不同边缘构件约束剪力墙抗震性能试验研究

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。不同边缘构件约束剪力墙抗震性能试验研究不同边缘构件约束剪力墙抗震性能试验研究不同边缘构件约束剪力墙抗震性能试验研究第22卷第1期2006年2月结构工程师StructuralEngineersVo1.22.No.1Feb.2【xJ6不同边缘构件约束剪力墙抗震性能试验研究龚治国吕西林姬守中(1.同济大学,上海200092;2.林同炎李国豪土建-12程咨询有限公司,上海200092)提要针对剪力墙结构在实际应用过程采用不同边缘构件约束方式的特点,对一组1/4缩尺比例的三种不同边缘构件(暗柱,明柱,翼缘)的剪力

2、墙模型进行了低周反复水平荷栽作用试验研究.通过试验研究分析了不同形式边缘构件与墙体的共同工作性能,对比研究了不同边缘构件约束条件对中高剪力墙受力特点,破坏和耗能机理的影响,并从承载力,延性,恢复力特性和耗能能力等方面来综合评价三种不同边缘构件约束条件下剪力墙的抗震性能.研究结果表明,随着边缘构件约束作用的加强,剪力墙的平面外稳定性增强,剪力墙承载能力有一定的提高,但延性系数和耗能能力则相应有所降低.关键词不同边缘构件约束,剪力墙,抗震性能,破坏机理,伪静力试验ExperimentalStudyonSeismicBehaviorofR.C.ShearWallswithDifferentBound

3、aryRestraintsGONGZhiguoLUXilinJIShouzhong(TonalUniversity,Shanghai200092)AbstractTheuseofshearwallswithdifferentboundaryrestraintsisquitepopularinpractice,thusagroupof1/4SCalemodelofshearwallswiththreedifferentkindsofboundaryrestraints(embeddedcolumn,column,flange)aretestedunderlowfrequencycyclicand

4、reversedlateralloadsinthispaper.Theinteractingbehavioroftheboundarywiththeshearwallisstudied,alsothefailuremechanismandenergydissipationmechanismofmoderateandtallshearwallswithdifferentboundaryrestraintsarecompared.Moreovertheseismicbehaviorofshearwallswiththreekindsofboundaryrestraintsisevaluatedby

5、thecomparisonofloadresistantcapacity,ductility,restoringforcecharacteristicsaswellasenergydissipationcapacity.Theexperimentalresultsshowthatthestabilityofoutwall-planeisbecomingintensifiedandtheloadresistantcapacityoftheshearwallisenhanced,buttheductilityandenergydissipationcapacityaredecreasingwith

6、theincreasingoftheboundaryrestrainteffect.Keywordsdifferentboundaryrestraints.shearwall,seismicbehavior,failuremechanism,pseudostatictest1引言剪力墙结构是目前工业民用建筑中广泛使用的一种结构形式,众多学者对其抗震性能进行了大量的试验与模拟计算分析研究.在实际应用过程中,剪力墙两端往往会根据实际结构布置基金项目:国家自然科学基金项目(编号:50125801,50321803)情况采用边缘构件加强措施,以提高剪力墙的承载力,常见的形式有以下三种:增加钢筋布置形成

7、暗柱,增加边缘构件截面形成明柱和增加为翼缘.随着边缘构件约束作用的加强,会不同程度地提高剪力墙构件的抗弯和抗剪承载力,导致剪力墙屈服破坏形式的转变.因此,笔者在同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行了一组采用不同-试验研究-?57?结构工程师第22卷第1期边缘构件约束形式的剪力墙模型低周反复加载试验,以深入研究剪力墙在不同边缘构件约束情况下受力性能,探求不同边缘构件约束形式对剪力墙抗震性能的影响.2剪力墙低周反复水平加载试验剪力墙结构,取定4层作为分析对象.模型比例为1/4,墙体试件数量定为三个,分别带暗柱,明柱和翼缘,每层设暗梁和楼板,墙片的配筋完全相同,仅是边缘构件截面和配筋率不同,具体尺

8、寸和配筋见表1和图1.试件墙体各部位混凝土试块实测的力学性能2.1试件设计和制作指标的各项性能指标见表3.试验模型取自实际工程中常见的层高3m的裹1模型尺寸(mm)编号墙体高度墙体宽度墙体厚度梁断面柱断面每边楼板备注SWl750x4lO006060×l2O60x12O30xl8O暗柱SW2750×4lO0060.60xl2O120xl2O30xl8O明柱SW3750x4lO006060×l2O60x42030x18O翼缘注:墙体宽度分别包括暗柱,明柱或翼缘在内.-i-I坚L.I8h8卜.量量8卜.8h.15o0:,堋O.i蓥塞6蛆2zu141100.j2赳1o0.

