冷弯薄壁型钢混凝土剪力墙抗震性能研究

冷弯薄壁型钢混凝土剪力墙抗震性能研究

0钢筋混凝土剪力墙受剪承载力的计算公式冷弯肌肌腱墙（以下简称tsrc墙）将冷弯曲肌肌腱作为垂直钢，并配置新的水平钢筋或钢带的混凝土墙（图1）。冷弯薄壁型钢混凝土剪力墙结构体系适用于半装配式住宅结构,具有适合工厂化生产和机械化施工,施工速度快,节省资源和能源等优点。CTSRC剪力墙的受力特性与传统剪力墙有较大区别,在水平地震作用下经历整截面墙体受力和分缝墙体受力两个阶段。目前确定钢筋混凝土剪力墙受剪承载力的计算公式主要有两种方法:一种是依据试验结果得到的经验公式,一种是基于受剪力学机制得到的分析模型。各国规范中计算剪力墙受剪承载力的公式大多基于第一种方法,如中国规范、美国规范等。CTSRC剪力墙具有独特的受力性能和破坏特征,传统剪力墙的试验结果无法参考,且现有的计算理论和计算方法不能反映其受力机理。本文组合应用钢筋混凝土剪力墙的软化拉压杆模型与混凝土界面直剪受力的软化拉压杆模型,考虑竖向裂缝处短细斜裂缝间混凝土破坏引起的竖向裂缝两侧混凝土的滑移,建立了反映CTSRC剪力墙受力机理的受剪承载力分析模型,并对比试验结果验证其合理性。1反复水平荷载作用下的ctsrc剪力墙文献通过拟静力试验,研究了12个剪跨比小于2.0的CTSRC剪力墙受剪性能,结果表明,CTSRC剪力墙的受力破坏过程分为两个阶段:①在峰值荷载前,CTSRC剪力墙的受力性能与整截面钢筋混凝土墙相似,但会出现由细微斜裂缝组成、沿竖向钢骨发展的裂缝带,如图2a所示;由于裂缝带两侧混凝土的竖向相对变形很微小(图3a),墙体呈整截面受力状态;竖向裂缝带避免了墙体出现对角斜裂缝,从而防止了脆性剪切破坏。②在峰值荷载时,竖向裂缝带两侧的混凝土竖向和水平相对变形突然增大(图3);随着墙体位移角的增大,竖向裂缝逐渐贯通,CTSRC剪力墙由整截面墙逐渐转变为多个大高宽比墙柱组成的分缝剪力墙,如图2b所示,最终破坏模式为竖向裂缝分割的一系列墙柱弯剪破坏,如图2c所示。CTSRC剪力墙在反复水平荷载作用下的典型骨架曲线如图4所示。A点为峰值荷载点,峰值荷载前OA段墙体处于整截面墙受力阶段,AB段对应墙体由整截面墙转变为分缝墙的阶段,BC段为分缝墙的受力阶段。因此,CTSRC剪力墙的受力过程和破坏模式与传统钢筋混凝土剪力墙(以下简称为RC剪力墙)或型钢混凝土剪力墙显著不同。CTSRC剪力墙峰值点后的变形能力较RC剪力墙显著增大,抗震能力提高;同时,峰值点后CTSRC剪力墙的竖向承载能力没有明显降低,抗倒塌能力较强。已有试验研究表明,达到峰值荷载时CTSRC剪力墙的竖向裂缝带两侧的混凝土发生错动,因此,以这个关键受力状态作为承载力计算分析的依据。2软化拉压杆模型拉压杆模型分析钢筋混凝土结构中不符合平截面假定的区域具有很好的精度,已成为美国规范和欧洲规范推荐使用的分析模型,但拉压杆模型仅满足力平衡条件。Hwang等在其基础上发展了软化拉压杆模型,该模型满足平衡条件、变形协调和物理方程,用于分析RC剪力墙的受剪承载力获得了较好的效果;同时用于分析混凝土界面直剪承载力,以及梁、柱节点强度、深梁抗剪强度等,可获得较为理想的结果。本文在已有的软化拉压杆模型基础上,提出针对CTSRC剪力墙的拉压杆-滑移模型,用于计算剪跨比小于2.0的CTSRC剪力墙的受剪承载力。