鋼筋混凝土剪力墻抗震性能試驗研究

0結構抗震性能為了減少地震造成的損失，建筑結構的抗強設計理論不斷發(fā)展，基于性能的抗強設計方法越來越受設計研究者的重視。其中基于位移的設計方法是其研究的重點?；谖灰频脑O計方法是指用量化的位移指標來控制建筑物的抗震性能,直接把位移作為抗震性能指標和結構設計參數,是現(xiàn)階段實現(xiàn)基于性能的抗震設計的一條重要途徑。該方法明確了結構的性能目標與地震損傷的對應關系,從而實現(xiàn)對結構地震損傷的有效控制。剪力墻是高層結構抗震的主要抗側力構件之一,剪力墻的抗震性能決定了地震時結構的安全。為了有效控制地震作用下整體結構的損傷破壞,就要明確剪力墻構件各階段的地震損傷狀態(tài)。影響剪力墻抗震性能的因素主要有軸壓比、高寬比、邊緣構件配箍率、構件截面形式等。本文以軸壓比、邊緣構件配箍率、構件截面形式為主要參數,設計并完成了鋼筋混凝土剪力墻構件的低周反復加載試驗,詳細記錄了構件各損傷階段的變形和裂縫寬度,研究了構件的地震損傷破壞過程和破壞程度,對比研究了各參數對構件承載力、變形特點、地震損傷、延性的影響規(guī)律,為基于位移的地震損傷控制設計提供試驗依據。1試驗設計1.1試件的基本信息試驗參考現(xiàn)行結構設計規(guī)范以及實際工程中各設計參數的經驗取值,確定了各參數的具體取值,共設計了7個試件,各試件的高寬比相同。試件混凝土材料的設計強度等級為C30,支座及加載梁的縱向鋼筋為HRB335,箍筋為HPB235,墻體的縱向鋼筋和箍筋為HPB235。試件的基本信息見表1,典型試件的截面配筋和形狀如圖1,2所示。其中,試件SW1,SW2和SW3用于研究軸壓比對構件性能的影響;試件SW3,SW4和SW5用于研究邊緣構件配箍率對構件性能的影響;試件SW3,SW6和SW7用于研究截面形式對構件性能的影響。1.2確定千斤頂軸向力采用單懸臂形式進行加載試驗,豎向用千斤頂施加軸向力,為減小頂梁與千斤頂之間的摩擦力對試驗結果的影響,在千斤頂的頂端設置滾軸;用申克加載機施加水平往復荷載。試驗加載裝置及位移計布置如圖3所示。1.3加載水平加載試驗采用擬靜力方式進行加載。試驗時,先在墻體頂部施加壓力,按照《建筑抗震試驗方法規(guī)程》(JGJ101—96)的要求,先在墻體頂部施加大小為滿載的40%豎向壓力,重復加載2~3次,以消除試件內部組織不均勻性,然后軸向壓力加至滿載并在試驗中保持不變。水平加載分兩個階段:第一階段采用力控制,先單調逐級加載至開裂,循環(huán)一次,以后各級荷載循環(huán)一次,直至屈服;第二階段采用位移控制,分別按屈服時頂點位移的倍數逐級加載,每級循環(huán)三次,直至試件的承載力大概下降到極限承載力的80%為止。2試件的破壞情況試驗的7片剪力墻試件的損傷破壞過程大致相同。從零開始逐步加載后,試件的翼緣或側邊逐漸出現(xiàn)微細水平彎曲裂縫,水平力卸載至零時,裂縫基本閉合,此階段損傷發(fā)展緩慢,主要表現(xiàn)為沿試件高度方向彎曲裂縫數量的增加。荷載逐步加大至試件屈服前,試件的腹板下部出現(xiàn)了剪切斜裂縫,水平彎曲裂縫數量、寬度、長度有所增加。當試件屈服后,損傷速度明顯加快,在已有腹板剪切斜裂縫上部不斷出現(xiàn)新的斜裂縫,已有裂縫在其長度和寬度上急劇發(fā)展,殘余裂縫寬度越來越大。隨著位移和循環(huán)次數的增加,先是試件邊緣下部的混凝土保護層壓碎剝落,然后箍筋內的混凝土開始壓碎剝落,混凝土壓碎和剝落的范圍不斷擴大,試件兩端最外邊的縱筋壓屈、斷裂。