高强混凝土剪力墙屈服位移计算方法.pdf
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1、第 3 6卷 第 3期 2 0 1 4年 6月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l 。Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo 1 3 6 No 3 J u n 2 0 1 4 d o i : 1 0 1 1 8 s s j i s s n 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 4 0 3 0 1 3 高强混凝土剪力墙屈服位移计算方法 赵 花静 , ( 西安建筑科技 大学 a 理 梁兴 文 , 宋璨 学院 ; b 土木工程 学院,
2、 西安 7 1 0 0 5 5 ) 摘 要 : 考虑高强混凝土受压强度 高等特点 , 在高强混凝土剪力墙截面刚达到屈服 状态时, 假 定截 面受压 区混凝 土压 应力 为线性 分布 , 基 于平 截 面假 定 , 用 弯 矩一 曲率分 析 法得 到 了剪 力墙 截 面屈 服 曲率公 式 。采 用屈服 曲率公 式 , 对 影响 高强 混凝 土剪 力墙屈服 曲率 的参 数 进行 了分析 。结果表 明 , 除轴压 比 外 , 纵 向受 力钢 筋 屈服应 变对 屈服 曲率 影响 最 大; 在 轴 压 比较 大 时 , 剪 力墙 截 面两 端 翼 墙 的影响也 较 大 。通 过对计 算 结果 的回 归分
3、析 , 提 出了考 虑轴 压 比 、 纵 向 受力 钢 筋屈服 应 变和剪 力墙 截 面 两端翼墙 面积 影响 的屈 服 曲率计 算 公 式 。提 出 了 高强 混 凝 土 剪 力墙 顶 点屈 服 位 移 的 计 算 公 式, 公式的计算值与 1 2个高强混凝土高悬臂墙顶点屈服位移的试验值比较吻合。简化公式也适用 于普通混凝土剪力墙的屈服位移计算 。 关 键词 : 高强混凝 土 ; 剪力墙 ; 屈服 曲率 ; 屈服 位 移 ; 抗 震性 能设计 中图分 类号 : T U 3 5 6 1 文献标 志码 : A 文 章编号 : 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0
4、 8 0 0 6 Yi e l d Di s p l a c e m e nt Ca l c u l a t i o n M e t ho d o f Hi g h I St r e n g t h Co nc r e t e S h e a r W a l l Z h o o Hu a j i n g, L i a n g Xi n g we n, S o n g Oo n ( a Co l l e ge o f Sc i e nc e;b Sc ho ol of Ci v i l En gi ne e r i n g, Xi a n Uni v e r s i t y of Ar c hi
5、 t e c t u r e a nd Te c h no l o gy,Xi a n 71 005 5,PR Chi na ) Ab s t r a c t : I t i s a s s ume d t ha t c o nc r e t e c o m p r e s s i v e s t r e s s o f t he c r o s s s e c t i on c o m p r e s s i on z o ne i s l i ne a r d i s t r i but i o n whe n t he c r o s s s e c t i on o f h i g h
6、 s t r e n gt h c o nc r e t e s he a r wa l l r e a c h e s y i e l d s i t ua t i o n Ba s e d on t he p l a ne s e c t i on a s s ump t i o n,t he yi e l d c ur v a t u r e f o r m u l a o f s he a r wa l l s e c t i on i s o b t a i n e d b y u s i ng m o m e nt c u r va t ur e a n a l ys i s me
