框支短肢剪力墻加腋梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)抗震性能研究

鐘樹生馬相明盧挺

（1、重慶大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶 400045；2、中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，四川成都610081）

框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是為了滿足建筑功能的需要而發(fā)展起來的一種新型的結(jié)構(gòu)形式。它是將短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與框支剪力墻結(jié)構(gòu)相結(jié)合的產(chǎn)物,由于上部短肢墻布置靈活,容易滿足建筑平面的要求,結(jié)構(gòu)剛度又不致過大 (與全剪力墻結(jié)構(gòu)相比),因而受到建筑師和結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的青睞,在很多地方被廣泛使用［1-2]。由于短肢剪力墻的特殊性,框支短肢剪力墻在結(jié)構(gòu)形式、受力特點上與傳統(tǒng)框支剪力墻有明顯不同,目前在工程界運用雖然廣泛,但理論研究尚不完善。作者結(jié)合某實際工程,分別對一榀加腋梁式框支短肢剪力墻轉(zhuǎn)換框架及一榀相同尺寸的不加腋梁式轉(zhuǎn)換框架進(jìn)行了擬靜力試驗,并對這兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的受力及抗震性能進(jìn)行了探討。

1 試件設(shè)計與試驗概況

1.1 試件尺寸及材料力學(xué)特性

此次試驗?zāi)Ｐ统叽鐬閷υ徒Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化、調(diào)整并按1/3縮尺所得,兩試件編號依次為W9-2、W10-2。其中試件W9-2為加腋轉(zhuǎn)換試件,尺寸簡圖如圖1,試件W10-2的尺寸除取消加腋外,其余同試件W9-2。

圖1 試件W9-2尺寸簡圖

1.2 加載裝置及加載制度

試驗裝置簡圖如圖2所示,試驗加載制度參照文獻(xiàn)[4],首先按均勻的若干步對試件施加豎向荷載,豎向荷載達(dá)到設(shè)計值后,保持其在整個試驗過程中恒定不變。然后在上下兩個水平加載點同步施加低周反復(fù)荷載。在試件轉(zhuǎn)換梁縱筋達(dá)到屈服以前,采用荷載控制,尋找開裂荷載和屈服荷載時,加載步距放小;在轉(zhuǎn)換梁的縱筋屈服以后,采用位移控制,即以轉(zhuǎn)換梁中心線水平屈服位移 的整數(shù)倍控制加載,每級加載循環(huán)二次,直至水平荷載下降至最大承載力的85%時,即認(rèn)為試件失效,終止試驗。屈服位移 的尋找是通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)追蹤轉(zhuǎn)換梁控制截面處的鋼筋應(yīng)變,只要其值達(dá)到鋼筋的屈服應(yīng)變,此時轉(zhuǎn)換梁端位移計所測出的位移即看作試件的屈服位移 。兩試件的豎向荷載均按短肢剪力墻試驗軸壓比0.25控制,試件W9-2的最終荷載為500 kN,試件W10-2的最終荷載為490 kN。水平荷載采用如圖2所示的兩點加載模式,上、下層的水平加載點的加載比例關(guān)系如下確定:對原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算,得出每一層的水平地震力,將原結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層以上的各層水平地震力疊加,形成一個總作用力,作用在上層加載點位置,將轉(zhuǎn)換層的水平地震力作用在下層加載點位置。計算所得上下層水平力的比例為2.76:1。根據(jù)實驗室所能提供的實驗條件,為加載操作控制方便,取上下兩層加載力的比例為2:1。

圖2 試驗裝置簡圖

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試驗鋼筋應(yīng)變發(fā)展規(guī)律

經(jīng)過對鋼筋應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、總結(jié),可得出以下規(guī)律:

1)豎向荷載作用下轉(zhuǎn)換梁三排縱筋全部受拉,并且隨著荷載的增大,鋼筋的拉應(yīng)變迅速增加,表明豎向荷載作用下轉(zhuǎn)換梁是一個偏拉構(gòu)件,且兩構(gòu)件都出現(xiàn)受拉裂縫,但試件W10-2出現(xiàn)受拉裂縫要遲點。比較構(gòu)件W9-2和W10-2可以發(fā)現(xiàn),W9-2中轉(zhuǎn)換梁縱筋出現(xiàn)應(yīng)力峰值點的應(yīng)變相對于構(gòu)件W10-2來說很大,且在轉(zhuǎn)換梁凈跨部分鋼筋應(yīng)變值都很大。這主要是因為加腋使轉(zhuǎn)換梁在凈跨部分受拉更嚴(yán)重。

