钢筋混凝土短肢剪力墙的研究现状及展望.doc

钢筋混凝土短肢剪力墙的研究现状及展望摘要：对国内钢筋混凝土短肢剪力墙的研究现状进行了综述与分析，内容涉及短肢剪力墙的定义、剪力墙的抗震性能试验、计算分析及设计研究等方面。重点阐述了轴压比、肢厚比、水平配筋率、支撑、翼墙等因素对短肢剪力墙抗震性能的影响；同时对短肢剪力墙的研究工作提出了一些亟待解决的问题。关键词：钢筋混凝土；短肢剪力墙；抗震性能；研究现状Abstract: The state-of-the-art of short piers RC shear wall is summarized in this paper.Datails related to difination，experimental study , computional analysis and design study of short pers shear wall and so forth are involved. More attentions are paid to the influence of some key parameters on seismic performance，key parameters discussed include ratio of axial compression，flang-width ratio，aclinic reinforcement ratio，bracings and so on .Besides，recommendations for further research are given.Keywords: reiforced concrete；short piers shear wall；seismic behavior；state-of-the-art引言着人们对生活质量的不断追求，对居住条件的要求也越来越高，短肢剪力墙结构凭借其独特的优势：结构形式多样，一般不与建筑使用功能冲突，无漏墙漏柱的现象且空间利用率高；结构布置灵活，给结构工程师留下更大的创作空间；节省材料，降低造价，得到广大开发商们的喜爱。基于上述原因短肢剪力墙结构在我国有着更广泛的应用前景，对短肢剪力墙的研究工作也一直在进行着。本文主要介绍了国内的研究现状，并做了一些展望。1.短肢剪力墙定义 什么是短肢剪力墙？文献1中定义为：短肢剪力墙是指墙肢截面高度和厚度之比为58的剪力墙，通常墙厚不小于200mm。文献2中定义：短肢剪力墙是指截面高度和厚度之比满足4hw/bw8（hw、bw含义见图1）的剪力墙，截面厚度不大于300mm。对于T型、L型、十字型的剪力墙，当两个方向的墙肢均满足4hw/bw8时，才为短肢剪力墙。当洞口较小且连梁刚度较大，剪力墙的受力接近整体小开口墙时，可按整体墙长度判断是否属于短肢剪力墙，可见文献2已经考虑了肢强系数和整体性系数来判断是否为短肢剪力墙，对文献1的定义进行了完善。文献3对肢强系数和整体性系数对短肢剪力墙受力性能的影响通过有限元分析方法做了具体的研究，结论为短肢剪力墙的判定条件是：，10。2.试验研究现状 2.1 轴压比对短肢剪力墙抗震性能的影响文献4通过对13片一字形短肢剪力墙的低周反复荷载试验研究，较为系统的分析其破坏形态、破坏机制、特征荷载、位移延性、刚度退化、耗能能力等由于本次试验在较高的轴压比下进行(轴压比分别为0.3、0.5、0.7)，试件的滞回曲线呈耗能特性很差的狭长纺锤状，“捏缩”效应比较明显，粘结滑移特性显著。试件得到极限强度后，承载力随着位移的增加下降很快，刚度退化特性十分明显，延性较差。由实验结果可知随着轴压比的提高，滞回环愈呈捏拢现象，滞回次数减少，表明其耗能能力随着轴压比的提高而降低。