張興

摘要：短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式，由于其建筑功能、結(jié)構(gòu)受力和工程造價均較合理，近年來在我國得到了廣泛地應(yīng)用和發(fā)展。但短肢剪力墻在地震區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不多，尚缺少深入的研究和實(shí)際地震的考驗(yàn)。為安全起見，對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的研究，可以完善設(shè)計理論以及規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，為抗震設(shè)計提供必要的參考依據(jù)。結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)的計算機(jī)模擬分析技術(shù)是研究結(jié)構(gòu)非彈性地震反應(yīng)規(guī)律的基本工具與手段之一，不僅具有理論上的意義而且具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：短肢剪力墻；幾何非線性；力學(xué)模型；地震反應(yīng)分析

1．短肢剪力墻結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

隨著人民生活水平的提高，對房屋的使用功能也提出了較高的要求，加之用地緊張，使住宅建筑也越來越向高層發(fā)展。由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系具有建筑功能良好、平面布置靈活、部分墻體可以采用輕質(zhì)隔熱材料等優(yōu)點(diǎn)，近年來在我國住宅建筑中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。近年興起的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，有利于住宅建筑布置，又可進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)自重，但短肢剪力墻抗震性能較差，地震區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不多。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式，兼有框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，其建筑功能、受力性能和工程造價均較合理，近年來在我國得到了廣泛地應(yīng)用和發(fā)展。顯見，規(guī)程中的這些規(guī)定是建立在地震區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不多基礎(chǔ)上的，尚缺少深入的研究和實(shí)際地震的考驗(yàn)。針對短肢剪力墻的研究，目前主要集中在抗震性能的試驗(yàn)研究和抗震計算分析及設(shè)計的層次，理論分析模型的研究較少。對于短肢剪力墻非線性分析理論和分析模型的研究很少，分析結(jié)論認(rèn)為短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)良，適合于度區(qū)推廣。

2．短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的基本受力性能

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系是一種新興的結(jié)構(gòu)體系，目前對其受力性能的研究主要集中在抗震性能的試驗(yàn)研究和抗震分析與設(shè)計的層次，理論分析模型的研究很少。構(gòu)件的計算模型是構(gòu)件受力和變形性能的理想化形式，建立合理的計算模型必須對構(gòu)件的受力特點(diǎn)、破壞形式等有一個全面的認(rèn)識。只有這樣才能正確反映構(gòu)件的主要受力和破壞特點(diǎn)，使計算模型更加符合構(gòu)件實(shí)際受力性能。

2.1短肢剪力墻破壞形態(tài)分析

不同形式的構(gòu)件有不同的破壞形式，對破壞形態(tài)的認(rèn)識是建立計算模型的基礎(chǔ)。剪力墻的破壞形態(tài)一般可分為三種，即彎曲破壞、剪彎破壞和斜壓破壞。彎曲破壞的剪力墻剪跨比較大，裂縫主要以水平裂縫為主，破壞時混凝土在彎矩作用下被壓碎；滯回曲線呈弓形，“捏攏”現(xiàn)象比較嚴(yán)重，試件的屈服點(diǎn)不明顯，破壞時非常突然，強(qiáng)度退化不明顯，是典型的脆性破壞；發(fā)生斜壓破壞的剪力墻一般剪跨比較小，在反復(fù)荷載的作用下，在構(gòu)件腹部形成明顯交叉的斜裂縫，并延伸至底部附近形成主裂縫隙，最終造成底部混凝土大面積壓碎破壞。破壞階段，受壓區(qū)混凝土壓碎現(xiàn)象嚴(yán)重，縱筋受壓變形明顯，部分縱筋壓屈外鼓。需要指出的是，在實(shí)際結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的剪跨比與單個構(gòu)件試驗(yàn)時的剪跨比會有很大的不同。在影響剪力墻抗剪強(qiáng)度的另外幾個重要因素混凝土的抗剪強(qiáng)度、構(gòu)件的軸壓比和箍筋的抗剪強(qiáng)度中，構(gòu)件的軸壓比在地震荷載作用下是不可控因素，混凝土強(qiáng)度對構(gòu)件抗剪強(qiáng)度的影響相對較小，而通過改變箍筋的用量，可以很大程度上提高結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度。