2.1节点区变形参数采用软化拉压杆模型分析剪跨比小于2.0的RC剪力墙受剪承载力的原理如图5所示。图5a中的阴影部分为RC剪力墙在水平荷载作用下的压应力流区,图5b为拉压杆桁架模型:由主对角混凝土压杆(AB)、水平钢筋和竖向钢筋形成的拉杆(EE′和FF′)以及拉杆带动的混凝土次压杆(AE′、BE、AF′、BF)共同组成。传力机制包括对角传力机制(图5c)、水平传力机制(图5d)和垂直传力机制(图5e)。对角传力机制为一单独的对角混凝土压杆;水平传力机制包含一个水平拉杆和二个压杆,水平拉杆由墙体内的水平分布钢筋组成,并假定墙体中部有一半的水平分布钢筋被充分利用,其余的水平分布钢筋仅发挥50%的作用,若水平分布钢筋均匀布置,则水平拉杆为水平分布钢筋总量的75%;垂直传力机制中包含一个垂直拉杆和二个压杆,垂直拉杆由墙体内的竖向钢筋组成,仅考虑墙中央0.8lw范围内的竖向钢筋。在图5b中,桁架所受外力包括Vwh、Vwv和Cd,垂直剪力Vwv由拉力T或者外加轴力提供。由图5b的平衡关系可得:Vwh=Cdcosθ(1a)Vwv=Cdsinθ(1b)VwvVwh=Ηlh=tanθ(1c)Vwh=Cdcosθ(1a)Vwv=Cdsinθ(1b)VwvVwh=Hlh=tanθ(1c)式中,θ为对角压杆AB与水平轴的夹角。水平剪力由对角、水平和垂直传力机制共同抵抗,则:Vwh=-Dcosθ+Fh+Fvcotθ(2)Vwh=−Dcosθ+Fh+Fvcotθ(2)其中,D为对角压杆压力,Fh为水平拉杆拉力,Fv为垂直拉杆拉力,均以拉力为正。水平剪力在三个传力机制中的分配比例为:-Dcosθ∶Fh∶Fvcotθ=Rd∶Rh∶Rv(3)其中,Rd、Rh、Rv分别为斜向、水平和竖向传力机制传递的水平剪力的比值。Rd=(1-γh)(1-γv)1-γhγv(4a)Rh=γh(1-γv)1-γhγv(4b)Rv=γv(1-γh)1-γhγv(4c)式中:γh为垂直机制不参与受力时,水平拉杆所分配的水平剪力比例;γv为水平机制不参与受力时,垂直拉杆所分配的水平剪力比例。γh=2tanθ-13(0≤γh≤1)(5a)γv=2cotθ-13(0≤γv≤1)(5b)软化拉压杆模型的破坏准则为对角压杆、次压杆在节点上的合力超过节点处混凝土的抗压强度。压杆在节点区产生的最大压应力为:σdmax=1Astr{D-cos[θ-tan-1(Η2lh)]cos[tan-1(Η2lh)]Fh-cos[tan-1(2Ηlh)-θ]sin[tan-1(2Ηlh)]Fv}(6)式中,Astr为对角压杆的有效截面积,Astr=awb,aw为墙体受压区高度,可取墙体受弯分析得到的受压区高度,也可按式(7)Pauly建议的近似公式估算。aw=[0.25+0.85ΝAwf´c]h(7)式中:b和h分别是剪力墙截面宽度和高度;N为墙体所受轴力;Aw为墙体截面积;f′c为混凝土圆柱体轴心抗压强度。当σdmax=-ζf′c时,剪力墙达到承载力,ζ为混凝土的软化系数,考虑混凝土开裂后的软化现象,由式(8)确定。ζ=5.8√f´c1√1+400εr≤0.9√1+400εr(8)式中,εr为主轴拉应变。