钢筋混凝土剪力墙抗震性能试验研究.pdf

第 2 5卷 2 01 0正 第 1 期 2月 山 东 建 筑 大 学 学 报 J OUR NAL OF S HANDON G J I ANZ HU UNI VERS I TY Vo 1 25 No 1 F e b 2 0 1 0 文章编号 ： 1 6 7 3 7 6 4 4 【 2 0 1 0 ) O 1 0 0 4 1 0 5 钢筋混凝 土剪力墙 抗震 性能试验研究 周广 强 ， 孙恒军 ， 周德源 ( 1 山东建筑大学 土木工程学院 ， 山东 济南 2 5 0 1 0 1 ； 2 同济大学 结构工程与 防灾研究所 ， 上海 2 0 0 0 9 2 ) 摘 要 ： 通过 四片钢筋混凝土剪力墙试件在低周反复荷载作用下 的试验 ， 对 不同轴压 比和不 同配筋形式 的试 件的 破坏形 态及破坏 机制 、 耗能能力 、 延性性 能等进行 了对 比研究 。试验 表 明随着轴压 比的增 大 ， 剪 力墙 的承载力 增 大 ， 但同时延性和耗能减小 ， 抗震性能 降低 ； 下部配有斜向对角腹筋的剪力墙 的耗能要 稍高 于普 通剪力墙 ， 斜 向钢筋 的存 在对 阻止 底部 的剪 切滑移起 到了作 用。 关 键词 ： 剪力墙 ； 抗震性 能 ； 延性 ； 耗 能 中图分 类号 ： T U 3 7 5 文献标识码 ： A Ex pe r i me nt a l r e s e a r c h o n e a r t h qu a k e r e s i s t a nt be ha v i o r o f r e i n f o r c e d c o nc r e t e s he a r wa l l s Z H O U G u a n g q i a n g ， S U N H e n g - j u n ， Z HO U D e y u a n ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S h a n d o n g J i a n z h u U n i v e r s i t y ，J i n a n 2 5 0 1 0 1 ，C h i n a ； 2 R e s e a r c h I n s t i t u t e o f S t r u c t u r e E n g i n e e r i n g a n d D i s a s t e r P r e v e n t i o n ， T o n i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ，C h i n a ) Abs t r a c t ： Ba s e d o n t h e e x p e r i me n t o f f o u r r e i n f o r c e d c o n c r e t e wa l l s u nd e r l o w r e v e r s e d c y c l i c l o a d i n g， t h i s p a pe r s t u d i e s t h e e a r t h q u a k e r e s i s t a n t b e ha v i o r o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e wa l l s wi t h d i f f e r e n t r a t i o o f a x i a l c o mp r e s s i o n a n d r e i n f o r c e me nt t y p e，s u c h a s f a i l u r e p a t t e r n，f a i l u r e me c h a ni s m ，e n e r g y d i s s i p a - t i o n，d uc