9、50f.l.警I一一uuuuuuu1.tlO0一虽攀蔼表2混凝土力学性能(MPa)图1剪力墙模型尺寸和配筋示意图部位E第一层l7.7l5.41.67x104第二层13.8l2.81.62xl()4第三,四层14.1'12.31.67x104表3钢筋力学性能E,b型号yu(MPa)(MPa)(MPa)I.875x10sO.oo242452.9OO.0o725oo.821.235×lOO.oo365450.82O.O7092615.57血l22.065×10O.0ol8O371.680.1672524.34StructuralEngineersVo1.22,No.1?5

10、8?ExperimentStudy2.2加载制度和测试内容竖向压力由墙体顶面两个对称放置的倒立的千斤顶施加.为使墙体截面压力均匀,在墙体顶端设置了一加载梁.千斤顶通过滑轮与反力架连接,以减少摩擦力,并使墙顶能在水平力方向自由移动.在施加竖向压力时,保持严格对中,以防止墙体发生侧向偏心受压.水平荷载为墙顶单点加载,由Schenck机通过加载梁实施.为了防止墙体平面外失稳,在保持千斤顶严格对中的同时,在墙体二,四层中间部位的两侧分别用带滑轮的钢架夹住.试件安装如图2所示.图2模型安装囤为了保证试验时试件屈服所需的水平荷载在合理的范围内,SW1,SW2,SW3分别按轴压比0.25,0.2和0.1来确

11、定轴向压力的大小,由底层混凝土强度来计算,得出的轴向压力分别为220kN,180kN和l15kN.试验时,先在墙体顶部施加压力.按照建筑抗震试验方法规程(JGJ一96)的要求,先在墙体顶部施加大小为满载的40%竖向压力,重复加载23次,以消除试件内部组织不均匀性.然后轴向压力加至满载并在试验中保持不变.水平加载分两个阶段:第一阶段采用力控制,先单凋逐级加载至开裂,循环一次,以后各级荷载循环一次,直至屈服;第二阶段采用位移控制,分别按屈服时顶点位移的倍数逐级加载,每级循环三次,直至试件的承载力下降到极限承载力的85%为止.沿试件高度方向在各楼层处共布置5个位移计来测量水平位移,在底梁上表面墙两侧

12、根部测量垂直位移;应变片则用于测量墙板对角线方向上混凝土应变和柱子外侧钢筋(两边各选一根)底部的应变.力则由力传感器测取.通过这些传感器主要是为了获取以下测试内容:(1)在整个加载过程中钢筋和混凝土的应力应变分布规律和变化;(2)剪力墙的变形,裂缝出现及发展规律;(3)剪力墙的开裂荷载,屈服荷载,极限荷载及相应的变形,以及相应的骨架曲线;(4)模型结构的顶层侧移,剪切变形,各阶段的荷载及相应变形等.2.3试验破坏过程2.3.1SW1水平荷载P35kN时,P一骨架曲线上第一次出现明显的弯折,说明混凝土开裂,但这时现场观察并未发现裂缝.P-50kN时,首先在底部两侧(暗柱)出现可见水平弯曲裂缝;当

13、P60kN时,第一层墙板中部出现约45.的斜裂缝.以后每增加一级荷载,原有裂缝进一步发展,同时在原有裂缝附近出现新的较细小的裂缝.当水平力达到约80kN之后,P一骨架曲线的斜率第二次发生较明显的改变,标志着试件屈服.墙顶在屈服点的水平位移18ram.屈服后的加载改为位移控制.当位移加到一22ram时,在第三个循环中,墙体发生平面外失稳破坏,破坏发生在第二层下部五分之一层高处,试验停止.停止时底层破坏状态如图3所示.图3SWI底层最终破坏状惫除失稳破坏处外,没有混凝土压溃,但一层已有斜裂缝贯通,靠近对角线形成交叉裂缝.所有楼板上没有出现可见裂缝.将要出现可见裂缝时,试验过程伴随有混凝土的开裂响声