当轴压比为0.5、0.7时，在荷载P达到最大值，亦即试件达到最大承载力后，滞回曲线迅速下降，表明延性很差，构件的初始刚度有显著的提高，加载初期没有明显变化，但是一旦刚度退化及急剧减小，在无明显征兆的情况下突然破坏，所以在工程中应尽量避免高轴压比。文献8试验结果表明轴压比越大，截面的滞回曲线不对称也越明显，这对抗震也很不利。文献14对6个1/2缩尺的比例的L形截面短肢剪力墙进行了低周反复荷载作用下的试验研究，随着轴压比的提高，试件的极限承载力有所增加，但是延性下降明显，且肢厚比越大延性下降越明显。且轴压比大剪跨比小的短肢剪力墙易发生弯剪破坏，轴压比越大几啊跨比越小，试件剪切破坏现象越明显。轴压比小，剪跨比打易发生弯曲破坏。文献15设计了6片不同轴压比（0.3、0.5、0.7每组制作两个）和3片不同配筋方式的一字形短肢剪力墙进行抗震性能试验研究，基于试验结果,对试件的破坏形态、滞回性能、位移延性、耗能能力、刚度退化等方面进行了分析，发现轴压比对一字形短肢剪力墙抗震性能影响较大，随着轴压比的增加试件表现出明显的脆性，所以设计中应限制轴压比。2.2 肢厚比对短肢剪力墙抗震性能的影响 文献6试验结果表明随肢厚比增大，耗能指标总体上有增长的趋势。文献89对15根短肢剪力墙构件在低周反复荷载作用下进行了试验和分析，结果表明短肢剪力墙结构中，层间弹塑性位移角随着截面肢厚比的增大而减小，因而肢厚比越大对试件的抗震越不利。当肢厚比从4增大到9时,构件裂缝区域从下部逐渐向上部发展，裂缝方向从趋于水平逐渐成斜向，构件从偏心拉压破坏到剪切破坏，即随着肢厚比的增大，结构的计算模型将会有所区别。随着肢厚比增加承载能力有所增加。文献12通过3个带翼缘短肢剪力墙抗震性能试验研究，结果表明，当试件的肢厚比较小时，滞回曲线上的下降段比较明显，下降坡度也较平缓，说明此时试件的延性好，刚度退化慢。当肢厚比较大时，试件没有明显的下降段，试件破坏是由连梁混凝土压碎造成的，其破坏有很大的突然性，属于脆性破坏，延性也降低。文献14试验结果表明随着肢厚比的提高刚开始的剪力墙极限承载力提高很快，但是随肢厚再增大，剪力墙的极限承载力增加趋势渐缓。但是延性下降明显，且随肢厚比增加下降愈明显。2.3 水平配筋率对短肢剪力墙抗震性能的影响 文献4由横向配筋率组的6个试验试件实验结果表明随着水平配筋率的提高，构件的延性系数有一定的提高。 文献18制作了3个一字形短肢剪力墙试件，采用较大间距的纵向分布钢筋，通过改变横向钢筋配筋率研究其对试件抗震性能的影响。试验结果显示腹部纵向配筋间距较大时,裂缝在暗柱区域和中间区域交接处会出现转折,表现出一定的剪切裂缝的特点。当横向钢筋配筋率增加时,腹部裂缝分布趋向合理。但是增加横向钢筋不能提高极限承载能力,试件水平位移和位移延性有少量增加。2.4 支撑对短肢剪力墙抗震性能的影响文献4由配筋形式组的试验结果显示暗柱和对角斜钢筋均提高构件的延性。文献15试验结果表明配有X型交叉筋的短肢剪力墙的裂缝分布均匀,承载能力较高,延性较好，提出了一字形短肢剪力墙一般应采用带暗柱及X形交叉配筋形式。文献16对6个l2缩尺的Z形截面短肢剪力墙构件进行了低周反复荷载下的抗震性能试验研究，墙肢截面高厚比分别为5、6.5、8，按普通与墙板中加设暗支撑两种情况进行设计。试验结果显示带暗支撑短肢剪力墙极限承载力、后期刚度、延性系数、耗能能力比普通短肢剪力墙均有明显的提高。它们的开裂刚度相差不大，但是带支撑的短肢剪力墙屈服刚度比普通短肢剪力墙有明显的提高。建议：可采用与本文类似的配筋方法，设计带暗支撑短肢剪力墙。暗支撑的倾角在6075度为宜，暗支撑配筋比(暗支撑钢筋与墙板总钢筋的重量比)在0.10.3。文献17对6个l2缩尺的一字形截面短肢剪力墙构件进行了低周反复荷载下的抗震性能试验研究，墙肢截面高厚比分别为5、6.5、8，按普通与墙板中加设暗支撑两种情况进行设计。）