻間轉(zhuǎn)換梁左端底部及右端頂部裂縫經(jīng)歷了加寬，裂縫截面混凝土剝落、大塊掉落等過程，同時轉(zhuǎn)換梁的變形陸續(xù)增大，轉(zhuǎn)換梁縱筋翹曲明顯、箍筋外露，傳力梁與左右墻相交處局部壓潰也較為嚴(yán)重，混凝土有大塊剝落，到12Δy 時，試件達(dá)到最后破壞，試件最后破壞形態(tài)圖見圖1（b）。

圖1 （a）試件W9-1 最后破壞圖

圖1 （b）試件W9-7 最后破壞圖

3.2 試件屈服機(jī)制及破壞特征

試件塑性鉸出現(xiàn)的先后次序見圖4。從中可以看出兩個構(gòu)件首先都是短肢墻和斜柱交匯處轉(zhuǎn)換梁屈服，接著是轉(zhuǎn)換梁端屈服，最后柱底屈服出現(xiàn)塑性鉸。只是試件W9-1 的變形和損傷都集中在鉸1、2 處，框支柱、斜柱、短肢墻在后期裂縫發(fā)展很少，最終以鉸1、2 處混凝土壓酥且大面積剝落并造成整體結(jié)構(gòu)承載力大幅度下降而破壞，試件很多部位仍處于彈性受力狀態(tài)，而試件W9-7 整個試驗(yàn)從過程中，各部分非彈性變形均勻，轉(zhuǎn)換梁、框支柱、短肢墻最終裂縫發(fā)育得均很充分，整體分布較均勻，短肢墻與轉(zhuǎn)換梁相交洞口兩邊撕裂較為嚴(yán)重，因此試件W9-7 破壞現(xiàn)象比試件W9-1 的更為集中，并且試件W9-7 在轉(zhuǎn)換梁的凈跨區(qū)段有兩條貫通的交叉斜裂縫，其轉(zhuǎn)換梁的剪切作用與試件W9-1相比亦有所不同。

3.3 P-Δ滯回曲線分析

圖2 W9-1、W9-7 轉(zhuǎn)換梁P-Δ 滯回曲線

兩個試件轉(zhuǎn)換梁端的P（荷載）-Δ（位移）曲線及骨架曲線如圖2、3 所示。W9-7 滯回曲線W9-1 相比，正向部分比較豐滿，反向部分較緊湊，正反向極限位移發(fā)展得比較對稱，曲線中間均無明顯捏縮。從圖3 中可看出，兩試件骨架曲線基本按原點(diǎn)對稱，W9-1 的極限位移比W9-7大，達(dá)到最高點(diǎn)荷載后，W9-1 下降段比W9-7陡。

圖3 W9-1、W9-7 轉(zhuǎn)換梁端P-Δ骨架曲線

3.4 剛度退化分析

將剛度隨位移角增大而衰減的實(shí)測數(shù)據(jù)處理后，可以得到試件 關(guān)系曲線（為轉(zhuǎn)換層側(cè)移剛度，為轉(zhuǎn)換層層間位移角）。從中可以看出：隨著層間位移角的增大，兩試件側(cè)移剛度逐步衰減，開始時側(cè)移剛度衰減速度快，之后衰減速度變緩。在加載初期W9-7 的側(cè)移剛度下降速度較快，最后兩試件的衰退曲線幾乎重合。

3.5 彈塑性變形及延性分析

試件各荷載點(diǎn)對應(yīng)的位移、延性系數(shù)如表1 所示。極限荷載點(diǎn)對應(yīng)的延性系數(shù)為 。從表中可看出，兩試件承載力極限位移延性系數(shù)如表1均不小于3.40，延性均較好。通過對兩試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)試件W9-7 的延性好于試件W9-1。

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說明：Py、△y 由骨架曲線按等效面積法確定。

4 結(jié)論

4.1 采用斜柱轉(zhuǎn)換的框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的屈服機(jī)制、破壞機(jī)制、延性性能和耗能能力。

4.2 在豎向和水平荷載共同作用下，試件W9-7 隨斜柱角度的變化，斜柱、框支柱和相連的轉(zhuǎn)換梁局部強(qiáng)度提高。因此在斜柱式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，建議根據(jù)上部剪力墻來設(shè)計(jì)斜柱的強(qiáng)度和傾角大小，以便轉(zhuǎn)換梁與剪力墻的協(xié)同工作。

4.3 斜柱式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中，斜柱不宜設(shè)計(jì)過強(qiáng)，以使轉(zhuǎn)換梁能先行出鉸，并開展均勻，斜柱、框支柱也能先后進(jìn)入塑性耗能，從而引導(dǎo)結(jié)構(gòu)形成一個良好的耗能機(jī)構(gòu)。

4.4 設(shè)計(jì)時適當(dāng)加強(qiáng)墻間轉(zhuǎn)換梁的延性設(shè)計(jì)，避免墻間轉(zhuǎn)換梁因塑性轉(zhuǎn)動能力過早耗盡而使整個結(jié)構(gòu)的后期強(qiáng)度、剛度顯著下降，從而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)延性的下降。

[1]唐興榮,何若全.高層建筑中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀和發(fā)展 [J].蘇州城建環(huán)保學(xué)院學(xué)報(bào),2001,14(3):1-8.

[2]李豪邦.高層建筑中結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的新形式－斜柱轉(zhuǎn)換[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1997,18(2):41-45.

[3]曹秀萍,馬耀庭.斜柱在深圳2000 大廈高位轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu).2002.8.P15-16