对于整个墙体的平均应变,软化拉压杆模型满足变形协调条件,即墙体达到对角抗压强度时,墙体水平应变εh、竖向应变εv、主轴压应变εd和拉应变εr满足:εd+εr=εh+εv(9)墙体水平应变εh和竖向应变εv可由拉杆拉力求得:Fh=AshEsεh≤Fyh(10a)Fv=AsvEsεv≤Fyv(10b)式中:Fyh和Fyv分别为水平拉杆和竖向拉杆的屈服力;εh和εv的上限分别设定为水平和竖向分布钢筋的屈服应变εyh和εyv,如果没有配置水平或竖向分布钢筋,则分别设定εh或εv的上限值为0.002。2.2混凝土界面直剪承载力的数值模型如图6所示混凝土界面直剪受力情况,一般发生界面斜裂缝间混凝土压溃破坏,文献给出了采用软化拉压杆模型计算混凝土界面直剪承载力的方法。由于平行于剪切面的钢筋对剪切强度基本没有影响,仅垂直于剪切面的钢筋发挥作用,因此混凝土界面的软化拉压杆模型不包括水平传力机制,只有对角和垂直传力机制,如图7所示。采用式(1)～(10),可以计算得到混凝土界面直剪承载力。2.3astro角压杆指标为了方便使用,Hwang等将软化拉压杆模型进一步简化,得到该模型的简化算法。简化算法的计算结果与理论算法非常接近,并偏于保守。下面以RC剪力墙为例描述简化算法的过程。RC剪力墙的抗剪强度取决于对角压杆与节点交接处混凝土的受压承载力。剪力墙的对角抗压强度Cd,n定义为:Cd,n=Κζf´cAstr(11)式中:K为拉压杆指标;Astr为对角压杆的有效截面积。则剪力墙的承载力为:Vu=Cd,ncosθ=Κζf´cAstrcosθ(12)简化计算时,混凝土软化系数可根据水平和垂直方向应变εh和εv为0.002,混凝土主轴压应变为εd为0.001,由式(9)得到其主轴拉应变εr=0.005,代入式(8),得到软化系数为:ζ=3.35√f´c≤0.52(13)拉压杆指标K反映剪力墙内力传递路径的多少,即:Κ=Κh+Κv-1(14)式中,Kh和Kv分别为水平和垂直拉杆指标,定义如下:Κh=1+(ˉΚh-1)FyhˉFh≤ˉΚh(15a)Κv=1+(ˉΚv-1)FyvˉFv≤ˉΚv(15b)式中,ˉΚh和ˉΚv分别为弹性水平拉杆和弹性垂直拉杆指标,定义为:ˉΚh=11-0.2(γh+γ2h)(16a)ˉΚv=11-0.2(γv+γ2v)(16b)ˉFh和ˉFv分别为水平拉杆和垂直拉杆的平衡拉力值,表示当拉杆屈服时混凝土压杆同时达到抗压强度的平衡拉杆力,定义为:ˉFh=γhˉΚhζf´cAstrcosθ(17a)ˉFv=γvˉΚvζf´cAstrsinθ(17b)2.4拉压杆-滑移模型的简化组合CTSRC剪力墙在水平荷载作用下,沿冷弯薄壁型钢的宏观竖向裂缝处的短细斜裂缝把混凝土分割成许多小的斜向短柱(图8),在峰值荷载时宏观竖向裂缝两侧混凝土发生竖向滑移,斜向短柱在斜向压力作用下,表面混凝土逐渐突起、掉渣,进而压溃破坏(图9)。基于这种受力特点,本文将钢筋混凝土剪力墙的软化拉压杆模型与混凝土界面直剪受力的软化拉压杆模型相结合,建立反映CTSRC剪力墙受力机理的分析模型;分析模型考虑竖向裂缝处短细斜裂缝间混凝土破坏引起的竖向裂缝两侧混凝土的滑移,称为“拉压杆-滑移模型”(softenedstrut-and-slipmodel),用于计算剪跨比小于2.0的CTSRC剪力墙的受剪承载力。