一字形截面带暗支撑短肢剪力墙的开裂荷载、明显屈服荷载和极限荷载，弹塑性位移、延性和耗能能力均比普通短肢剪力墙的提高，且带暗支撑的短肢剪力墙刚度衰减慢，滞回曲线的滞回环饱满。其中墙肢高厚比为5.0和6.5的短肢剪力墙的综合抗震能力提高较为显著。2.5 翼墙对对峙剪力墙抗震性能的影响文献5和67通过有翼墙和无翼墙两组6个短肢剪力墙试件进行抗震性能试验研究，结果表明有翼墙短肢墙结构的受力性能优于无翼墙结构，无翼墙短肢墙结构，当墙肢较短时，墙肢底部纵筋首先屈服；当墙肢较长时，连梁箍筋首先屈服，有翼墙短肢墙结构，无论肢厚比大小，均表现为墙肢和翼墙底部纵筋首先屈服。 文献13试验结果表明带翼缘短肢剪力墙试件的延性性能和耗能能力均大于无翼缘短肢墙试件，这为规范限制一字形剪力墙的使用提供了佐证。2.6 连梁刚度对短肢剪力墙抗震性能的影响文献5试验结果表明6个试件的最终破坏均是由于连梁失效引起的，连梁是短肢墙结构的薄弱环节。在设计时不仅应保证连梁有一定的刚度，还要重视连梁的延性设计，如箍筋全长加密等。文献1011介绍了对称双肢短肢剪力墙的拟静力试验，。试验结果表明，短肢剪力墙是一种强肢弱梁型的联肢墙，连梁的屈服先于墙肢的屈服，且连梁屈服后，由于内力重分布的作用，使材料的性能得到充分的发挥。短肢剪力墙有很好的抗震性能，墙肢没有反弯点，当墙肢愈强时，即肢强系数愈小时，其侧向刚度、承载力愈大，但延性有所降.文献12 13试验结果表明，连梁是短肢剪力墙的薄弱环节，试验中破坏严重，设计中需要加强，且要保证连梁和墙肢的刚度比例适中，才有利于结构整体性能的发挥，当连梁和墙肢的刚度比控制在0.030.05范围内，墙肢的性能能得到较好的发挥。3.短肢剪力墙计算分析及设计研究现状 文献1921 通过弹性有限元分析，给出了8，10，12层整体系数=410的短肢剪力墙的判别系数导出了墙肢截面为T形、L形，对称的双肢短肢剪力墙最小肢高厚比公式，并给出了设计表格。在理论研究、有限元分析和大量计算的基础上,得出了水平荷载下短肢剪力墙的整体侧移曲线属于弯剪型的结论，同时给出了确定整体侧移曲线反弯点位置的方程式和计算图表。 文献22对短肢剪力墙结构的层间极限变形能力的计算进行了研究，建立了短肢剪力墙结构层间侧移计算力学模型带刚域的十字型梁柱组合单元。在考虑了梁、柱弯曲、剪切变形影响的基础上，推导出层间屈服侧移、极限侧移及层延性的计算公式，并对实际算例的安全可靠度进行了评价。 文献23对短肢剪力墙结构实际工程设计中应注意的问题进行了探讨，介绍了短肢剪力墙的基本概念和结构计算方法、剪力墙布置方式、配筋方式以及带转换层的短肢剪力墙结构的设置和计算。文献242526分别介绍了考虑砌体填充墙刚度的短肢剪力墙结构的分析方法，短肢剪力墙结构在小高层中的应用，以及短肢剪力墙的界定进行了分析，及异形柱和短肢剪力墙受力特点和设计进行了探讨。 文献27 根据短肢剪力墙结构的受力和变形特点，对多竖直杆模型进行了改进，建立了截面位移模型，摒弃了杆模型平截面假定的限制，有效地考虑了剪滞效应和翼缘的影响。利用变分原理导出了T形短肢剪力墙的空间单元刚度矩阵，研制了弹塑性时程分析程序，并输入三种不同的地震动进行了算例分析，计算结果表明，短肢剪力墙结构抗震性能较好，适合于在地震区推广使用。文献28将异形截面短肢剪力墙视为各墙肢共同工作、相互协调的空间板系构件，采用平板壳元建立了短肢剪力墙的空间分析有限元模型，深入探析了横力作用下短肢剪力墙中剪滞效应的形态、存在范围、产生原因、影响因素等，并用翼板有效宽度度量了剪滞效应对短肢剪力墙工作性能的影响。 文献29针对钢筋混凝土短肢剪力墙结构设计要点及构造进行了分析，论述了短肢剪力墙结构的性能及特点，提出了简易可行的判别设计方法，并在结构体系的设计中结合规范提出了一些看法. 