t i l i t y e t e Th e e x p e r i me n t s h o ws t ha t a x i a l c o mp r e s s i v e f o r c e r a t i o i n c r e a s e s wi t h s he a r wa l l s l o a d c a r r y i n g a bi l i t y，b u t t h e i r d u c t i l i t y，e n e r gy d i s s i pa t i o n a b i l i t y a n d e a r t h q ua k e r e s i s t a n t be h a v i o r d e c r e a s e a t t h e s a me t i me，a n d t h a t t h e e ne r gy d i s s i pa t i o n a bi l i t y o f t h e s h e a r wa l l s wi t h d i a g o n al b a r s i s b e t t e r t h a n t h a t o f c o mmo n o n e s ，wi t h d i a g o n al b a r s t o r e s i s t s he a r s l i p o n t h e bo t t o m o f t h e wa l l s Ke y wo r ds： s h e a r wa l l s；e a rthq u a ke r e s i s t a n t be h a v i o r ；d u c t i l i t y；e n e r gy d i s s i pa t i o n 0 引言 剪力墙结构由于其抗侧移 刚度大， 能有效地减 小侧移 ， 具有一定的延性 ， 已逐渐成为现代高层建筑 中广泛应用的一种体系。剪力墙刚度大， 强度高 ， 能 有效地减小侧移 ， 在多遇地震下一般能很好地满足 抗震要求 。然而在大震 的情况下， 由于地震加速度 峰值大 ， 输入的地震能量大 ， 就要求剪力墙具有较好 的耗能能力 ， 具有较好的延性 。 目前国内外学者对钢筋混凝土剪力墙的性能也 进行了广泛地研究 ， 提出了很多改善钢筋剪力墙延 性性能的方法， 但都又存在着这样或那样的不足 ， 在 实际应用中受到一些限制。钢筋混凝土剪力墙的工 作机理及延性性能方面的研究也远没有柱和梁研究 得深入和成熟， 在 目前的钢筋混凝土剪力墙 的设计 规范中对以前 的研究成果也采用 的比较少 ， 所 以继 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 41 9 作者 简介 ： 周广强 ( 1 9 7 5一) ， 男 ， 山东茌平人 ， 讲师 ， 硕士 ， 主要从事混凝土结构及结构加固方面的研究 E - m a i l ： z h o u g q s d j z u e d u e n 山 东 建 筑 大 学 学 报 2 0 1 0焦 续这方面的研 究仍具有很大 的必要性 和重要的价 值 。 本文通过设计钢筋混凝土剪力墙试件 ， 考虑不 同轴压比和不同腹筋配置形式 的情况， 进行低周反 复荷载下的试验， 研究不同轴压 比和不同腹筋配置 形式对钢筋混凝土剪力墙的强度 、 延性等性能的影 响 。 1 试验概况 1 1 试件设 计与制 作 试件与原型的尺寸比例为 1 ： 4 ， 共有四个试件 ， 分为两组， 每组为两片墙。两组试件的尺寸完全相 同， 高宽比皆为 2 5 。第一组为 S W一 1 ， S W 2 ； 第二组 为 S W 3 ， S W- 4， 与第一组相 比， 腹板 中减少 了水平 腹筋 ， 增加 了斜向交叉钢筋 ( 倾斜度为 4 5 。 ) ， 二者的 含量相同。每组的两个试件的配筋完全相同。以上 两组试件的详细尺寸如图 1 所示。 