短肢剪力墻延性設計的仿真分析

劉玲華 周雪峰 張 玉

短肢剪力墻結構是我國近年來興起的一種新型的抗側力構件，它既保留了異形柱不凸出墻面的優點又克服了異形柱框架抗震性能不理想等缺點，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要求，耗材少，經濟性好，因此在高層住宅結構中得到了日益廣泛的應用，建設部已將其列為一種新型的住宅體系加以推廣。然而由于這種結構出現的比較晚，目前國內外對它的研究非常少，其設計方法多為基于承載力的抗側力設計。震害和試驗研究表明，建筑結構的倒塌，主要是由于結構構件的耗能能力和塑性變形能力小于所需要的能力，而基于承載力的設計并不能保證剪力墻達到預期的塑性變形或延性要求。因此，如何提高短肢墻的延性，增強其耗能能力就成了建筑結構中急需解決的問題。

1 短肢剪力墻結構延性設計措施

1.1 連梁的延性設計措施

在實際工程中要使連梁設計滿足強剪弱彎的原則，設計出延性較好的連梁可以考慮以下幾個方面:

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。延性比上升達到峰值后，快速下降。這說明選擇一個合理的跨高比對結構的安全性和經濟性都是重要的，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，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T.Pau lay教授提出，經過多次試驗，并在工程中已經加以應用的一種連梁[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，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，桁架仍然能繼續受力，對墻肢的約束彎矩仍起作用。

交叉配筋連梁的構造要求高，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，同時還要配置橫向和豎向鋼筋形成網狀配筋，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、壓力計算確定，我國對交叉斜撐的配筋構造要求可查規程。

1.2 墻肢的延性加強措施

1)增加墻肢的翼緣寬度。在短肢剪力墻的設計中，墻肢布置應以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。結合仿真試驗，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。當翼緣的高寬比為 0時，試件延性較差，并且破壞時在z方向有較大的變形，這說明一字形短肢剪力墻是不穩定的，之后隨著翼緣寬度的增加，位移延性增加顯著，當翼緣的高寬比大于 8時，延性增加趨勢減慢，但仍有增加。

2)嚴格控制短肢墻的軸壓比。根據國內外研究結構，在承受壓彎作用的剪力墻中，當處于小偏壓狀態時墻的延性較差，不僅如此，即使在大偏壓狀態下，若軸壓比較大，混凝土受壓區的邊緣應力很高，如果混凝土沒有約束或約束不夠，可能混凝土先達到極限壓應變，出現豎向裂縫，甚至壓碎，使構件喪失變形能力和承載能力。因此規范已引入剪力墻的變形能力要求，并從變形能力出發規定了軸壓比限值，同時提出了按混凝土壓應變大小設置的約束邊緣構件的設計方法。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，當軸壓比大于 0.4時，延性下降非常快。

另外，中南建筑設計院與武漢理工大學聯合在試驗研究的基礎上，利用ANSYS對單調荷載下短肢剪力墻體系進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控制在 0.3左右。

3)合理選擇混凝土強度等級。提高混凝土強度，不僅可以提高構件的極限荷載和開裂荷載，而且還可以增加結構的位移延性。但在縱向配筋率相同的條件下，提高混凝土標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。通過仿真試驗看到結構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)。所以應根據需要合理的選擇混凝土強度等級，不要一味的增加其強度。

表4 混凝土強度等級對T形試件延性性能的影響

2 結語

1)連梁跨高比、配筋方式、墻肢翼緣寬度、軸壓比、混凝土強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可以大大提高短肢墻的延性性能，增強結構抵御地震的能力。

2)一字形短肢剪力墻在破壞時，在平面外有很大的變形，也就是說短肢剪力墻在破壞時容易失穩，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.剪力墻結構的分析與設計[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構概念設計[M].北京:機械工業出版社，2004.

[4] 蔡權智，高 湛，李 華，等.短肢剪力墻低周反復試驗及其ANSYS分析[J].武漢理工大學學報，2005，27(12):49-52.