7、 t h od The pa r a m e t e r s a f f e c t i n g y i e l d c ur v a t ur e o f hi g h s t r e ng t h c o nc r e t e s h e a r wa l l a r e s t u d i e d b y u s i n g t he y i e l d c u r v a t ur e f or mul a Th e r e s u l t s s ho w t ha t l o ng i t u di na l r e i n f o r c e m e n t yi e l d s
8、 t r a i n i s t he mo s t v i t a l f a c t o r o f t he y i e l d c ur v a t u r e i n a dd i t i on t o a x i a l l o a d r a t i oW he n a x i a l l o a d r a t i o i s l a r ge r,bo t h wi n g wa l l s of s he a r wa l l s e c t i on h a v e l a r ge r i m p a c t The y i e l d c u r v a t ur e
9、 f o r m u l a i s pr e s e nt e d, c o ns i d e r i ng t he i mpa c t of a xi a l l o a d r a t i o,bo un d a r y r e i n f o r c e me n t yi e l d s t r e s s a nd b ot h e nd s o f wi ng wa l l s o f s h e a r wa l l s e c t i o n b a s e d o n t h e r e g r e s s i o n a n a l y s i s o f c a l
10、c u l a t i o n r e s u l t s On t h i s b a s i s ,t h e v e r t e x y i e l d d i s pl a c e me nt f or mul a of hi g h s t r e ng t h c o nc r e t e s he a r w a l l i s pr o po s e d, a nd t h e c a l c u l a t i on r e s ul t s o f f or mul a c o r r e s p o nd we l l t o t he v e r t e x y i e
11、 l d d i s pl a c e me n t e x pe r i m e nt a l v a l ue s of t h e 1 2 hi g h s t r e n gt h c on c r e t e c a nt i l e v e r wa l 1 The f o r m u l a i s a l s o s u i t e d f o r t he ve r t e x y i e l d di s p l a c e m e nt o f c o mm e nt c o nc r e t e s he a r wa l 1 Ke y wo r ds :hi gh s
12、 t r e ng t h c on c r e t e; s he a r wa l l ; y i e l d c ur v a t u r e ; y i e l d d i s pl a c e me n t; p e r f o r ma nc e b a s e d s e i s m i c d e s i g n 收稿 日期 : 2 0 1 3 1 2 1 7 基 金项 目: 国家 自然科学基金 ( 8 1 2 7 8 4 0 2 、 5 1 0 7 8 3 0 5 、 5 0 9 0 8 1 8 7 ) ; 长江学者 和创 新团队发展计 划( P C S I R T) 。 作