试件全 部采用 C 3 0细石混凝 土浇注 ， 实测 混 凝土 的轴心 抗 压强 度 、 立 方 体 抗 压 强度 分 别 为 3 0 8 MP a 和 3 7 3 3 MP a ，弹 性 模 量 为 2 9 6 1 0 M P a 。试件的详细配筋 如图 2所示 ， 试 件 的尺 寸及配筋参数如表 1 所示 。 6钢筋的实测直径 、 屈服强度 、 极 限强度 和弹性模量分别为 6 1 8 ra m、 3 4 5 M P a 、 4 6 5 MP a和 1 9 6 X 1 0 MP a ， 8钢 筋的相 应力 学 性 能 参 数 分 别 为 7 7 2 m m、 5 2 6 7 M P a 、 5 6 0MPa、 2 O1 X 1 0 MPa 十 6 3 7 5 6 3 8 广 意 l _ L IL 上 1 lI 一 单 位 ： 3 0 0 9 0 0 3 0 0 3 5 0 3 0 0 3 5 0 图 1 试件尺寸 ； 一 主 薷 髯 对 ：麟 彗 毒 麓 4 国 3 O 嚣 j 羔鬃铝 廷 譬 蓊： 芽j ： 耨l 鬟 = j _；_王 = l 毯 | 一 2磷 0 i 尊 j 0 。“。j 簿 l 慧 ： 一 j #髫 3 O 鬻 l。6国 90 D 6， _4 中6 国 l ff ) ， 錾 甄 点 是 一 i4 3 0 5 4 0 t s o ； 3 。 再 。 ， 4 3 。 s w一 1 ( S W一 2 ) S W一 3 ( s w- 4 )单位： m m 图 2 试件 配筋 表 1 试件尺寸及配筋参数 1 2试验方案及试验过程 加载装置如图 3所示 。将试件的底梁固定在实 验室台座上 ， 可近似成固端 ， 在加荷梁上放置两个同 步液压千斤顶 ， 在千斤顶与反力架间安装了滚轴 ， 使 试件能在水平向自由变形。为防止剪力墙平面外弯 曲失稳破坏 ， 剪力墙上部高度处设置 了侧向支撑 ， 支 撑与墙 面之间用滚轴相接( 图 4 ) ， 以减小墙体与侧 向支撑之间的摩擦力。在水平反复荷载有 S c h e n c k 机加载， 由根据加载制度生成 的驱动数据文件控制 加载。在顶粱上安装了四根拉杆 ， 推时近端起作用 ， 拉时远端起作用。 周广强等 ： 钢筋混凝土剪力墙抗震性 4 3 图 3 试 验装 置 力架 斤 顶 载机 移计 向支撑 图 4侧 向支 撑 试验时先施加竖向荷载， 千斤顶严格对中， 以防 止墙体发生平面外失稳 ， 可取满载的 4 0 6 0 重 复加载 2 3次 ， 以消除试件 内部组织的不均匀性 ， 然后再加至满载并在试验过程 中保持不变 。S W一 1 ， S W 3竖向荷 载为 2 0 0 k N( 墙体 轴压 比约为 0 1 ) ， S W一 2， S W- 4竖 向荷 载 为 4 0 0 k N( 墙 体轴 压 比约 为 0 2 ) 。水平反复荷载采用荷载 、 位移混合控制的加 载制度 ， 加载频率为 1 5 0 H z 。分 为两个 阶段 ： 第一 阶段采用荷载控制 ， 第二 阶段为位移控制。 2 试 验现象及试验 结果分析 2 1 试验破 坏 过程 及结 果分 析 ( 1 ) S W一 1 当水平荷载达到 4 5 k N时 ， P l骨架 曲线上第 一 次出现明显转折 ， 说 明混凝土已开裂 ， 但由于此时 裂缝微小 ， 现场并未观察 出任何裂缝。当水平力达 到 6 0 k N时， 在墙体一侧 暗柱底部 出现了第一条水 平微裂缝 ， 当水平力达到 8 0 k N时， 原有水平裂缝变 宽并 向墙面发展 ， 在墙体另一侧 暗柱底部也 出现 了 一 条水平裂缝 。当水平力达到 1 0 0 k N时 ， 原有裂缝 进一步向墙面发展， 并在原有裂缝附近发现了几条 水平 裂 缝 ， 试 件 进 入 屈 服 阶段 ， 此 时 位 移 已达 1 4 m m， 此后改 为位移 控制。当位移控 制 =1 8 m m 时 ， 在墙体一侧暗柱距基础约 2 c m处 出现了一条竖 向裂缝 。