文献30基于等代框架法的有限元模型，应用带刚域的弹塑性杆单元来模拟短肢剪力墙的连梁，并考虑剪切变形影响，对肢强系数、整体性系数、翼缘宽度和连梁配筋率等参数不同的短肢剪力墙进行了弹塑性分析，研究了这些参数对短肢剪力墙弹塑性性能的影响。结果表明：在墙肢截面和配筋率一定时，随着肢强系数的增加、整体性系数的减小和连梁配筋率的降低，短肢剪力墙的承载能力降低，延性增加：而随着墙肢翼缘宽度的增加，短肢墙的承载力和延性都增加因此在设计中，通过合理选择这些参数，可以使短肢剪力墙具有较高的承载力和良好的延性.文献31介绍了目前国内外分析剪力墙结构采用的计算模型，并用虚功原理推导了多垂直杆元模型的单元刚度矩阵，讨论了这一模型中相对转动中心高度的取值，提供了确定这一模型中的垂直杆元的轴向刚度和水平弹簧抗剪刚度的计算方法，在计算抗剪刚度时，考虑了受弯和受剪之间的相互作用，使这一模型与实际结构更加符合。提供了一个算例，并与试验结果比较，表明了该模型不仅力学概念清晰，计算简单，而且具有较好的计算精度。文献32对近年来发展起来的钢筋混凝土剪力墙非线性宏观墙单元分析模型一多垂直杆元模型中涉及的各元件的本构关系、有关计算参数和单元的边界条件进行了较为细致的讨论，为该模型的应用提供了参考，并提供了一算例，指出了目前模型中需要改进的地方。文献33通过对4个T形截面短肢剪力墙试件进行水平低周反复加载试验，研究了墙体的受力特点与破坏模式。应用有限元软件 ANSYS 建立的非线性模型对影响短肢剪力墙受力特点与破坏模式的主要因素进行了分析。试验和计算所得顶点力-位移骨架曲线符合良好，说明所建非线性模型合理。算例的分析结果表明，T 形短肢剪力墙轴压比、腹板端部配筋率对其受力特点具有较显著的影响;通过改变参数，揭示了各种参数变化对承载力和变形性能的影响规律，为工程应用提供了依据。4.结论与展望 从以上的研究我们看出短肢剪力墙的抗震性能和很多因素有关，小结如下：（1）轴压比的影响 在一定程度上增大轴压比承载力会有所提高，幅度不大，但是延性和耗能能力随着轴压比的增加下降显著，轴压比越大短肢剪力墙破坏时表现的脆性越明显。（2）肢厚比的影响 随着肢厚比增加总体上耗能能力有增加趋势，承载力也有不同幅度的增加，但是延性下降，且肢厚比越大，下降越明显。（3）水平配筋率的影响 在一定程度上增大墙肢截面水平分布钢筋配筋率能提高构件的延性，再增加对延性的影响不大，且增大水平分布钢筋配筋率不能提高构件的极限承载力。（4）支撑的影响 在短肢剪力墙中增设支撑，构件的延性、承载力、耗能能力等均比普通剪力墙有很大提高，且不同的支撑形式对抗震性能的鄂影响程度不同，具体设计时查看相应的文献，曹万林教授对此已做了详尽得研究并申请了专利。（5）翼墙的影响 有翼墙的短肢剪力墙比无翼墙的短肢剪力墙的延性、耗能能力、承载力均由很大的提高，这为规范限制一字形短肢剪力墙的使用提供了佐证。（6）连梁刚度的影响 试验表明连梁是短肢剪力墙的薄弱环节，要使连梁有足够的刚度以保证结果整体发挥作用，建议连梁和墙肢的刚度比控制在0.030.05范围内。 展望：短肢剪力墙结构因其良好的建筑功能近年被广泛应用于高层住宅建筑中，但短肢剪力墙的抗震性能相对普通剪力墙较差，这就阻碍了短肢剪力墙的广泛应用，高层规程中对短肢剪力墙的设计进行了较为严格的规定，因此，研究抗震性能好的短肢剪力墙是进行短肢剪力墙应用和推广的前提。增设暗支撑、设翼墙、暗柱等措施均能有效增强短肢剪力墙的延性、承载力和耗能能力，抗震性能显著提高，对肢厚比、水平配筋率等因素也做了较多的研究，但是对剪跨比对短肢剪力墙抗震性能的而影响研究不多，所以需要对剪跨比做进一步的研究，设计中如能进行合理的结构布局及抗震概念设计，设计出抗震性能好的短肢剪力墙，那么短肢剪力墙在我国将有更广阔的而发展前景。参考文献文献1 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