2)比較兩榀試件可以看出,在達(dá)到正反屈服時,試件W10-2在墻肢下端轉(zhuǎn)換梁的應(yīng)變明顯增大,特別是靠近節(jié)點處的鋼筋應(yīng)變最明顯,進(jìn)一步說明不加腋使出鉸位置朝節(jié)點方向轉(zhuǎn)移。

3)施加推荷載過程中,兩構(gòu)件跨中部分箍筋應(yīng)變值都比較大,且應(yīng)變梯度很大。但與構(gòu)件W9-2相比,W10-2箍筋的應(yīng)變明顯增大,特別是在原來加腋而現(xiàn)在不加腋處附近的鋼筋增大最多,主要是由于原來由加腋部分承擔(dān)的剪力都轉(zhuǎn)由箍筋來承擔(dān)。

4)試件W9-2轉(zhuǎn)換梁左邊和右邊加腋筋在加載初期應(yīng)變值都較小,然后應(yīng)變值隨著荷載增大而增大,在加載至3和-3時,左邊和右邊加腋筋應(yīng)變分別達(dá)到2 000左右,接近鋼筋的屈服應(yīng)變2 100,此后應(yīng)變就保持在這個范圍內(nèi)成波浪形變化。與試件W10-2對比,加腋梁式轉(zhuǎn)換的框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)明顯地增強(qiáng)了轉(zhuǎn)換梁在支座區(qū)段的抗剪承載力。

5)兩試件框支柱縱筋應(yīng)變均在柱底發(fā)展最快,最易形成塑性鉸。對于試件W10-2,柱頂縱筋應(yīng)變雖然大多數(shù)未達(dá)到屈服應(yīng)變,但已很接近;而試件W9-2柱頂縱筋應(yīng)變始終較小,遠(yuǎn)不及屈服應(yīng)變。

2.2 試件破壞機(jī)制

試件W9-2的破壞機(jī)制為:首先是轉(zhuǎn)換梁縱筋在跨中區(qū)段端部位置處屈服,梁加腋端形成塑性鉸,轉(zhuǎn)換梁跨中區(qū)段端部出現(xiàn)貫通裂縫,形成梁鉸機(jī)制;隨后柱腳開始屈服并最終形成塑性鉸;在接近極限荷載時,梁端出現(xiàn)混凝土壓碎并大量脫落,縱筋受壓屈曲現(xiàn)象;最終轉(zhuǎn)換梁受壓區(qū)混凝土被壓碎,宣告試件最后破壞。

圖3 塑性鉸出現(xiàn)次序圖

試件W10-2的破壞機(jī)制為:首先是在轉(zhuǎn)換梁跨中區(qū)段右端出現(xiàn)塑性鉸,接著在轉(zhuǎn)換梁右端、轉(zhuǎn)換梁跨中區(qū)段左端和轉(zhuǎn)換梁左端依次出現(xiàn)塑性鉸,隨后底層柱腳開始屈服并最終形成塑性鉸。在接近極限荷載時,梁端節(jié)點處出現(xiàn)混凝土壓碎,縱筋受壓屈曲現(xiàn)象,從位移計上讀數(shù)可以看出在6以后二層的位移特別小,相對于一層基本上沒有位移。通過比較鋼筋應(yīng)變實測值,可以得出結(jié)構(gòu)各梁端、柱端屈服及形成塑性鉸的先后關(guān)系,圖3列出了兩個構(gòu)件出現(xiàn)塑性鉸的地方,圖中1—6為各個構(gòu)件端部出現(xiàn)塑性鉸的先后次序,1在先,6在后。

圖4 傳力梁端的P-△曲線

2.3 P-滯回曲線分析

兩試件傳力梁端的P(荷載)-(位移)曲線如圖4所示。兩試件滯回曲線初期呈梭形,后期略呈反S形,正向殘余位移比反向稍大,W9-2中間有較明顯的“捏攏”,但整體還比較豐滿,而W10-2滯回曲線中間無明顯捏縮。

