易祺 張敏

(廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006)

短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比為4～8的剪力墻［1］，短肢剪力墻的受力性能介于框架柱與剪力墻之間。不少學(xué)者［2-5］對短肢剪力墻的抗震能力進行了研究，得出了許多有價值的結(jié)論:分析了墻肢高厚比對短肢墻結(jié)構(gòu)基本性能的影響規(guī)律，提出了抗震構(gòu)造措施的若干建議;分析了短肢剪力墻肢強系數(shù)、整體性系數(shù)、翼緣寬度、連梁配筋對剪力墻結(jié)構(gòu)彈塑性性能的影響，進而通過提高短肢剪力墻延性來提高抗震性能等。

由于結(jié)構(gòu)布置很難做到完全對稱，地震作用下或多或少都存在扭轉(zhuǎn)，而短肢剪力墻相對厚度較小，長度較短，故其抗扭轉(zhuǎn)性能就成為一個關(guān)注的問題。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計

試驗依照規(guī)范［1，6］設(shè)計了 L形、T形短肢剪力墻試件各2個，試件厚度均為100 mm，試件高度均為1.5 m。試件墻體配置的箍筋為HPB300級，直徑4 mm;端部縱筋為HRB400級，直徑為12 mm;分布縱筋為HRB400級，直徑為8 mm。墻體兩端設(shè)計了2個400 mm×800 mm×1 500 mm的鋼筋混凝土支座(圖1)。

1.2 材性試驗

混凝土采用柳州東方預(yù)拌混凝土有限公司生產(chǎn)的商品混凝土。普通施工方式澆筑，自然養(yǎng)護，混凝土澆筑時，做了2組混凝土立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊，每組3塊(共6塊)取平均值，見表1。

鋼筋采用柳州鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的熱軋帶肋鋼筋和光圓鋼筋，HRB400及HPB300各選取一組進行強度測試，見表2。

軸壓比取0.2，按照實測力學(xué)指標(biāo)和截面面積計算軸壓力:

表1 混凝土實測力學(xué)指標(biāo)

表2 鋼筋實測力學(xué)指標(biāo)

圖1 短肢剪力墻試件配筋(單位:mm)

1.3 加載設(shè)備

試件加載設(shè)備示意圖見圖2。試件底座用螺栓與地面錨固形成固定端，頂部與作動器及剛性反力架連接，提供試驗扭矩。實驗過程中豎向荷載由液壓穩(wěn)壓器控制的油壓千斤頂施加，所需穩(wěn)壓的荷載值事先標(biāo)定;水平荷載由MTS電液伺服系統(tǒng)控制、采集。

圖2 試件加載設(shè)備示意圖

1.4 測點布置及加載制度

測點布置示意圖如圖3所示，位移計分別布置在墻體翼緣兩端。測試內(nèi)容為試驗過程中的軸向壓力和水平力的大小，通過頂部位移計和底部位移計的讀數(shù)計算相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角。

圖3 位移計布置示意圖

加載方式:構(gòu)件固定好后，將位移計安裝在預(yù)定位置，然后將位移計的引出線連接到電阻式應(yīng)變采集儀上，將采集儀全部初始化調(diào)零。先施加軸向壓力的20%，然后施加扭矩預(yù)估極限荷載的5%，檢查各試驗儀器是否工作正常，直到滿足要求并保持恒定后卸載。再分兩級施加豎向軸壓力到設(shè)計值，每級取設(shè)計值的50%。分級施加水平扭矩:剛開始每級取極限荷載的10%，施加3級，然后每級取極限荷載的5%施加往復(fù)緩慢加至構(gòu)件開裂。當(dāng)構(gòu)件開裂之后，繼續(xù)取極限荷載的10%施加至極限荷載或者位移計的最大位移超過一定值(如20 mm)。當(dāng)荷載無法繼續(xù)增加或者位移計最大位移的增量超過一定值(如20 mm)后，采用等幅位移控制加載。在隨后的加載過程中每級按位移計的位移增量△=10 mm進行下去，直到承載力下降到極限承載力的80%時停止加載，認(rèn)為此時構(gòu)件已發(fā)生破壞。

2 試驗結(jié)果及分析

試件LW800試驗現(xiàn)象如下:

當(dāng)T＜60 kN·m時，試件呈彈性狀態(tài)，沒有出現(xiàn)肉眼可識別裂縫;當(dāng)T=60 kN·m時，試件腹板出現(xiàn)首條裂縫，近似呈45°，基本位于腹板長邊中點處;繼續(xù)增加，當(dāng)T=80 kN·m時，在初裂縫旁產(chǎn)生了一些細(xì)微裂縫，同時初裂縫增大;當(dāng)T增至100 kN·m時，出現(xiàn)較大位移，初裂縫持續(xù)增大并伴隨聲響，由于軸壓力的存在，試件并未破壞而能繼續(xù)承載，此時進入屈服階段改用位移控制。當(dāng)扭轉(zhuǎn)角達到0.056 4時，結(jié)構(gòu)劇烈變形，混凝土斜向壓碎，此時初裂縫開裂至8 mm，同時多處混凝土脫落，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞。試件破壞裂縫見圖4。

圖4 試件LW800破壞現(xiàn)象

其他試件試驗現(xiàn)象類似。在試驗中觀察T形，L形短肢剪力墻受扭破壞過程發(fā)現(xiàn)，短肢剪力墻的受扭腹板中部混凝土首先開裂，裂縫沿其上部和下部向外側(cè)延伸，隨后翼緣頂面中部的混凝土開裂，并向四周延伸，最后中部裂縫處鋼筋受拉屈服，某一端混凝土受壓而破裂。壓扭狀態(tài)下短肢剪力墻呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)型破壞，實際應(yīng)用時應(yīng)考慮增強短肢剪力墻的抗扭性能。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)整理的T-θ曲線如圖5所示。

開裂扭矩與極限扭矩以及相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角試驗數(shù)據(jù)見表3。根據(jù)彈性力學(xué)有切應(yīng)力正應(yīng)力σ=由莫爾應(yīng)力原理，并考慮混凝土的塑性影響可以得到壓扭狀態(tài)開裂扭矩計算公式:

表3 開裂扭矩與極限扭矩以及相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角試驗數(shù)據(jù)

式中:γ—塑性影響系數(shù)。

壓扭狀態(tài)下極限扭矩計算公式為:

短肢剪力墻扭轉(zhuǎn)理論值與試驗值比較見表4。

圖5 試件T-θ曲線

表4 短肢剪力墻扭轉(zhuǎn)理論值與試驗值比較 kN·m

現(xiàn)行規(guī)范計算值偏小，結(jié)果趨于保守，無法準(zhǔn)確估計短肢剪力墻開裂扭矩以及極限扭矩值。

同時無論是理論值還是試驗值，延性系數(shù)μ均較小，說明短肢剪力墻結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)延性較差，實際應(yīng)用時應(yīng)盡量避免短肢剪力墻結(jié)構(gòu)承受扭矩。

3 結(jié)論

通過分析軸壓比為0.2的壓扭狀態(tài)下L形、T形短肢剪力墻試件，得到以下結(jié)論:

(1)通過試驗現(xiàn)象分析可知，短肢剪力墻在壓扭狀態(tài)下呈扭轉(zhuǎn)型破壞;通過破壞形態(tài)分析可知，設(shè)計時應(yīng)加強結(jié)構(gòu)的抗扭設(shè)計。

(2)短肢剪力墻抗扭延性較差，應(yīng)當(dāng)限制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。一方面應(yīng)當(dāng)避免結(jié)構(gòu)偏心過大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增大，即結(jié)構(gòu)布置盡量規(guī)則、對稱。另一方面應(yīng)控制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不應(yīng)太弱，應(yīng)控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一振動周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比不應(yīng)過大［1］。

(3)通過對比現(xiàn)行規(guī)范推導(dǎo)的開裂扭矩、極限扭矩計算公式與試驗值，發(fā)現(xiàn)兩者有較大差距，說明現(xiàn)行理論基礎(chǔ)仍不完善，并不能真實反映短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗扭能力。

(4)相同軸壓比時，構(gòu)件尺寸越大，則開裂扭矩與極限扭矩也越大。

(5)短肢剪力墻通常處于壓、彎、剪、扭復(fù)合受力的情況，試驗主要分析了壓扭狀態(tài)下的短肢剪力墻破壞形態(tài)，其余各種情況未進行分析。

［1］建設(shè)部.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3-2010)［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［2］程紹革，陳善陽，劉經(jīng)偉.高層建筑短肢剪力墻結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究［J］.建筑科學(xué):2000，16(1):12-16.

［3］黃東升，程文襄，彭飛.對稱雙肢短肢剪力墻的低周反復(fù)荷載試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2005，26(3):51-56.

［4］周云，劉自力，劉豐，等.一字形短肢剪力墻抗震性能的模型試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2008(4):81-88.

［5］姜大海，張敏.L形短肢剪力墻曲率延性分析［J］.廣西工學(xué)院學(xué)報，2013，24(1):64-68.

［6］建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50010-2010)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［7］梁興文.混凝土結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005:200-207.