高层钢筋混凝土剪力墙的抗震性能和延性设计

高层钢筋混凝土剪力墙的抗震性能和延性设计

0高层剪力墙结构近年来，高、高性能混凝土的开发促进了高钢筋混凝土建筑的发展。钢筋混凝土高层建筑中,剪力墙是常见的结构形式。剪力墙具有较大的刚度,是一种很好的抗侧力构件,在地震作用下的变形小、破坏程度低。经过延性设计的剪力墙和框架—剪力墙等结构,能抵抗强烈地震,在地震中具有裂而不倒的良好性能。高层结构中的钢筋混凝土剪力墙,抗震性能较钢结构差,必须经过精心设计和施工,才能保证其承载力,并取得较好的延性性能。根据受力特点,剪力墙可分为悬臂墙、整体小开口墙、联肢墙、壁式框架等几种形式。其中悬臂剪力墙是其基本形式。笔者试对悬臂剪力墙的承载力和延性设计进行探讨。1悬崖墙的特性1.1墙成果的截面应力悬臂剪力墙的每个墙肢相当于一个独立悬臂构件。墙肢自身截面上的正应力呈直线型分布,沿墙肢的高度方向上不发生突变,也不出现反弯点。具体受力特点如图1所示。1.2多种破坏形态悬臂剪力墙可能出现弯曲、剪切、锚固或施工缝滑移等多种破坏形态。剪力墙的设计,要求防止出现剪切、锚固、滑移等破坏,充分发挥弯曲作用下的钢筋抗拉作用,使剪力墙具有良好的延性。2受拉、统一结构的验算悬臂剪力墙承受竖向重力荷载(某些情况尚需考虑竖向地震作用),并同时受到水平作用(地震或风)。而高层建筑剪力墙主要受到的水平作用力。依据现行国家标准《混凝土结构设计规范》,验算剪力墙正截面偏心受压承载力时,假定截面保持平面,不考虑混凝土受拉、受压的本构关系,混凝土受压区按等效矩形应力图简化。我国现行《高层建筑混凝土结构技术规程》假定,在剪力墙腹板中1.5倍的受压区范围之外,拉区分布筋全部屈服,中和轴附近拉压应力都很小,压区分布筋应力很小。因此,计算时忽略1.5倍压区范围之内分布筋的作用,采取了如下的计算方法。式中:N为轴向压力设计值;AS、A's为受拉区、受压区纵向非预应力钢筋的截面面积;F'y为剪力墙受压钢筋强度设计值;e0为偏心距;a's为剪力墙受压区端部钢筋合力点到受压区边缘的距离。2.2偏拉构件节点的应力验算剪力墙斜截面设计旨在通过计算确定墙中水平钢筋,防止发生剪切破坏。偏压构件中,轴力有利于抗剪,但当压力增大到一定程度后,这种有利作用就会减小,因此对有利轴力的取值有所限制。偏拉构件中,轴力不利于抗剪,需考虑轴拉力的不利影响。验算方法为式中:V为剪力墙截面剪力设计值;hw0为剪力墙截面有效高度;λ为计算截面处的剪跨比;A为剪力墙截面面积;Aw为T形、I形截面剪力墙腹板的面积,矩形截面时应取A;S为剪力墙水平分布钢筋间距。公式(2)为偏压构件的验算方法,若是遇到偏拉构件,括号内加号改为减号。2.3竖向钢筋附加插筋验算按一级抗震设计的剪力墙,要防止水平施工缝处的滑移破坏。考虑了摩擦力的有利因素后,要验算通过施工缝的竖向钢筋是否足以抵抗水平剪力。当配置的竖向钢筋不足以抵抗时,须设置附加插筋。验算方法如下。式中:Vwj为水平施工缝处考虑地震作用组合的剪力设计值;As为水平施工缝处剪力墙腹板内竖向分布钢筋、竖向插筋的边缘构件(不包括两侧翼墙)纵向钢筋的总截面面积;fy为竖向钢筋拉强度设计值;N为水平施工缝处考虑地震作用组合的不利轴向力设计值,压力取正值,拉力取负值。3悬臂剪力墙对剪力墙进行延性设计是为了保证剪力墙的塑性变形能力,进而耗散相当多的地震力,以期实现大震不倒的抗震设防目标。