当位移控制达到=2 2 mm时 ， 在墙体两端 距底部约 7 5 0 ra m范 围内出现 了多条水平裂缝并斜 向下发展。当位移控制达到= 2 6 ra m时， 墙面中部 出现了多条斜向裂缝 ， 在墙面底部距基础约 3 c m处 一 条水平 裂缝基本贯 通。到 当位 移控制循 环 = 2 8 mm时 ， 斜向裂缝进一步发展 ， 在墙面上 2 3高度 范围内已出现了更多的斜向对角裂缝 。当位移控制 达到 = 3 2 m m时， 墙体底部的水平裂缝增多 ， 原有 水平裂缝进一步变宽并 向墙面中部发展 ， 墙体一侧 的角部混凝土发生部分剥落 ， 当位移控制达到 = 3 6 m m时 ， 墙 角处混凝土剥落更加严重 ， 墙体另一侧 的角部混凝土也出现剥落现象。当位移控制达到 = 5 0 m m第一次循环时 ， 墙体一侧 的角部混凝土压 酥 ， 发生严重破坏 ， 纵筋受压屈 曲， 箍筋脱开 ， 墙体承 载力急剧下降 ， 试验结束。试件的最后破坏形态如 图 5所 示 。 ( 2 ) S W一 2 当水平荷载达到约 5 0 k N时 ， P 骨架曲线上 第一次出现明显转折 ， 说明混凝土已开裂 ， 但由于此 时裂缝微小 ， 现场并未观察 出任何 裂缝。当水平力 达到 1 0 0 k N时 ， 在墙体底部侧面( 暗柱) 出现 了第一 条水平裂缝 ， 当水平力达 到 1 1 0 k N时 ， 原有水平裂 缝进一步发展 ， 附近又出现 了两条水平裂缝 ， 在墙体 底部另一侧也 出现了一条水平裂缝。当水平力达到 1 3 0 k N时， 在底部墙面出现了一条斜向裂缝 ， 试件进 人屈服阶段 ， 此时位移 已达 1 8 mm。当位移控 制达 到 =2 2 mm时 ， 在墙面上距墙体底部约 7 5 0 mm范 围内出现了几条对角斜 向裂缝 ， 墙面的部分斜裂缝 已发展得十分狭长。随着位移的不断增大和循环的 进行 ， 对角斜向裂缝不断增多并逐渐发展 ， 斜裂缝出 现的次序是沿墙体 自下向上的。当位移控制达到 = 2 6 ra m时 ， 在一侧墙角( 暗柱) 处出现 了竖 向裂缝 ， 部分混凝土剥落 ， 底部墙面又出现了两条水平裂缝。 当位移控制达到=3 2 mm时 ， 墙角混凝土大面积剥 落， 当位移控制达到 =4 0 m m时 ， 墙角( 暗柱 ) 处纵 筋压屈外凸。当位移控制达到 = 4 6 m m时 ， 荷载迅 速下降 ， 墙 体底 部完全破坏 ， 钢筋露 出， 试验停止。 试件的最后破坏形态如图 6所示 。 山 图 5 S W 1破坏形态 图 6 S W一 2破坏形态 ( 3 ) S W- 3 当水平荷载达到 4 3 k N时， 一 骨架曲线上第 一 次出现明显转折 ， 说明混凝土已开裂 ， 但由于此时 裂缝微小， 现场并未观察 出任何裂缝 。当水平力达 到 5 5 k N时， 在墙体一侧 暗柱底部 出现 了第一条水 平微裂缝， 力反 向达到 6 0 k N时在另一侧也 出现一 条裂缝。当水平力达到 1 0 0 k N时 ， 原有裂缝进一步 向墙面发展 ， 并在原有裂缝附近发现了几条水平裂 缝， 试件进入屈服阶段 ， 此后改为位移控制。当位移 控制 =1 6 m m 时， 在墙体一 侧暗柱距基础约 5 c m 处出现 了一 条竖 向裂缝。当位 移控 制 达 到 A= 2 0 ra m时， 在墙两端距墙体底部约 7 5 0 m m范 围内出 现了几条水平裂缝并斜 向下发展 ， 墙体一侧暗柱角 部出现 了多条 近 竖 向裂缝 。位 移控 制 达到 = 2 2 ra m时， 墙体一侧暗柱角部混凝土部分脱落。当 位移控制达到 ： 2 6 ra m时， 墙面中部出现了多条狭 长的斜向对角裂缝 ( 近 4 5 。 ) ， 在墙体底部 的近水平 裂缝增多 ， 墙体一侧暗柱底部混凝土部分压碎。到 当位移控制循环 A= 2 8 ra m时， 墙体另一侧暗柱底部 混凝土部分压碎， 斜 向裂缝进一步发展， 在墙 面上 2 3高度范围内已出现了更多的斜 向对角裂缝， 斜 向对角裂缝相互交叉。