劉玲華 周雪峰 張 玉
短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是我國近年來興起的一種新型的抗側(cè)力構(gòu)件,它既保留了異形柱不凸出墻面的優(yōu)點(diǎn)又克服了異形柱框架抗震性能不理想等缺點(diǎn),且有較大的門窗洞口,可以更好的滿足住宅建筑的采光與通風(fēng)要求,耗材少,經(jīng)濟(jì)性好,因此在高層住宅結(jié)構(gòu)中得到了日益廣泛的應(yīng)用,建設(shè)部已將其列為一種新型的住宅體系加以推廣。然而由于這種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的比較晚,目前國內(nèi)外對它的研究非常少,其設(shè)計(jì)方法多為基于承載力的抗側(cè)力設(shè)計(jì)。震害和試驗(yàn)研究表明,建筑結(jié)構(gòu)的倒塌,主要是由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耗能能力和塑性變形能力小于所需要的能力,而基于承載力的設(shè)計(jì)并不能保證剪力墻達(dá)到預(yù)期的塑性變形或延性要求。因此,如何提高短肢墻的延性,增強(qiáng)其耗能能力就成了建筑結(jié)構(gòu)中急需解決的問題。
在實(shí)際工程中要使連梁設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)剪弱彎的原則,設(shè)計(jì)出延性較好的連梁可以考慮以下幾個(gè)方面:
1)控制連梁的跨高比(以T形截面墻肢為例)。
表1 連梁跨高比對T形試件延性性能的影響
從表 1中可以看到:在連梁跨高比增長過程中,試件延性比變化幅度很大。延性比上升達(dá)到峰值后,快速下降。這說明選擇一個(gè)合理的跨高比對結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性都是重要的,分析可知連梁并不是越剛越好,連梁剛度大反而影響墻肢的延性性能,連梁剛度太小時(shí),極限荷載和延性比都減小,墻肢抵抗變形的能力差。
2)交叉斜撐配筋。交叉斜撐配筋連梁的延性很好,它是由新西蘭坎特伯雷大學(xué)T.Pau lay教授提出,經(jīng)過多次試驗(yàn),并在工程中已經(jīng)加以應(yīng)用的一種連梁[2]。在普通配筋的連梁中,要依靠混凝土傳遞剪力,反復(fù)荷載作用下混凝土擠壓破碎,連梁便失去了承載力;而交叉配筋連梁中,連梁的剪力由交叉斜撐承擔(dān),交叉斜撐起拉桿、壓桿作用,形成桁架傳力途徑,混凝土雖然破碎,桁架仍然能繼續(xù)受力,對墻肢的約束彎矩仍起作用。
交叉配筋連梁的構(gòu)造要求高,為防止斜筋壓屈,必須用矩形箍筋與斜向鋼筋綁在一起,成為既要受拉,又要受壓的斜撐桿,因此,配置交叉斜撐的連梁厚度不能小于300mm,交叉斜撐還必須伸入墻體并有足夠的錨固長度,同時(shí)還要配置橫向和豎向鋼筋形成網(wǎng)狀配筋,防止混凝土破碎后掉落。連梁交叉斜撐的鋼筋面積由剪力形成的拉、壓力計(jì)算確定,我國對交叉斜撐的配筋構(gòu)造要求可查規(guī)程。
1)增加墻肢的翼緣寬度。在短肢剪力墻的設(shè)計(jì)中,墻肢布置應(yīng)以T形、L形 、]形、+形等有翼緣的墻肢為主,盡量避免拐角處形成孤立的“一”字形墻肢。而且翼緣的寬度對剪力墻的彈塑性性能有很大的影響。結(jié)合仿真試驗(yàn),在墻肢、連梁的截面高度和配筋率不變的情況下,以T形試件為例分析翼緣寬度對短肢剪力墻的影響(見表2)。
表2 翼緣寬度對T形試件延性性能的影響
從表 2中可以看出,隨著短肢剪力墻翼緣寬度的增加,試件的延性不斷增加。當(dāng)翼緣的高寬比為 0時(shí),試件延性較差,并且破壞時(shí)在z方向有較大的變形,這說明一字形短肢剪力墻是不穩(wěn)定的,之后隨著翼緣寬度的增加,位移延性增加顯著,當(dāng)翼緣的高寬比大于 8時(shí),延性增加趨勢減慢,但仍有增加。