13、者简介 : 赵花静 ( 1 9 8 5 一 ) , 女 , 主要从事高层建筑结构及其抗震性能设计理论研究 , ( E - ma i l ) z h a o h j 0 6 0 2 1 2 6 c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 赵 花静 , 等 : 高强混凝 土 剪 力墙 屈 It O - 移 计 算方 法 2 O世 纪 9 0年 代 以来 , 建 筑 结 构基 于变 形 位 移 的抗震设计受到地震工程 界的广泛关注 , 并提 出了 一 些具体的设计理论和方法口 9 。其 中有些 方法在 设计开始即以结构变形 ( 侧移等) 作为设计变量 ,
14、 选 取性 能 准则 , 确 定满 足性 能准 则 的基 底剪 力 需 求 , 然 后对结构进行刚度 和承载力设计 , 并对 构件截面进 行变形能力设计。T j h i n等 。 采用剪力 墙顶点屈服 侧移和墙基础处 的塑性转角作为设计变量 , 对剪力 墙结构进行设计 。结果表 明, 剪力墙顶 点屈 服侧移 和墙基础处的塑性转角均有可能控制设计 , 取决 于 所 采 用 的性 能 目标 。 用基于位移的抗震设计方法对剪力墙结构进行 设计时, 其屈服位移是一个重要参数。Wa l l a c e等u 认为普通混 凝土剪 力墙 的屈 服 曲率 范 围在 0 0 0 2 5 k 和 0 0 0 3 5
15、 h 之 间 或 以上 , 其 中 h 是 剪 力 墙 截面高度 。P r i e s t l e y等L 2 为 了简化计算 , 提 出的剪 力墙截面屈服 曲率计算公式仅与纵 向受力钢筋的屈 服应变和截面高度有关 。钱稼茹等 基于平截面假 定给出了混凝土剪力墙截面屈服曲率 的计算公式 , 并根据试验结果 , 提 出了剪力墙截 面屈服时受压边 缘混凝土应变的计算公式。T j h i n等 采用弯矩一 曲 率分析法 , 给出了延性混凝土剪力墙屈服位移的计 算公式 , 其屈服位移公式仅与轴压 比和纵 向受力钢 筋 的屈 服应 变有 关 。上述 关 于混凝 土 剪 力墙 屈 服 曲 率或 屈服 位
16、移 的计 算 方 法 或 公 式 , 基 本 上 是 以普 通 混凝土剪力墙为研究对象而提 出的, 由于高强混凝 土 的脆性 以及一 些基 本性 能参 数 与普 通 混凝 土 有一 定差异 , 因此本文以高强混凝土剪力墙作为研究对 象提 出其顶点屈服位移的计算公式 。 高强混凝土具有高强度 、 高耐久性 、 高流动性及 高抗渗性能等优点 , 在 高层及超高层建筑 的底部若 干层采用高强混凝土剪力墙抵抗水 平荷载 , 可 以减 小剪力墙厚度 , 提高房屋的使用面积 , 具有 明显的经 济效益和社会效益 。因此, 研究高强混凝土剪力墙 屈服位移的计算方法, 将为这种剪力墙结构基于位 移 的抗 震设
17、 计 提供 依据 。 考虑高强混凝土受压强度 高等特点 , 假定截面 屈服时受压 区混凝 土压应力为线性分 布, 基于平截 面假定 , 用弯矩一 曲率分析法得到了剪力墙截面屈服 曲率公式 。采用参数分析法 , 对影 响高强混凝 土剪 力墙屈服曲率的参数进行 了分析 , 提出了考 虑轴 压 比、 纵 向受力 钢 筋 屈 服 应 变 和剪 力 墙 截 面 两端 翼 墙 面积影 响 的屈服 曲率 简化计 算公 式 以及 相应 的剪 力 墙顶点屈服位移计算公式 。 1 剪力墙截面屈服 曲率计算 1 1骨架 曲线 根据剪力墙试件在低周反复水平荷载作用下的 滞 回曲线 , 取其外包线得骨架曲线, 并将其简
18、化为 4 线型, 如 图 1所 示。图 中 Mc 、 。 、 、 、 Mp 、 、 Mu 、 分别表示开裂点 、 屈服点、 峰值点和极限点对 应的弯矩和曲率 。 图 1 弯矩一 曲率骨架曲线 1 2 剪 力墙截 面屈 服时 的应 力、 应 变分布 对于高悬臂混凝土剪力墙 , 以弯 曲变形为主, 故 假定截面在变形后保持平面。当混凝土剪力墙截面 受拉区纵 向受力钢筋应变达到钢筋屈服应变 e 时, 剪 力墙 截面 达 到屈 服 极 限 状 态 , 相应 的受 压 区边 缘 混凝土应变为 e , 如图 2 ( a ) 所示 。分析时不考虑受 拉混 凝 土 的作 用 ; 由于 高强混 凝 土 的受压
19、强度 很 高 , 故假定受压区混凝土应力仍为线性分布 , 如图 2 ( b ) 所示 。在平截 面 假定 的前 提下 , 对 称 配 筋 矩 形 截 面 剪力 墙在 屈服 状态 下 的截面竖 向分 布 钢筋 的应 力分 布如 图 2 ( c ) 所示 。 = 二 = = 二 E 二 二 二 =I 二 = 二 卫 a ( ) 截面受力及应变分布 r I 卜 兰 图 2 剪力墙截面屈服状态应力 、 应变图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 2 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 6 卷 1 3平衡 方程 由图 2 ( a ) 所示的剪力墙截面应变分布, 可得
