型钢高强混凝土短肢剪力墙抗震性能试验研究

第40卷第8期建 筑 结 构2010年8月

型钢高强混凝土短肢剪力墙抗震性能试验研究

苗亚州, 陈宗平, 苏益声, 贾 波

1

2

2

3

*

(1广西大通建设监理有限责任公司,南宁530007;2广西大学土木建筑工程学院,

南宁530004;3广西建筑科学研究设计院,南宁530011)

[摘要] 为了揭示型钢高强混凝土(SRHC)短肢剪力墙的破坏机理和抗震性能,设计了6个SRHC短肢剪力墙试件,并进行低周反复加载试验。研究结果表明:型钢高强混凝土短肢剪力墙根据剪跨比的不同有剪切斜压破坏和弯曲 剪切破坏两种破坏形态,承载能力高,刚度稳定性好,极限转角大于1 100,滞回曲线呈梭形,位移延性较差,抗震耗能性能比普通型钢混凝土构件的差,与普通钢筋混凝土构件相当。[关键词] 高强混凝土;型钢混凝土(SRC);短肢剪力墙;抗震性能

Experimentalstudyonseismicbehaviorofsteelreinforcedhighstrengthconcreteshortpiershearwall

1223

MiaoYazhou,ChenZongping,SuYisheng,JiaBo

(1GuangxiDatongConstructionSupervisionCo.,Ltd.,Nanning530007,China;2CollegeofCivilEng.&Arch.,GuangxiUniversity,Nanning530004,China;3GuangxiArchitecturalResearchandDesignInstitute,Nanning530011,China)Abstract:Inordertorevealtheseismicbehaviorofsteelreinforcedhighstrengthconcrete(SRHC)shortpiershearwall,6specimensweredesignedforlowcyclicreversedloadingtest.Throughthetest,thefailurepatternsandbearingcapacityareobtained.Experimentalstudyresultsshowthatthemajorfailuremodesofsteelreinforcedhighstrengthconcreteshortpiershearwallaresheardiagonalcompressionfailureandbending shearfailure.SRHChaslargebearingcapacity,stiffnessandultimaterotationcapacity,butthedisplacementductilityandexcellentseismicenergydissipationperformancearelessthanthenormalsteelreinforcedconcrete.

Keywords:highstrengthconcrete;steelreinforcedconcrete(SRC);shortpiershearwall;seismicbehavior

0 引言

随着社会的发展,建造层数更多、更高的短肢剪力

所示,试件的具体设计参数见表1。

试件设计参数

试件

号TW 1TW 2TW 3TW 4TW 5TW 6

肢高厚比5 05 06 56 58 08 0

轴压比n0 20 20 20 30 20 2

剪跨比 2 01 51 51 51 51 5

ss %6 676 676 166 165 805 80

s %1 0481 0481 0481 0481 0481 048

sv %0 8460 8460 8370 8370 7791 286

表1

swfcu % MPa3 91576 03 82184 44 02280 84 02282 44 10380 04 10381 4

墙结构也成为一种需求。因此,提高短肢剪力墙结构的承载能力和抗震性能已成为一个有意义的研究课题。采用高强混凝土能有效提高构件的承载能力,但高强混凝土的延性差。型钢高强混凝土短肢剪力墙(简称SRHC短肢剪力墙)一方面能利用高强混凝土提高承载能力,另一方面可利用型钢混凝土的良好抗震性能克服高强混凝土延性差的缺点,期待得到一种既能做到承载力高、抗震性能好,同时也能做到施工方便的新型短肢剪力墙。

针对上述情况,设计了6个配T形钢桁架的型钢高强混凝土短肢墙体试件进行低周反复加载试验,以揭示其破坏机理和抗震性能。1

试件简介

设计了6个对称的T形截面短肢剪力墙试件,设计变化参数有肢厚比、剪跨比、轴压比及配箍率。试件以肢厚为240mm的T形短肢剪力墙为模型,按1 3缩尺比制作,截面中配T型钢桁架,试件截面形式如图11 1试件设计