2)嚴(yán)格控制短肢墻的軸壓比。根據(jù)國內(nèi)外研究結(jié)構(gòu),在承受壓彎作用的剪力墻中,當(dāng)處于小偏壓狀態(tài)時(shí)墻的延性較差,不僅如此,即使在大偏壓狀態(tài)下,若軸壓比較大,混凝土受壓區(qū)的邊緣應(yīng)力很高,如果混凝土沒有約束或約束不夠,可能混凝土先達(dá)到極限壓應(yīng)變,出現(xiàn)豎向裂縫,甚至壓碎,使構(gòu)件喪失變形能力和承載能力。因此規(guī)范已引入剪力墻的變形能力要求,并從變形能力出發(fā)規(guī)定了軸壓比限值,同時(shí)提出了按混凝土壓應(yīng)變大小設(shè)置的約束邊緣構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法。只有這樣才能保證短肢墻的延性。
表3 軸壓比對T形試件延性性能的影響
從表 3中可以看出:軸壓比對試件的位移延性影響非常大,隨著軸壓比的增加,試件的延性明顯降低,當(dāng)軸壓比大于 0.4時(shí),延性下降非??臁?/p>
另外,中南建筑設(shè)計(jì)院與武漢理工大學(xué)聯(lián)合在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,利用ANSYS對單調(diào)荷載下短肢剪力墻體系進(jìn)行了非線性有限元分析[4],得出了軸壓比為 0.3左右的短肢剪力墻綜合性能較好,建議普通短肢剪力墻軸壓比應(yīng)控制在 0.3左右。
3)合理選擇混凝土強(qiáng)度等級。提高混凝土強(qiáng)度,不僅可以提高構(gòu)件的極限荷載和開裂荷載,而且還可以增加結(jié)構(gòu)的位移延性。但在縱向配筋率相同的條件下,提高混凝土標(biāo)號等于減少鋼筋在換算截面中所占的比重,也就意味著縱向配筋率的減少,反而會使位移延性降低。通過仿真試驗(yàn)看到結(jié)構(gòu)的位移延性比在混凝土等級增加的開始段,增加顯著,而隨著混凝土等級增加到一定值后,延性比開始減小(見表 4)。所以應(yīng)根據(jù)需要合理的選擇混凝土強(qiáng)度等級,不要一味的增加其強(qiáng)度。
表4 混凝土強(qiáng)度等級對T形試件延性性能的影響
1)連梁跨高比、配筋方式、墻肢翼緣寬度、軸壓比、混凝土強(qiáng)度等級等因素對短肢剪力墻的延性性能影響很大,合理的選擇這些參數(shù)可以大大提高短肢墻的延性性能,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵御地震的能力。
2)一字形短肢剪力墻在破壞時(shí),在平面外有很大的變形,也就是說短肢剪力墻在破壞時(shí)容易失穩(wěn),所以在建筑抗震的主要部位,建議盡量不采用一字形短肢剪力墻。
[1] 黃東升.剪力墻結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)[M].北京:中國水利水電出版社,2006:74-163.
[2] T.Paulay,M.J.N.Priestley.Seism ic Design of Reinforced Concrete and Masonry Building[M].New York:John Willey& Sons,1992.
[3] 方鄂華.高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.
[4] 蔡權(quán)智,高 湛,李 華,等.短肢剪力墻低周反復(fù)試驗(yàn)及其ANSYS分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,27(12):49-52.