短肢剪力墻抗扭性能的試驗(yàn)研究

易祺 張敏

(廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006)

短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比為4～8的剪力墻［1］，短肢剪力墻的受力性能介于框架柱與剪力墻之間。不少學(xué)者［2-5］對(duì)短肢剪力墻的抗震能力進(jìn)行了研究，得出了許多有價(jià)值的結(jié)論:分析了墻肢高厚比對(duì)短肢墻結(jié)構(gòu)基本性能的影響規(guī)律，提出了抗震構(gòu)造措施的若干建議;分析了短肢剪力墻肢強(qiáng)系數(shù)、整體性系數(shù)、翼緣寬度、連梁配筋對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)彈塑性性能的影響，進(jìn)而通過(guò)提高短肢剪力墻延性來(lái)提高抗震性能等。

由于結(jié)構(gòu)布置很難做到完全對(duì)稱，地震作用下或多或少都存在扭轉(zhuǎn)，而短肢剪力墻相對(duì)厚度較小，長(zhǎng)度較短，故其抗扭轉(zhuǎn)性能就成為一個(gè)關(guān)注的問(wèn)題。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)依照規(guī)范［1，6］設(shè)計(jì)了 L形、T形短肢剪力墻試件各2個(gè)，試件厚度均為100 mm，試件高度均為1.5 m。試件墻體配置的箍筋為HPB300級(jí)，直徑4 mm;端部縱筋為HRB400級(jí)，直徑為12 mm;分布縱筋為HRB400級(jí)，直徑為8 mm。墻體兩端設(shè)計(jì)了2個(gè)400 mm×800 mm×1 500 mm的鋼筋混凝土支座(圖1)。

1.2 材性試驗(yàn)

混凝土采用柳州東方預(yù)拌混凝土有限公司生產(chǎn)的商品混凝土。普通施工方式澆筑，自然養(yǎng)護(hù)，混凝土澆筑時(shí)，做了2組混凝土立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊，每組3塊(共6塊)取平均值，見(jiàn)表1。

鋼筋采用柳州鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的熱軋帶肋鋼筋和光圓鋼筋，HRB400及HPB300各選取一組進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，見(jiàn)表2。

軸壓比取0.2，按照實(shí)測(cè)力學(xué)指標(biāo)和截面面積計(jì)算軸壓力:

表1 混凝土實(shí)測(cè)力學(xué)指標(biāo)

表2 鋼筋實(shí)測(cè)力學(xué)指標(biāo)

圖1 短肢剪力墻試件配筋(單位:mm)

1.3 加載設(shè)備

試件加載設(shè)備示意圖見(jiàn)圖2。試件底座用螺栓與地面錨固形成固定端，頂部與作動(dòng)器及剛性反力架連接，提供試驗(yàn)扭矩。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中豎向荷載由液壓穩(wěn)壓器控制的油壓千斤頂施加，所需穩(wěn)壓的荷載值事先標(biāo)定;水平荷載由MTS電液伺服系統(tǒng)控制、采集。

圖2 試件加載設(shè)備示意圖

1.4 測(cè)點(diǎn)布置及加載制度

測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖3所示，位移計(jì)分別布置在墻體翼緣兩端。測(cè)試內(nèi)容為試驗(yàn)過(guò)程中的軸向壓力和水平力的大小，通過(guò)頂部位移計(jì)和底部位移計(jì)的讀數(shù)計(jì)算相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角。

圖3 位移計(jì)布置示意圖

加載方式:構(gòu)件固定好后，將位移計(jì)安裝在預(yù)定位置，然后將位移計(jì)的引出線連接到電阻式應(yīng)變采集儀上，將采集儀全部初始化調(diào)零。先施加軸向壓力的20%，然后施加扭矩預(yù)估極限荷載的5%，檢查各試驗(yàn)儀器是否工作正常，直到滿足要求并保持恒定后卸載。再分兩級(jí)施加豎向軸壓力到設(shè)計(jì)值，每級(jí)取設(shè)計(jì)值的50%。分級(jí)施加水平扭矩:剛開(kāi)始每級(jí)取極限荷載的10%，施加3級(jí)，然后每級(jí)取極限荷載的5%施加往復(fù)緩慢加至構(gòu)件開(kāi)裂。當(dāng)構(gòu)件開(kāi)裂之后，繼續(xù)取極限荷載的10%施加至極限荷載或者位移計(jì)的最大位移超過(guò)一定值(如20 mm)。當(dāng)荷載無(wú)法繼續(xù)增加或者位移計(jì)最大位移的增量超過(guò)一定值(如20 mm)后，采用等幅位移控制加載。在隨后的加載過(guò)程中每級(jí)按位移計(jì)的位移增量△=10 mm進(jìn)行下去，直到承載力下降到極限承載力的80%時(shí)停止加載，認(rèn)為此時(shí)構(gòu)件已發(fā)生破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試件LW800試驗(yàn)現(xiàn)象如下:

當(dāng)T＜60 kN·m時(shí)，試件呈彈性狀態(tài)，沒(méi)有出現(xiàn)肉眼可識(shí)別裂縫;當(dāng)T=60 kN·m時(shí)，試件腹板出現(xiàn)首條裂縫，近似呈45°，基本位于腹板長(zhǎng)邊中點(diǎn)處;繼續(xù)增加，當(dāng)T=80 kN·m時(shí)，在初裂縫旁產(chǎn)生了一些細(xì)微裂縫，同時(shí)初裂縫增大;當(dāng)T增至100 kN·m時(shí)，出現(xiàn)較大位移，初裂縫持續(xù)增大并伴隨聲響，由于軸壓力的存在，試件并未破壞而能繼續(xù)承載，此時(shí)進(jìn)入屈服階段改用位移控制。當(dāng)扭轉(zhuǎn)角達(dá)到0.056 4時(shí)，結(jié)構(gòu)劇烈變形，混凝土斜向壓碎，此時(shí)初裂縫開(kāi)裂至8 mm，同時(shí)多處混凝土脫落，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞。試件破壞裂縫見(jiàn)圖4。

圖4 試件LW800破壞現(xiàn)象

其他試件試驗(yàn)現(xiàn)象類似。在試驗(yàn)中觀察T形，L形短肢剪力墻受扭破壞過(guò)程發(fā)現(xiàn)，短肢剪力墻的受扭腹板中部混凝土首先開(kāi)裂，裂縫沿其上部和下部向外側(cè)延伸，隨后翼緣頂面中部的混凝土開(kāi)裂，并向四周延伸，最后中部裂縫處鋼筋受拉屈服，某一端混凝土受壓而破裂。壓扭狀態(tài)下短肢剪力墻呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)型破壞，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮增強(qiáng)短肢剪力墻的抗扭性能。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理的T-θ曲線如圖5所示。

開(kāi)裂扭矩與極限扭矩以及相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。根據(jù)彈性力學(xué)有切應(yīng)力正應(yīng)力σ=由莫爾應(yīng)力原理，并考慮混凝土的塑性影響可以得到壓扭狀態(tài)開(kāi)裂扭矩計(jì)算公式:

表3 開(kāi)裂扭矩與極限扭矩以及相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角試驗(yàn)數(shù)據(jù)

式中:γ—塑性影響系數(shù)。

壓扭狀態(tài)下極限扭矩計(jì)算公式為:

短肢剪力墻扭轉(zhuǎn)理論值與試驗(yàn)值比較見(jiàn)表4。

圖5 試件T-θ曲線

表4 短肢剪力墻扭轉(zhuǎn)理論值與試驗(yàn)值比較 kN·m

現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算值偏小，結(jié)果趨于保守，無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)短肢剪力墻開(kāi)裂扭矩以及極限扭矩值。

同時(shí)無(wú)論是理論值還是試驗(yàn)值，延性系數(shù)μ均較小，說(shuō)明短肢剪力墻結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)延性較差，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)盡量避免短肢剪力墻結(jié)構(gòu)承受扭矩。

3 結(jié)論

通過(guò)分析軸壓比為0.2的壓扭狀態(tài)下L形、T形短肢剪力墻試件，得到以下結(jié)論:

(1)通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象分析可知，短肢剪力墻在壓扭狀態(tài)下呈扭轉(zhuǎn)型破壞;通過(guò)破壞形態(tài)分析可知，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭設(shè)計(jì)。

(2)短肢剪力墻抗扭延性較差，應(yīng)當(dāng)限制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。一方面應(yīng)當(dāng)避免結(jié)構(gòu)偏心過(guò)大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增大，即結(jié)構(gòu)布置盡量規(guī)則、對(duì)稱。另一方面應(yīng)控制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不應(yīng)太弱，應(yīng)控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一振動(dòng)周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比不應(yīng)過(guò)大［1］。

(3)通過(guò)對(duì)比現(xiàn)行規(guī)范推導(dǎo)的開(kāi)裂扭矩、極限扭矩計(jì)算公式與試驗(yàn)值，發(fā)現(xiàn)兩者有較大差距，說(shuō)明現(xiàn)行理論基礎(chǔ)仍不完善，并不能真實(shí)反映短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗扭能力。

(4)相同軸壓比時(shí)，構(gòu)件尺寸越大，則開(kāi)裂扭矩與極限扭矩也越大。

(5)短肢剪力墻通常處于壓、彎、剪、扭復(fù)合受力的情況，試驗(yàn)主要分析了壓扭狀態(tài)下的短肢剪力墻破壞形態(tài)，其余各種情況未進(jìn)行分析。

［1］建設(shè)部.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3-2010)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［2］程紹革，陳善陽(yáng)，劉經(jīng)偉.高層建筑短肢剪力墻結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究［J］.建筑科學(xué):2000，16(1):12-16.

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［6］建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50010-2010)［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

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