2.4 剛度退化分析

由關(guān)系曲線 (如圖5所示)可知:構(gòu)件W9-2和W10-2的初始剛度都比較大,但屈服后的剛度下降也都比較快。且剛度衰減的過程都可分為三個階段:構(gòu)件屈服前為剛度的速降階段,此后構(gòu)件剛度降低速度有所減緩,四倍屈服位移后到結(jié)構(gòu)的最后破壞階段為剛度的緩降階段。比較而言,構(gòu)件W9-2正向荷載剛度退化的趨勢比反向荷載剛度退化明顯,且正向荷載下剛度大于反向荷載下剛度,當(dāng)構(gòu)件接近破壞時,構(gòu)件在正向荷載和反向荷載作用下的剛度又趨于相同;而構(gòu)件W10-2正反兩個方向剛度衰減趨勢基本相同且兩個方向剛度差別很小。

圖5 試件曲線

2.5 延性及彈塑性變形分析

實測所得結(jié)構(gòu)的位移、層間位移、層間位移角及延性系數(shù)見表1。兩試件延性系數(shù)均滿足抗震規(guī)范對結(jié)構(gòu)延性系數(shù)大于4的要求,結(jié)構(gòu)的延性較好。比較試件W10-2與W9-2的延性系數(shù)可以看出,W10-2的延性系數(shù)比W9-2小,特別是在6時柱子出現(xiàn)塑性鉸后二層的位移特別小,相對于一層基本上沒有位移,主要原因是試件出現(xiàn)“柱鉸破壞”,可見加腋能夠使框支短肢剪力墻轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)獲得較好的延性及合理的破壞形式。

表1 正向及反向位移及延性系數(shù)實測值

說明: 為延性系數(shù)，其表達(dá)式為 ；表中數(shù)值均取自于傳力梁/轉(zhuǎn)換梁中心線。

結(jié)論

1)轉(zhuǎn)換梁縱向鋼筋的布置宜沿梁下部適當(dāng)分布配置,且底部縱向鋼筋不宜截斷和彎起,應(yīng)全部伸入支座。采用加腋時,應(yīng)進(jìn)一步增大轉(zhuǎn)換梁凈跨區(qū)段的配箍率,提高其抗剪能力。

2)加腋使轉(zhuǎn)換梁在支座區(qū)段的抗剪承載力明顯增強(qiáng),因而可有效減小轉(zhuǎn)換梁的截面高度,同時也可防止轉(zhuǎn)換梁剛度過大,避免轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)梁剛度接近甚至超過柱剛度而形成不利于抗震的結(jié)構(gòu)形式。

3)從構(gòu)件的屈服機(jī)制及構(gòu)件上的鋼筋應(yīng)變可以看出:加腋使梁端塑性鉸的位置發(fā)生了變化,梁端出現(xiàn)塑性鉸的位置從梁上靠近柱邊的位置向跨中偏移,更易實現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁,強(qiáng)剪弱彎”的抗震設(shè)計原則;但也要看到加腋使轉(zhuǎn)換梁凈跨部分的鋼筋在豎向荷載作用下受拉變大。

4)從試驗現(xiàn)象看,加腋梁凈跨區(qū)段的損傷較嚴(yán)重,其原因在于加腋后梁的跨高比變小,相當(dāng)于小跨高比洞口連梁;因此,加腋設(shè)計時應(yīng)注意加強(qiáng)轉(zhuǎn)換梁凈跨區(qū)段的延性設(shè)計,避免其塑性轉(zhuǎn)動能力過早耗盡。

[1]中國建筑科學(xué)研究院.JGJ3-2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 [S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002:48-108.

[2]唐興榮,何若全.高層建筑中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀和發(fā)展 [J].蘇州城建環(huán)保學(xué)院學(xué)報,2001,14(3):1-8.

[3]盧挺,鐘樹生.框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中斜柱式與梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的抗震試驗研究[D].重慶:重慶大學(xué),2006.

[4]中國建筑科學(xué)研究院.JGJ101-96建筑抗震試驗方法規(guī)程 [S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997:1-88.