試件的典型破壞過程如圖4所示。對比試件SW1,SW2,SW3損傷過程,隨著軸壓比增大,試件腹板斜裂縫開展方向越來越陡,試件邊緣混凝土保護層剝落區(qū)的范圍逐漸變大。對比試件SW3,SW4,SW5損傷過程,隨著配箍率增大,縱筋壓屈破壞程度越來越低,試件邊緣混凝土保護層剝落區(qū)的高度降低。對比試件SW3,SW6,SW7損傷過程,工字形、一字形截面試件正向和反向加載時的損傷情況基本相同;T字形截面試件由于截面不對稱,正向和反向加載時強度和剛度相差較大,無翼緣側比有翼緣側的損傷嚴重。工字形和T字形截面試件斜裂縫開展方向比一字形截面試件要陡,墻身上部的斜裂縫數量也多于一字形截面試件。通過觀察各試件試驗過程中出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象,得到鋼筋混凝土剪力墻試件破壞全過程為:翼緣混凝土開裂→腹板混凝土開裂→翼緣縱筋受拉屈服→腹板縱筋受拉屈服→翼緣混凝土保護層邊緣壓碎→翼緣混凝土保護層剝落→翼緣核心區(qū)混凝土壓碎→翼緣縱筋壓屈→翼緣縱筋斷裂。3實驗數據分析3.1試驗結果分析圖5給出了部分試件的荷載-位移滯回曲線,分析各滯回曲線形狀,可得到如下特點:(1)試件開裂之前,滯回曲線近似于直線,加載和卸載曲線基本重合,試件基本處于彈性階段;試件開裂后,剛度退化,滯回曲線發(fā)生彎曲,隨著加載的繼續(xù),滯回環(huán)面積逐漸增大。(2)試件屈服后,滯回環(huán)面積顯著增大,同一控制位移級別下隨循環(huán)次數的增加,試件強度和剛度均退化明顯。(3)達到極限承載力后,滯回曲線下降變陡,承載力明顯降低,但試件仍表現(xiàn)出一定的延性。(4)對于各試件,從接近極限承載力開始表現(xiàn)出粘結滑移效應,試件在卸載時曲線向原點捏攏。由于捏攏現(xiàn)象的存在,卸載至接近于零時,試件剛度下降較多。3.2延性系數的計算將荷載-位移滯回曲線的各滯回環(huán)峰值點連線得到各試件的荷載-位移骨架曲線,如圖6所示,其中圖6(a)~(c)分別就軸壓比、配箍率、截面形式對骨架曲線的影響進行了對比。延性是反映結構構件變形能力和抗震性能的主要指標。對鋼筋混凝土結構通常采用位移延性系數來反映延性的大小,并以極限位移與屈服位移的比值來定義延性系數μ。采用目前應用比較廣泛的Park提出的方法,根據骨架曲線確定各試件的屈服點。對于極限破壞點,取骨架曲線的荷載下降至極限承載力的85%的點為破壞點,對應的位移為極限位移。各試件延性系數的計算結果列于表2。對于軸壓比不同的試件,隨著軸壓比的增大,試件的極限承載力顯著提高,延性系數逐漸減小。試件SW3的極限承載力是SW1的2.02倍,是SW2的1.43倍;試件SW1的延性系數是SW2的1.06倍,是SW3的1.33倍。對于配箍率不同的試件,隨著配箍率的增大,構件的極限承載力和極限位移增長并不顯著,其延性系數變化并無明顯規(guī)律。對截面形式不同的試件,工字形截面試件的承載力和延性最大,T字形截面試件次之,一字形截面試件最低。工字形截面試件的極限承載力是T字形截面試件的1.3倍,是一字形截面試件的2.4倍。工字形截面試件的延性系數是T字形截面試件的1.18倍,是一字形截面試件的1.17倍。工字形和一字形構件正向和反向加載兩個方向的受力性能基本相同,T字形截面試件兩個方向的受力性能相差較大,有翼緣側明顯好于無翼緣側。