20、截 面的 屈服 曲率 为 一 瓦 兰 一 ) 一 = 一 _一 式中: 为钢筋的屈服应变 ; h 。 为剪力墙截面有效 高度 ; 为剪力墙截面受压区相对计算高度。 屈服曲率 可采用弯矩一 曲率分析来确定 , 应 满足 应变 协调 、 材料应 力一 应变 关系 和平衡 条件 。 根据 图 2 所 示 的截 面竖 向力 的平 衡条 件 , 可得 N+ Y A + 。 w b w( h w 。 一 z ) f Y E ( z d ) , A + 1 P b ( z一 口 ) E + 寺6 E x 即 y N + _厂 A。 +f0 6 ( oz) 厂 2 E ( 一 ) A +p w b ( zn
21、) 2 +6 E 。 X 2 或 一 上P W c 2 ( 一 ) ID ,s ( 一 ) 2 + 等 ( 2 ) N A , A A n一 P s一 b h wo 10 s一 b w h wo 式 中 : b 为剪 力墙 截 面厚 度 ; h h。分 别 为剪 力 墙 的截面高度、 有效高 度; l D 。 、 10 分 别为 截面端部 受 拉 、 受压 纵筋 的 配 筋 率 ; p 为 腹 板 竖 向分 布 钢 筋 配 筋率 ; f 为混凝土轴心抗压强度; f 为受拉钢筋的 屈服 强度 ; E 、 E 分 别为钢 筋 和混凝 土 的弹性 模 量 ; 为轴 压 比 ; n 为受压 钢筋 合力
22、 点至 截面 受压 区边 缘的距离 ; A 、 A 分别为受拉和受压 区纵 向钢筋 的 截 面面 积 。 联 立公式 ( 1 ) 与 ( 2 ) , 可 求 得 截 面相 对 受 压 区高 度 和 屈服 曲率 。 1 4影 响 因素分 析 由式( 2 ) 可见 , 影响混凝土剪力墙截面屈服曲率 的因素 有 : 截面尺 寸 b 和 h 、 截 面受 压 区相 对 高度 、截面端部受拉、 受压钢筋的配筋率 f0 、 10 、 腹板竖 向分布钢筋配筋率 p 、 混凝土轴心抗压强度 厂 、 钢 筋屈服强度 -厂 和轴压 比 等 。为 了分析各 因素对 截面 屈服 蓝率 的影 响程 度 , 表 1列 出
23、 了各 因 素 的 变 化范 围及取值 ; 对于 I 形截面剪力墙 , 还考虑了翼墙 尺寸 的影 响 。 表 1 参数及取值 参数 取值 截 回 矩 彤 、 l 彤 轴压比0 、 0 0 5 、 0 1 、 0 1 5 、 0 2 0 、 0 2 5 、 0 3 0 截 面端 部纵 筋 配 筋 矩形 : 0 2 5 、 0 5 0、 1 0 0 、 2 0 0 、 3 0 0 率 I 形 : 0 0 0 5 、 1 O 0 、 2 O 0 、 3 O 0 、 4 O 0 兰 ,分 布 钢 筋 o 2 5 , 0 3 0 , 0 , 4 0 , 0 5 0 配 筋 率 混凝土强度等级 C 5 0
24、 、 C 6 0 、 C 7 0 、 C 8 0 钢 筋 强 度 级 别 萎 : 譬 i i : : : 面翼墙长 宽比1 0 , 3 0, 5 0, 7 0, 9 0 注 : 计算轴压 比时 , 材料 强度取平均值 。C5 0 C 8 0混 凝土轴 心 抗压强度平均值分别为 3 9 5 6 、 4 6 O 8 、 5 3 2 6 、 6 O O 8 。 对 表 1所 列 的 5个 参 数 ( 有 翼 墙 时 为 6个 参 数) , 每 次考 察其 中一个 参数 , 其他 参 数取 固定值 ( 取 其常用值) , 对所考察的参数 , 分别按表 1 取值 , 计算 其屈服曲率, 并绘 出屈服曲率
25、与相应参数的关系曲 线 , 考察其 变化 规律 及相 关性 。分 析步骤 如下 : 1 )选定 截 面 尺 寸 、 材 料 强 度 , 确定 所 考 察 的参 数及 其他 参数 , 联立 求解 方程 ( 1 ) 与 ( 2 ) , 得 到 屈服 曲 率 。 2 )变化 所选 定 的参数 , 重 复第 ( 1 ) 步 , 得 到相 应 的屈服 曲率 。 3 )绘 出屈 服 曲率 与相 应参 数 的关 系 曲线 。 4 )评价 其相 关性 。 按 上述 方法 , 共 进 行 了 4 0组 ( 有 翼 墙 时 为 1 6 0 组 ) 分析 , 绘制 了 4 0组 ( 有翼 墙 时为 1 6 0组 )
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