要使悬臂剪力墙具有良好的延性,就要充分发挥剪力墙中延性钢筋的抗拉作用,使剪力墙的塑性铰有足够的转动能力。可从以下几个方面全面考虑。3.1挡墙端部剪力墙滑移在弯曲破坏条件下,影响剪力墙延性的因素是相对受压区高度,减小截面受压区高度或增大混凝土极限压应变,均能增加截面的极限曲率,从而提高剪力墙的延性。其具体方法为:(1)在墙肢两端设置暗柱或端柱。暗柱或端柱内箍筋可以约束混凝土,提高混凝土极限压应变εcu。端柱形成的边框还能阻止剪切裂缝迅速贯通全墙,对抗震性能很有利。在腹板混凝土酥裂后,端柱仍可抗弯剪,剪力墙不致倒塌。试验表明,在周期反复荷载作用下,设有暗柱的剪力墙比不设暗柱的剪力墙多消耗地震能量23%左右。当墙肢截面的曲率延性系数不能满足抗震要求时,还应设置约束边缘构件,增大墙肢边缘混凝土的极限压应变。(2)墙肢端部设置钢骨。试验表明,压弯破坏的无边框钢骨混凝土剪力墙在达到最大荷载时,端部钢骨均屈服。钢骨屈服后,周围混凝土剥落,产生剪切滑移破坏或腹板剪压破坏。设置钢骨暗柱,且钢骨强轴与墙肢长方向平行,可以提高剪力墙平面外刚度,防止平面外错断破坏,提高剪力墙的延性。3.2抗拉伸长件的设置塑性铰的位置可以通过配筋设计加以控制,但由于剪力墙底截面弯矩和剪力均最大,塑性铰通常在底部截面出现。故应使剪力墙的塑性铰限制在底部加强区,通过抗震措施提高变形能力,以增加剪力墙的延性。塑性铰的长度一般为0.3~0.8倍墙肢截面长。适当提高塑性铰范围及其以上相邻范围的承载力、加强抗震构造措施,对于提高剪力墙的抗震延性非常有用。3.2.1范围及其上部的一定范围剪力墙的底部加强部位包括底部塑性铰范围及其上部的一定范围。一般剪力墙结构的底部加强部位高度可取墙肢总高度的1/8和底部两层二者的较大值。3.2.2剪力对承载力的影响对底部加强区的剪力设计值适当放大,以求墙肢的受剪承载力大于构件弯曲时实际达到的剪力。应当注意,规范规定的放大系数是以超配钢筋不超过计算配筋10%为前提的,在放大剪力的同时,不能随意增加受弯承载力。3.3混凝土剪切破坏在塑性铰区,首先必须按强剪弱弯的原则设计,用截面屈服时的剪力进行抗剪验算,保证在抗弯纵筋屈服前墙体不被剪坏。其次要严格控制剪压比和墙分布筋数量,防止腹板混凝土剪切破坏。剪拉破坏属于脆性破坏,可以通过配置水平和竖向分布钢筋防止。斜压破坏可通过限制受剪截面的剪压比避免。剪压破坏是最常见的剪切破坏,其过程为:墙肢在水平和竖向力作用下,出现水平裂缝或细的倾斜裂缝,随着水平力的增大,出现一条逐渐延伸的主要斜裂缝,从而引起混凝土受压区减小。斜裂缝尽端的受压混凝土在剪压复合应力作用下被破坏,水平钢筋屈服。应通过加强配筋构造来避免这种情况发生。3.4竖向钢筋验算剪力墙施工均存在水平施工缝,由此形成薄弱部位。在强烈地震作用下,这些部位可能出现滑移破坏。这种滑移破坏主要依靠竖向钢筋和施工缝处摩擦力抵抗,因此,要对剪力墙施工缝处的竖向钢筋进行验算。验算时可忽略混凝土的作用,考虑轴压力的摩擦作用和轴拉力的不利影响。由于施工缝处竖向钢筋处于复合受力状态,应对钢筋设计强度予以折减。进行轴向力计算时,受压时有利,重力荷载的分项系数取1.0;受拉时不利,取为1.2。3.5纵向分布钢筋过少、墙下肢部钢筋屈服时裂缝宽度墙肢应配置分布钢筋。分布钢筋具有抗弯、抗剪、减少收缩裂缝等作用。竖向分布钢筋过少、墙肢端部纵向钢筋屈服时,裂缝宽度大。横向分布钢筋过少时,斜裂缝一旦出现就会发展