3.3剪切變形占總變形比例的變化剪力墻的變形主要由彎曲變形和剪切變形組成。剪切變形占總變形的比例反映了剪力墻的受力破壞特征,剪切變形占總變形的比例較大時,剪力墻發(fā)生以剪切變形為主的破壞,試件的破損發(fā)展迅速,呈脆性特性;剪切變形占總變形的比例較小時,剪力墻發(fā)生以彎曲變形為主的破壞,試件的破損逐步累積發(fā)展,呈延性特性。試驗時采用量測墻體對角線長度的方法,測定剪切變形。各試件的加載特征點所對應的剪切變形和總變形的關系見表3。對于軸壓比不同的試件,隨著軸壓比的增大,剪力墻的剪切變形占總變形的比例逐漸增大,剪切效應增大。對配箍率不同的試件,剪切變形占總變形的比例變化規(guī)律不明顯。對截面形式不同的試件,工字形截面試件剪切變形占總變形比例比一字形截面試件大很多,工字形截面試件剪切效應比一字形截面試件明顯。所有試件屈服荷載點、極限承載力點、極限位移點剪切變形占總變形的比例依次增大,說明隨著構件變形的增大、損傷的加劇,剪切效應越來越顯著。3.4裂縫寬度隨加載位移的變化特征試件裂縫的發(fā)展能較好地反映構件的損傷狀態(tài)。各試件的裂縫主要集中在試件下部一半高度(1000mm)范圍內。就裂縫的出現(xiàn)過程而言,在混凝土開裂后,試件屈服之前,隨著荷載的逐級增大,裂縫的寬度變化不大,卸載后裂縫幾乎都能閉合。沿試件高度方向,不斷出現(xiàn)新的裂縫,裂縫的數量不斷增加。當試件屈服以后,隨著加載位移的增大,不斷出現(xiàn)新的裂縫,裂縫在長度和寬度上不斷發(fā)展,殘余裂縫寬度不斷增大,裂縫相互連通。當試件超過極限承載力后,基本不再出現(xiàn)新的裂縫,最大裂縫和殘余裂縫的寬度隨著加載位移的增大而增大。在加載后期,由于構件表面混凝土的剝落,使得裂縫寬度已不方便測量。表4列出了各加載特征點的最大裂縫寬度、殘余裂縫寬度和裂縫殘余率,其中定義殘余裂縫寬度與最大裂縫寬度的比值為裂縫殘余率。通過對比可以看出,當試件屈服時,殘余裂縫寬度很小,均值為0.03mm;裂縫殘余率均值為0.17,試件基本完好。當試件達到極限承載力時,裂縫寬度增大,殘余裂縫寬度均值為0.34mm,裂縫殘余率均值為0.21,殘余裂縫明顯。當試件達到極限位移時,裂縫進一步增大,此時殘余裂縫寬度均值為0.56mm,裂縫殘余率均值為0.25。隨著損傷的加劇,裂縫殘余率增大。分別針對軸壓比、配箍率和截面形式對裂縫寬度隨變形的發(fā)展進行對比分析,如圖7所示,其中橫坐標為位移角(位移與構件高度之比),縱坐標為裂縫寬度。對于軸壓比不同的試件,當位移角小于1.0%時,SW1和SW2的裂縫寬度發(fā)展基本相同,SW3裂縫寬度發(fā)展稍慢。當位移角大于1.0%時,SW3裂縫寬度發(fā)展快于SW1和SW2。在整個加載過程中,隨著軸壓比的增加,裂縫殘余率減小。對于配箍率不同的試件,配箍率對裂縫寬度、殘余裂縫寬度和裂縫殘余率的影響規(guī)律不明顯。對于截面形式不同的試件,當位移角小于0.5%時,三者的裂縫寬度發(fā)展基本同步,說明翼緣對初始裂縫的寬度影響不大。在位移角超過0.5%之后,一字形截面試件的裂縫寬度發(fā)展明顯快于其他兩個試件,說明翼緣對試件后期損傷的發(fā)展影響較大。此外,截面形式對裂縫殘余率的影響規(guī)律不明顯。4軸壓比和截面形狀對殘余率的影響,主要有以下幾種(1)軸壓比、截面形式是影響構件承載力和延性的主要因素。隨著軸壓比的增大,構件的承載力增大、延性降低。邊