14、.2.3.2SW2P35kN时,P一骨架曲线上第一次出现明显的弯折,说明混凝土开裂,但这时并未出现可见裂缝.40kNP50kN时,才开始出现可见裂缝.首先在底部两侧的柱脚出现水平走向弯曲裂缝;随后第一层墙板的中问部位出现与对角线大?试验研究?59-结构工程师第22卷第1期致平行的裂缝.裂缝在水平荷载卸为零时可以闭合.以后每增加一级荷载,原有裂缝进一步发展,并在原有裂缝附近出现新的较细小的裂缝.当60kNP70kN时,第二层墙板中部出现约45.的斜裂缝.当70kNP8OkN时,第三层墙板中部出现与对角线走向一致的斜裂缝;同时,二,三层边柱上出现水平走向的裂缝;一层柱子上的水平裂缝在弯剪作用下,向

15、墙板发展,呈斜下方走向;根部的水平裂缝由两边向中间不断发展.此前的所有裂缝在水平力卸载为零时基本上都能闭合.当水平力达到约100kN之后,尸一骨架曲线的斜率第二次发生较明显的改变,标志着试件屈服,屈服时顶部水平位移一24mm.屈服后的加载改为位移控制.此后,早期出现的裂缝逐渐贯通成为主裂缝,新裂缝出现较少.水平力卸载为零时,主裂缝已经不能闭合,残余变形已经很大.一35ram时,水平力达到峰值:107kN(a)底层墙体(拉)一115kN(压).贯通的主裂缝,特别是一层下部的裂缝,开始有混凝土脱落.一层墙板沿着暗柱,暗梁的边缘出现几乎闭合的剪切破坏裂缝.此后,尸一骨架曲线进入下降段,但下降较缓慢.

16、-49mm时,柱子下部约五分之二层高范围内的混凝土基本被压溃,层高范围内横向裂缝密布,伴有不多的斜向裂缝;一层墙板的两边根部约三分之一宽范围内的混凝土被压溃,在几乎与对角线重合的位置形成两条呈"x"形的交叉主裂缝;二层墙板上,在对角线的下方形成两条呈倒"人"字形的交叉主裂缝,三层墙板上也形成类似的交叉主裂缝,但破坏程度要低很多.一49ram时,二层墙板上约五分之一层高处出现一条水平破坏痕迹,呈平面外弯曲失稳征兆;二,三层的位移计掉落.按位移幅值为49ram反复加载一周,随后试验停止.底层最终破坏时裂缝开展情形如图4所示.图4SW2底层最终破坏状态所有楼板

17、上没有出现可见裂缝.试验中将要出现可见裂缝时,开始有混凝土的开裂响声.此后,开裂声随着荷载的升级而渐渐增大.2.3.3SW3从P一曲线可以看出,P-40kN时,骨架曲线上出现第一个拐点,斜率发生较大的改变,说明.混凝土开裂.但直到P50kN时,才开始出现可见裂缝.首先在受拉一侧的翼缘底部出现第一条裂缝,走向为水平;几乎与此同时,第一,二层墙板的中间部位各出现一条与对角线大致平行的裂缝.裂缝在水平荷载卸为零时可以闭合.随后出现与另一对角线走向一致的斜裂缝.以后每增加一级荷载,原有裂缝进一步发展并在其裂缝附近出现新的较细小的裂缝.当P90kN时,第三层墙板中部出现约45.的斜裂缝.当P一110kN

18、时,第三层墙板中部出现与另一条对角线走向一致的斜裂缝;同时,二,三层翼缘上出现水平走向的裂缝,墙板底部的水平裂缝由两边向中间不断发展.(b)柱,墙根此前的所有裂缝在水平力卸载为零时基本上都能闭合.当水平力达到约120kN之后,P一骨架曲线的斜率第二次发生较明显的改变,标志着试件屈服.屈服时,顶部水平位移一25mm.屈服后,加载改为位移控制.此后,早期出现的裂缝逐渐贯通成为主裂缝,新裂缝出现较少.当30mm时,底部水平裂缝基本贯通.35mm时.一,二层墙板沿着暗柱,暗梁的边缘形成几乎闭合的剪切破坏裂缝.到此,当水平力卸载为零时,裂缝已经不能闭合,残余变形已经很大.40mm时,水平力达到峰值.贯通