注:轴压比n=N fcA,N为轴向压力,A为截面面积;剪跨比 =L h,L为试件高度,h为截面高度; ss为纵向型钢含钢率, s为纵筋配筋率, sv为体积配箍率, sw为腹杆配钢率(包括水平腹杆和斜腹杆的体积配钢率);fcu为混凝土立方体抗压强度实测值。

1 2试验材料

混凝土按C70配制,每m3混凝土的计算配合比见表2。所用材料为南宁产 海螺牌 P O42 5水泥、石灰石碎石、中砂和城市自来水,广州西卡建筑材料有限公司产的 ViscoCrete3310C NNZT 缓凝型高效减水剂,广西柳州台泥新型建材有限公司生产的S95级矿渣粉及

*国家自然科学基金(50968003)。

作者简介:苗亚州(1957 ),男,海伦县人,高级工程师,总工,国家注册监理工程师,Email:13807803722@。

99

破坏。

(1)剪切斜压破坏。剪跨比小( =1 5)的试件(TW 2~TW 6)发生剪切斜压破坏。其破坏过程为试件首先在剪力墙的根部附近出现腹部的斜裂缝,随着荷载的增加,斜裂缝越来越多,互相交叉形成若干个菱形块,并且出现几条主斜裂缝,最后,腹部的混凝土压碎破坏,见图3。

(2)弯曲 剪切破坏。剪跨比大( =2)的试件(TW 1)发生弯曲 剪切破坏。其破坏过程为试件首先在根部出现水平裂缝,此后出现腹部斜裂缝,随着荷载的继续增加,斜裂缝明显比水平裂缝发展迅速,并形成几条主斜裂缝,混凝土菱形块被压碎破坏,如图3所示。

图1 试件的截面及配钢形式

南宁民瑞建材科技有限责任公司生产的硅灰。每个试件在浇筑混凝土时,均预留混凝土试块,并且与试件同条件养护。混凝土试块实测立方体强度见表1。按标准材性试验方法测试钢材的强度,结果见表3。

混凝土的配合比 kg m3

水145 00

水泥377 00

细骨料

粗骨料

矿粉

硅粉58 00

516 001204 00145 00

表2

11 28

钢材的材料力学性能

钢材规格

厚8mm扁钢厚14mm扁钢88#冷拔铁丝

屈服强度

fy MPa314 1282 4361 9-屈服应变

!169313621491-

表3

极限强度弹性模量

fu MPa !105MPa457 5433 6538 5427 7

1 8552 0732 427-图3 试件的破坏形态

2 2滞回曲线

荷载 位移滞回曲线是构件抗震性能的综合体现,各试件试验实测的滞回曲线如图4所示。图中P, 分别为试件顶部水平荷载和水平位移。由图可见:配空腹型钢的型钢高强混凝土短肢剪力墙的滞回曲线基本呈梭形,与以往实腹式配钢的型钢混凝土构件[3,4]滞回曲线呈弓形相比,滞回环包围的面积小;配空腹型钢的型钢高强混凝土短肢剪力墙在最大荷载后,曲线下降比较陡峭,强度降低较快,试件的延性较差。

2 3骨架曲线

各试件的骨架曲线如图5所示。由图可见,随着肢高厚比的增加,短肢剪力墙承载力有所增加,剪跨比小的构件承载力较高,但是其延性比剪跨比大的试件要差,配箍率大的试件承载力稍大于配箍率小的试件。2 4承载力和位移延性

试验所得各试件的承载力、侧移刚度和延性系数汇总于表4中。由表中数据可见:

1 3加载装置及加载制度

采用 悬臂柱 式加载装置对试件施加低周反复荷载,如图2所示。试验时先在试件的顶部由油压千斤顶施加竖向荷载至指定值,并在试验过程中保持恒定。水平荷载采用荷载和位移混合控制方法。在试件达到屈服荷载前,采用荷载增量控制,20kN为一级增量,每级荷载循环一次。试件屈服后,按等值位移控制,以屈服时水平位移的倍数逐级增加,每一级位移下循环三次,直到试件破坏,试验停止。试验中沿腹板方向施

加低周反复荷载。2

试验结果及分析低周反复荷载作用下型钢高强混凝土短肢剪力墙的破坏形态大致可分为剪切斜压破坏和弯曲 剪切

图2 试验加载装置

2 1试件的破坏形态

(1)配空腹型钢的型钢高强混凝土短肢剪力墙的

编号

载向Pcr向42 4向172 4TW 2

向60 5向130 9TW 3

向90 7向170 8TW 4

向132 8向271 4TW 5

向32 2向120 1TW 6

向60 1向130 1

试件实测各阶段荷载、位移和延性系数

开裂点 cr

cr L

Py

屈服点 y

y L

Pm

峰值点 m9 24

m L1 861 731 871 811 681 83

Pu393 1

极限点 u9 53

表4

=

u L u y1 841 721 851 681 681 821 98

2 363 882 182 412

554 191 23

TW 1

0 791 1333330 24 432 301 476

300 44 06

1 183463 5

1 233457 7 861 157545 11 161546 8

6 827 40

388 211 06463 7461 5

7 078 80

0 631 1333428 83 381 761 458

353 63 46

1 281 1238424 64 151 921 4591 491 7503 021 298

242 32 39633 96 58357 73 33

1 169637 1 351 316632 81 119658 81 202522 91 153724 81 200664 8

9 347 506 009 477 99

546 511 47528 5

9 437 916 28

1 104549 91 130444 8

1 1242 171 93

1 62

0 551 1811602 25 821 871 1000462 74 290 821 2286542 94 551 861 686

397 83 93

1 101610 110 331 120564 21 921 99

9 56

1 1002 161 911 96

2 082 51

1 179804 1 341 205668 9

9 61

686 110 59566 910 02

注:表中Pcr为开裂荷载,Py为屈服荷载,Pm为峰值荷载,Pu为极限荷载(取峰值荷载下降到85%时对应的值),单位kN; cr, y, m, u分别为与其对应的位移值,单位mm; 为延性系数。

甚至达到0 98,说明SRHC短肢剪力墙从开裂到屈服

图4 各试件的滞回曲线

的过程中,刚度退化得很慢;3)轴压比较大试件的初始刚度比轴压比较小试件的初始刚度有所提高,而开裂刚度和屈服刚度非常接近。

试验各阶段刚度实测值及其衰减系数

试件编号K0 kN mmKc kN mmKy kN mm

#c0#y0#yc

TW 1122 6194 1076 780 770 630 82

TW 2162 73107 11103 670 660 640 97

TW 3168 44112 8098 190 670 580 87

TW 4185 71110 1398 680 590 530 90

TW 5140 21105 38102 200 750 730 97

位移延性系数较小,大部分试件 <3,明显小于以往普通强度型钢混凝土构件的位移延性。

(2)配空腹型钢的型钢高强混凝土短肢剪力墙的极限侧移角绝大多数超过了1 100,基本能够满足现行抗震规范规定的在大震(罕遇烈度地震)作用下,剪力墙结构的非弹性变形要小于1 100容许极限侧移角限值以防止结构倒塌的要求

[5]

表5

TW 6180 85106 47104 770 590 580 98

,可见型钢高强混凝土短

肢剪力墙具有一定的抗倒塌能力。

注:K0为试件初始弹性刚度,Kc为试件开裂割线刚度,Ky为试件明显屈服割线刚度;#c0=Kc K0,表示从初始弹性到开裂过程中刚度的衰减;#y0=Ky K0,表示从初始弹性到明显屈服过程中刚度的衰减;#yc=Ky Kc,表示从开裂到屈服过程中刚度的衰减。