拉压杆-滑移模型的传力机制如图10所示,其整体受力模型为前述软化拉压杆模型。由于墙板中宏观竖向裂缝处短细斜裂缝间混凝土会压溃破坏(图10a),故将模型中的对角压杆简化为图10b带剪切滑移界面的混凝土压杆。斜压杆压力D的水平和竖向分力分别为Dh、Dv,平行于冷弯薄壁型钢的分力Dv会引起滑移面的剪切破坏。采用拉压杆-滑移模型计算CTSRC剪力墙的受剪承载力分为两步:首先由软化拉压杆模型计算整截面墙混凝土压杆的压力和截面积,确定压杆上宏观竖向裂缝处的剪切面面积和受力;然后采用软化拉压杆模型计算宏观竖向裂缝处剪切面的受剪承载力,并据此确定墙体受剪承载力。在计算宏观竖向裂缝处剪切面的受剪承载力时,水平拉杆拉力(平行于滑移面)为0,软化拉压杆模型只包括对角和垂直传力机制。垂直拉杆拉力由混凝土压杆范围内的墙体的水平分布钢筋提供。根据试验观察结果,竖向裂缝处的短细斜裂缝倾角与墙体斜裂缝倾角基本相同,因此假定剪切面斜裂缝方向与整截面墙混凝土压杆方向相同。冷弯薄壁型钢腹板将竖向裂缝处的混凝土分隔开,因此计算竖向裂缝处剪切面的受剪承载力时,受力面积不包括冷弯薄壁型钢腹板钢材与混凝土的接触面积。冷弯薄壁型钢腹板与混凝土接触面会产生摩擦力抵抗滑移。根据表面锈蚀程度不同,钢板与混凝土间的摩擦系数的变化范围为0.20～0.60,其中无锈钢材表面与混凝土的摩擦系数约为0.20～0.25,本文中取为0.20。如果冷弯薄壁型钢对墙体混凝土截面的削弱作用较小,或者墙体剪跨比、水平分布钢筋配筋率发生变化,峰值荷载时CTSRC剪力墙宏观竖向裂缝处混凝土可能不发生破坏,采用软化拉压杆模型计算的整截面墙的受剪承载力会小于拉压杆-滑移模型的计算结果,此时取较小的计算结果作为CTSRC剪力墙的受剪承载力。拉压杆-滑移模型计算CTSRC剪力墙受剪承载力的流程如下:(1)设定计算起始承载力值V1,采用软化拉压杆模型计算整截面墙混凝土压杆压力D和截面积;(2)计算压杆压力D在剪切面上的水平和竖向分力Dh和Dv(图10);(3)按照软化拉压杆模型计算剪切面是否达到受剪承载力,如果剪切面没有达到受剪承载力,则V1=V1+ΔV1,转到步骤(1)继续计算,否则输出结果;(4)计算剪切面上型钢腹板与混凝土间的摩擦力,得到克服摩擦力所需的墙体水平作用力V2;(5)计算CTSRC剪力墙沿竖向裂缝发生滑移时的受剪承载力Vwh2;(6)计算无竖向滑移面的整截面墙的受剪承载力Vwh1;(7)取步骤(5)和(6)的较小值作为CTSRC剪力墙受剪承载力计算值。3拉压杆-滑移模型的受剪承载力本课题组进行了15片CTSRC剪力墙受力性能试验,其中12片发生剪切破坏;试件的参数、承载力试验值和采用拉压杆-滑移模型的计算值见表1。由于W4-W1R1为斜拉破坏,所以表1中列出11个墙体的信息,软化拉压杆模型采用简化算法计算。图11显示了试验值和计算值的比较。由表1和图11可知,试件的承载力试验值与本文建议的模型计算值的比值的平均数为1.068,标准差为0.083,说明拉压杆-滑移模型能够较为准确地评估CTSRC剪力墙的受剪承载力。除W2-W0R1外,其余墙体的承载力试验值都大于计算值,表明采用拉压杆-滑移模型计算配有水平分布钢筋的CTSRC剪力墙承载力计算结果偏于保守。表1中的W3-