19、的主裂缝.特别是一层下部的水平裂缝,开始有混凝土脱落.在同级荷载的后两个循环中,墙板与底梁之间出现可用裸眼观察到的剪切滑移.此后,P一曲线进入下降段.45mm时,翼缘在三层出现明显的裂缝,根部压溃.一50ram时,P一骨架曲线下降突然加速,墙板根部两边(暗柱)明显被压溃,墙板与底梁之间的剪切滑移变得十分明显;StructuralEngineersVo1.22,No.1?60?ExperimentStudy在第三个循环中,第三层的位移计掉落.一55mm时,翼缘下部开始出现屈曲,墙板的根部破坏严重;同时,在一层墙板上四分之一处,出现一(a)底层墙体条水平破坏痕迹,接近外边缘部分破坏较严重,可能是平

20、面外弯曲所致.试验停止.图5给出了底层墙体和翼缘最终破坏时的裂缝分布情况.图5SW3底层最终破坏状态所有楼板上没有出现可见裂缝.从P4OkN时,试验中伴随有混凝土的开裂响声,而且随着荷载的升级而渐渐增大.2.4试验结果分析(1)顶点水平荷载一位移滞回曲线和骨架曲线I.SW1.易-252015一l050510152O25位移(mm)9060壹.0瓣一30-60-90_.SW1/-一/.25201510-50510152025位移(mm)五I目i槔(b)翼缘根部图6和图7分别为三个剪力墙试件顶点水平力一位移滞回曲线和骨架曲线.SW1在接近屈服时发生平面外失稳,故其滞回曲线的骨架曲线只包括了上升段.

21、开裂之前骨架曲线几乎为直线,开裂后弯曲明显.卸载和反向加载曲线形成了很窄的梭形环,属于弯曲型滞回环._勃'_SW2/?位移(am)图6模型顶点荷载一位移滞回曲线-.厂-SW2I:/./,/位移(ram)图7模型顶点荷载一位移骨架曲线SW2滞回曲线的骨架曲线比较完整,包括了上升段和下降段,但下降段发展得不是很充分.开裂之前骨架曲线基本为直线,开裂后弯曲明显,峰点过后的下降段比较平缓,几乎为直线.峰点过后的滞回环已经呈现较明显的反"S"形,这说明发生了较大的剪切变形.SW3滞回曲线的骨架曲线包括了上升段和下降段.开裂之前骨架曲线基本为直线,开裂后弯曲明显,峰点过后,陡然

22、下降,这是发生剪切滑五一jIl;柱-rio一40-200204060位移(am)-.'SW3-:/',一.6O一40200204060位移(am)移的结果.屈服后,滞回环即呈现明显的反"s"形;峰点过后,滞回环呈现"z"形,这是典型的剪切滑移特征.(2)骨架曲线特征点的确定和比较骨架曲线各特征点见表4.开裂点和屈服点分别取骨架曲线上升段上第一,二次发生明显弯折的位置,峰点取骨架曲线上最高点,极限点取骨架曲线下降段与85%峰点力对应的点(如能下降到85%峰点力时)或最终点.?试验研究?61?结构工程师第22卷第1期由表4可以看出:从SW1到

23、SW3,虽然三剪力墙试件的初始轴压比由0.25逐步降低到0.1,但随着边缘构件约束作用的加强,剪力墙构件的各项承载力指标仍然均有一定程度的提高,以正向屈服荷载为例,SW2比SW1提高了27.7%,SW3比SW1则提高了61.5%.同时随着约束的加强,剪切变形的比重加大,剪力墙构件的位移延性系数则有所降低,SW3与SW2相比,正向与反向的延性系数分别下降了0.5和0.3.表4骨架曲线特征点及延性比较开裂点屈服点峰点极限点位移延性系数编号方向P(kN)(mm)P(kN)(mm)Pk(kN)ADk(mm)P(kN)A(film)/Ay正向34.13.780.1l7.882.121.OSWl反向32.

24、73.689.919.491.623.4正向42.74.8102.325.4107.034.8105.356.42.2SW2反向5O.67.1lO6.225.8l16+737.3101.955.42.1正向34.42.4129.426.6l37.O39.7l17.O46.21.7S反向29.O1.9125.926.2134.839.O115.O48.21.8(3)耗能能力评价试件的能量耗散能力常用等效粘滞阻尼系数大小h来判断结构在抗震中的耗能能力.等效粘滞阻尼系数的计算如图8和式(1)所示:Iarea(ABC)(1)A"一2仃rea(OBD)口A/o/cD./幽8按照式(1)计算三种不同边缘构件约束情形下剪力墙极限点滞回环的等效粘滞阻尼系数分别为0.0376,0.1541和0.1150.SW1采用暗柱形式边缘构件约束难于保证平面稳定而造成剪力墙的耗能性能不能充分开展,因此等效粘