以无量纲#=K Ky, = y为变量作出各试件的刚度退化曲线,见图6,可见,在 =3时,所有试件的刚度大于30%,绝大部分试件在 =4时,刚度依然大

图5 试件的骨架曲线

于30%。表明型钢高强混凝土短肢剪力墙具有较好的抗侧刚度稳定性。

2 5刚度

试件在反复荷载作用下,刚度可以用割线刚度来表示。割线刚度按下式计算:

K=

|+P|+|-P|

|+ i|+|- i|

(1)

式中Pi为第i次峰点荷载值, i为第i次峰点位移值。

根据试件各阶段的实测数据,利用式(1)计算,结果如表5所示。由表5可见:1)相同墙体肢长厚比的型钢高强混凝土短肢剪力墙的开裂刚度和屈服刚度非常接近;2)6个试件的#yc值都比较大,都在0 8以上,

图6 试件的刚度退化曲线

101

2 6耗能性能

耗能能力是构件抗震性能好坏的一个重要指标,它以荷载 变形滞回曲线所包围的面积来衡量,通常用等效粘滞阻尼系数he表示[4]:

he=

式中,S(ABC+

CDA)

3 结论

通过6个空腹型钢的型钢高强混凝土短肢剪力墙的低周反复加载试验和综合分析,可得出下述结论:

(1)根据剪跨比的不同,空腹型钢高强混凝土短肢剪力墙在低周反复荷载作用下主要发生剪切斜压破坏和弯曲 剪切破坏两种破坏形态。

(2)配空腹型钢的型钢高强混凝土短肢剪力墙的滞回曲线呈梭形;位移延性系数较小( <3),但极限侧移角绝大多数大于1 100,基本能够满足现行抗震规范规定要求,具有一定的抗倒塌能力。

(3)型钢高强混凝土短肢剪力墙从开裂到屈服的过程中,刚度退化得很慢,并且具有较好的抗侧刚度稳定性。

S(ABC+CDA)

2%S(OBE+ODF)

(

1)

为滞回环

面积,S(OBE+ODF)为滞回环上下顶点对应三角形面积,如图7虚线所示。表6给出了试件在各

级位移下第一循环时的等效粘滞阻尼系数。由表6可见,型钢高强混凝土短肢

图7 P 滞回环曲线

(4)空腹型钢高强混凝土短肢剪力墙的耗能能力与普通钢筋混凝土构件的相当,比普通强度型钢混凝土构件的差。

参

考

文

献

剪力墙破坏时的he值大致在0 1~0 2之间,而普通钢筋混凝土构件he也大致在0 1~0 2之间的型钢混凝土构件(he值达到0 4以上)0 2)

[5]

[3]

[7]

,可见

两者耗能能力相当,但明显小于普通混凝土实腹配钢

,也小于普

通混凝土型钢混凝土异形柱的耗能能力(he值大于

。可见随着混凝土强度等级的提高,构件的耗能能力变差,特别是空腹式配钢的高强度混凝土构件,抗震耗能能力并不比普通钢筋混凝土构件的优越。

型钢高强混凝土短肢剪力墙的he值

试件编号TW 1TW 2TW 3TW 4TW 5TW 6

1 y0 0050 0040 0210 0140 0080 005

2 y0 1440 0110 0470 0240 0020 011

3 y0 1890 0210 0420 2110 0230 017

4 y-0 0520 183-0 18230 132

-0 0920 201-0 1860 137

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表6

5 y

(上接第123页)

(5)工期同钢结构或传统的预制装配整体叠合式楼盖,比现浇楼盖结构现场施工的工期短。

志谢:杜拱辰教授在方案研究中作出了重要贡献。

参

考

文

献

[7][8][9][10][11][12][13][14][15][16]

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