2.2剪力滯效應(yīng)影響分析

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在側(cè)向荷載作用下，由于腹板傳遞的剪力流在腹板附近要大一些，而在翼緣板內(nèi)傳遞的過程中，由于板的剪切變形，拉應(yīng)力會逐漸變小如果按初等梁理論算出的應(yīng)力為。而實(shí)際截面上發(fā)生的應(yīng)力則稱為剪力滯系數(shù)。如果翼緣板處的正應(yīng)力小于初等梁理論計算值，則稱之為負(fù)剪力滯現(xiàn)象；如果翼緣板處的正應(yīng)力大于初等梁理論的計算值，稱之為正剪力滯現(xiàn)象。通過有限元法計算了腹板縱向正應(yīng)力的分布情況，對構(gòu)件的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行了描述。對不同長度構(gòu)件在側(cè)向荷載作用下，幾何參數(shù)和荷載形式對剪力滯系數(shù)的影響也有所不同。底部固接的短肢剪力墻在側(cè)向荷載作用下，翼緣板內(nèi)的剪力滯系數(shù)沿長度方向分布是不均勻的，正剪力滯僅在底部產(chǎn)生，頂端產(chǎn)生負(fù)剪力滯現(xiàn)象，甚至可能有壓應(yīng)力產(chǎn)生。高層結(jié)構(gòu)中的短肢剪力墻，由于高寬比較大，剪力滯效應(yīng)對其側(cè)移剛度的影響很小。

2.3異形截面構(gòu)件中性軸偏移與斜彎曲

由于截面材料剛度不均勻，截面的中性軸會發(fā)生偏移現(xiàn)象，不再通過截面的形心，而且沿整個桿長方向各截面的彈塑性狀態(tài)不同，其偏移量也不相同。同時由于彈塑性階段截面材料切線剛度不均勻，將導(dǎo)致構(gòu)件截面的主慣性軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)，而與原主慣性軸不再平行，對于異形截面構(gòu)件更是如此。

2.4短肢剪力墻彈塑性性能有限元分析

短肢剪力墻屬于強(qiáng)肢弱梁型結(jié)構(gòu)，連梁的屈服先于墻肢的屈服。水平裂縫首先在墻肢的底部出現(xiàn)，隨著水平荷載的增加，自下向上發(fā)展，墻肢底部的縱向受拉鋼筋逐漸屈服。隨著水平荷載的增加，高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下，連梁屈服首先從中間靠下的樓層開始，其它各層也陸續(xù)屈服。此后，隨著荷載的增加，底層受拉墻肢達(dá)到開裂彎矩而出現(xiàn)水平裂縫，剪力墻的側(cè)向剛度有較明顯減小，繼續(xù)增加水平荷載，上部墻肢也相繼開裂。改變墻肢截面高厚比、混凝土強(qiáng)度等級、連梁跨高比和軸壓比等因素，對雙肢短肢剪力墻的承載能力和變形能力都有一定的影響。通過改變這些參數(shù)可以調(diào)整短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的承載能力和變形能力，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計中應(yīng)綜合考慮這些參數(shù)的影響，以提高結(jié)構(gòu)的彈塑性受力性能。

3．短肢剪力墻地震反應(yīng)分析

結(jié)構(gòu)非彈性地震反應(yīng)的計算機(jī)模擬分析技術(shù)，不受時空條件的限制，節(jié)省人力物力，易于跟蹤結(jié)構(gòu)受力的全過程，適用于對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量的參數(shù)分析研究等，彌補(bǔ)了結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中的若干不足，因而成為研究結(jié)構(gòu)非彈性地震反應(yīng)規(guī)律的重要工具與手段之一。求解系統(tǒng)的動力響應(yīng)問題計算計算量很大，在建筑結(jié)構(gòu)中往往會采用樓板平面外剛性假定，由于該假定在多數(shù)的情況下是可以接受的。鋼筋對鋼筋混凝土構(gòu)件的受力性能有至關(guān)重要的影響，在反復(fù)加卸載過程中，鋼筋的狀態(tài)確定與其加載歷史有關(guān)，選擇一個可靠的、能考慮各種復(fù)雜加載路徑的鋼筋應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系是確保程序計算精度的前提。

由于目前還難以找到考慮壓剪偶合的混凝土剪切滯變模型，本文假定短肢剪力墻的破壞是受壓破壞為主，采用僅考慮拉壓狀態(tài)來確定剪切剛度的方法。模擬結(jié)果正確反應(yīng)了各種短肢剪力墻構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的受力性能，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出良好的一致性。驗(yàn)證了本文理論的正確性和所研制的結(jié)構(gòu)非線性分析程序求解問題的有效性與可靠性，從而可以代替部分實(shí)驗(yàn)，為結(jié)構(gòu)抗震性能研究提供了一個非常有力的手段最后。完成了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的動力特性分析和非線性時程分析，結(jié)果表明短肢剪力墻結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，結(jié)構(gòu)的薄弱部位位于底部，在構(gòu)件設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。

4.結(jié)論

根據(jù)基于有限單元柔度法纖維單元模型，本文研制了結(jié)構(gòu)非線性分析程序，實(shí)現(xiàn)了鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)材料與幾何雙重非線性問題的模擬。程序的研制采用模塊化編程思路，各模塊之間相對獨(dú)立，通過接口進(jìn)行連接，可以根據(jù)計算需要接入不同的模塊，從而完成不同的計算功能。最后，完成了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的動力特性分析和非線性時程分析，結(jié)果表明短肢剪力墻結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，結(jié)構(gòu)的薄弱部位位于底部，在構(gòu)件設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。

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