当位移控制达到 =3 6 mm 时， 墙体 两侧 暗柱底 部混凝 土进 一步 破坏。= 4 0 m m时 ， 墙体一侧的角部混凝土压酥 ， 纵筋受压屈 曲， 墙体承载力急剧下降 ， 试验停止。试件的最后破 坏形态如图 7 所示。 ( 4 ) S W- 4 当水平荷载达到约 5 7 k N时， P l骨架 曲线上 第一次出现明显转折， 说明混凝土已有开裂 ， 但由于 此时裂缝微小 ， 现场并未观察出任何裂缝。当水平 力达到 8 0 k N时 ， 在墙体底部侧 面( 暗柱 ) 出现了第 一 条水平裂缝 ， 当水平力达到 1 0 0 k N时 ， 原有水平 裂缝进一步发展 ， 附近又出现了一条水平裂缝 ， 在墙 体底部另一侧也出现了一条水平裂缝。当水平力达 到 1 3 0 k N时 ， 在墙面约 4 08 0 e ra 高度 范围内出现 了5条斜向对角裂缝( 近 4 5 。 角) ， 试件进入屈服阶 段 ， 此 时位 移 已达 1 4 mm。当位移 控制 达 到 = 1 8 m m时， 在墙体暗柱两侧约距底部 6 0 c m范围内出 现了几条水平裂缝并向墙面发展 ， 墙面上的原有斜 向裂缝继续发展并不断增多。当位移控制达到 A= 2 2 mm时 ， 在墙体暗柱两侧原水平裂缝的上方又 出 现了两条水平裂缝， 并在墙体一侧暗柱的底部 出现 了一条竖向裂缝。当位移控制达到= 2 6 m m时 ， 在 墙体一侧暗柱的原竖 向裂缝处部分外层 混凝 土剥 落。当位移控制达到= 2 8 m m时， 墙体另一侧暗柱 底部部分外层混凝土剥落 ， 斜 向裂缝继续发展， 数量 继续增加 ， 并开始出现 了对角斜裂缝相互交叉的现 象。当位移控制达到A= 3 2 ra m时 ， 墙面底部的水平 裂缝已经贯通。当位移控制达到 A： 4 0 m m时 ， 墙体 两侧暗柱底部处混凝土压碎脱落 ， 其中一侧脱落严 重。当位移 控 制达 到 =4 2 m m 时， 荷 载 下 降到 8 5 以下 ， 试验停止。试 件的最后破坏形态如图 8 所示 。 图 7 S W 3破坏形态 图 8 S W- 4破坏形态 广强等 ： 钢筋混凝土剪力墙抗震性能试验研 4 5 轴压 比低 的试件 ( S W 1 、 S W 3 ) 的极限承载力 明显低于高轴压 比的试件 ( S W一 2 、 S W- 4) ， 但 达到极 限荷载后曲线的下降明显 比后者更趋缓慢 ， 延性更 好 。 从最终的破坏形态来看 ， 构件破坏时， 带有斜 向 对角配筋的试件 ( S W 3 、 S W- 4 ) 与普通试件 ( S W一 1 、 S W一 2 ) 相 比， 斜向裂缝发展得更为充分 ， 斜 向对角裂 缝相互交错 ， 覆盖了墙 面约 2 3的高度。普通剪力 墙试件( S W 1 、 S W 2 ) 破坏时， 墙的底部都 出现了明 显的水平通缝 ， 尤 其是试 件 S W一 2水平 通缝处混凝 土脱落更加严重 ， 这是试件底部剪切滑移的结果 ； 而 带有斜 向对 角配筋 的试 件 ( S W 3 、 S W- 4 ) 底部 的水 平通缝不太明显 ， 这说 明对角斜 向钢筋对阻止底部 的剪切滑移发挥了作用。 2 2 加载特征点及延性比较 各试件开裂 、 屈服等加载特征点及位移延性如 表 2所示 表 2 加载特征点及 延性 试 件 荷载方向 开裂荷载 k N 开裂位移 m m 屈服荷载 k N 屈服位移 m m 极限荷 载 k N 极限位移 m m 位移延性 6 负向 正向 均值 负向 正向 均值 负向 正向 均值 负 向 正 向 均值 3 3 7 3 2 6 3 3 2 2 9 0 2 4 9 2 7 0 2 7 7 2 7 9 2 7 8 3 2 3 3 0 1 3 1 2 由表中可 以看 出， 同等轴压 比下试件 S W 3的 屈服荷载和极 限荷载与 S W 1相近 ， S W- 4的屈服荷 载和极限荷载要 高于 S W 2 。轴压 比高的试件 的加 载特征点要比轴压 比的试件 的相 应的加载特征点 高。 轴压比低的试件的延性系数要高于轴压比高的 试件。同等轴 压 比下 ， 带 有斜 向对角 配筋 的试 件 S W- 4的延性 系 数 比普通 配筋 试 件 S W- 2提高 了 1 5 6 ； 但试件 S W 3的延性 系数却低 于试 件 S W一 1 ， 这可能与二者的加载制 度不 同有关 系， 由于试验 时第一个加载的试件是 S W一 3 ， 为确保试验的顺利进 行( 主要是为防止侧 向失稳 的发生 ) ， 试件 S W一 3加 载到屈服后位移控制阶段 每级位移的增量较小， 而 且每级位移的循环次数 比较多 ， 这样 可能造成了构 件的更大的刚度退化 ； 另外 ， 由于墙体试件的厚度比 较小 ， 斜向钢筋的配置使试件腹板中钢筋 网内的空 间更小， 在浇注混凝土时振捣不好从 而造成强度 和 刚度的降低可能是另外一个原因。而从耗能能力的 角度看 ， 试件 S W一 3的总耗能能力( 9 1 3 1 6 J ) 比 S W一 1 ( 8 9 5 2 7 3 J ) 高出了9 2 。 2 3耗能 能力 各试件在低周反复加载过程中的耗能值如图 9 所示 ， 总耗能能力见表 3 。 - 、 一 誓a 位移 mm 图 9 各试件每循环的耗能对比图 表 3 各试件的总耗能能力 _ -S W- l +S L 2 十S L 3 一 S W- 4 从 以上数据可以看 出， 在 同等位移循环下 ， 轴压 比大的试件 ( S W 2 、 S W- 4) 每周循环的耗能 略微 高 于轴压比小 ( S W 1 、 S W 3 ) 的试件 ， 但对于总耗能能 ( 下转第 5 0页) 2 l 2 6 卯 9 4 9 9 6 ， 。 0 0 ：2 4 3 弼 3 弭 3 ( 8 6 4 4 2 8 H c = _ m 勰勰 m 驺 一 1 一 1 1 1 l 一1 l ：合 一 - _ 铝 一 砌姗砌咖 山 东 建 筑 大 学 学 报 2 0 1 0芷 件能确保系统中数据 的安全性和一致性 ， 而且使用 方便 ， 插值精度较高 ， 可满足各种 型号活塞插值要 求 。 表 1 裙部 中凸型线 的计算值与给定值的比较 注 ： 为裙部 高度 ； D为 横截 面长度 直径 ； O o为 长轴直 径基 数 ( t 1 0 0 ) ； c为横截面椭 圆度 ； D 为拟合 出的横截 面长轴直径 ； e为长 轴直径拟合误差。 ( 上接第4 5页) 力而言 ， 轴压比小的试件要明显好于轴压 比大的试 件 。同等轴压比的情况下， 带有斜向对角配筋 的剪 力墙的耗能总值略高于普通剪力墙 。 3 结论 通过对 4片钢筋混凝土剪力墙在低周反复荷载 作用下的试验及分析 ， 可得出以下结论 ： ( 1 ) 随着轴压比的增大 ， 剪力墙的承载力增大 ， 但同时延性和耗能减小， 抗震性能降低。 ( 2 ) 同等配筋率情况下 ， 下部配有斜向对角腹 筋的剪力墙的耗能要稍高于普通剪力墙 ， 斜 向钢筋 的存在对阻止底部的剪切滑移 、 减小剪切变形起 到 了作用 ， 但 由于剪力墙的高宽比比较大 ， 剪力墙受弯 曲控制 ， 斜 向钢筋的作用没有得到充分发挥。 参考 文献 ： 1 徐娟， 徐伯彦， 张春玲， 等液态 L P G直喷发动机混合气形成 的数值分 析 J 山东建 筑 大学 学报 ，2 0 0 9， 2 4( 3 ) ：1 8 9一 l 9 4 2 杨杰， 蔡少娌， 齐运亮， 等 滚流强度对 L P G发动机混合气体 的影响 J 山东建筑大学学报 ， 2 0 0 9 ， 2 4 ( 5 ) ： 3 9 64 0 1 3 邓 中亮 非圆零件车削加工技术 M 北京 ： 人 民邮电出版社 ， 1 9 9 8 1 72 9 4 秦 月霞 ， 宋刚 ， 胡德金 活塞 裙部型面的样条插值 系统 J 上 海交通大学学报 ， 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