钢筋混凝土剪力墙抗震性能试验研究

钢筋混凝土剪力墙抗震性能试验研究

0结构抗震性能为了减少地震造成的损失，建筑结构的抗强设计理论不断发展，基于性能的抗强设计方法越来越受设计研究者的重视。其中基于位移的设计方法是其研究的重点。基于位移的设计方法是指用量化的位移指标来控制建筑物的抗震性能,直接把位移作为抗震性能指标和结构设计参数,是现阶段实现基于性能的抗震设计的一条重要途径。该方法明确了结构的性能目标与地震损伤的对应关系,从而实现对结构地震损伤的有效控制。剪力墙是高层结构抗震的主要抗侧力构件之一,剪力墙的抗震性能决定了地震时结构的安全。为了有效控制地震作用下整体结构的损伤破坏,就要明确剪力墙构件各阶段的地震损伤状态。影响剪力墙抗震性能的因素主要有轴压比、高宽比、边缘构件配箍率、构件截面形式等。本文以轴压比、边缘构件配箍率、构件截面形式为主要参数,设计并完成了钢筋混凝土剪力墙构件的低周反复加载试验,详细记录了构件各损伤阶段的变形和裂缝宽度,研究了构件的地震损伤破坏过程和破坏程度,对比研究了各参数对构件承载力、变形特点、地震损伤、延性的影响规律,为基于位移的地震损伤控制设计提供试验依据。1试验设计1.1试件的基本信息试验参考现行结构设计规范以及实际工程中各设计参数的经验取值,确定了各参数的具体取值,共设计了7个试件,各试件的高宽比相同。试件混凝土材料的设计强度等级为C30,支座及加载梁的纵向钢筋为HRB335,箍筋为HPB235,墙体的纵向钢筋和箍筋为HPB235。试件的基本信息见表1,典型试件的截面配筋和形状如图1,2所示。其中,试件SW1,SW2和SW3用于研究轴压比对构件性能的影响;试件SW3,SW4和SW5用于研究边缘构件配箍率对构件性能的影响;试件SW3,SW6和SW7用于研究截面形式对构件性能的影响。1.2确定千斤顶轴向力采用单悬臂形式进行加载试验,竖向用千斤顶施加轴向力,为减小顶梁与千斤顶之间的摩擦力对试验结果的影响,在千斤顶的顶端设置滚轴;用申克加载机施加水平往复荷载。试验加载装置及位移计布置如图3所示。1.3加载水平加载试验采用拟静力方式进行加载。试验时,先在墙体顶部施加压力,按照《建筑抗震试验方法规程》(JGJ101—96)的要求,先在墙体顶部施加大小为满载的40%竖向压力,重复加载2~3次,以消除试件内部组织不均匀性,然后轴向压力加至满载并在试验中保持不变。水平加载分两个阶段:第一阶段采用力控制,先单调逐级加载至开裂,循环一次,以后各级荷载循环一次,直至屈服;第二阶段采用位移控制,分别按屈服时顶点位移的倍数逐级加载,每级循环三次,直至试件的承载力大概下降到极限承载力的80%为止。2试件的破坏情况试验的7片剪力墙试件的损伤破坏过程大致相同。从零开始逐步加载后,试件的翼缘或侧边逐渐出现微细水平弯曲裂缝,水平力卸载至零时,裂缝基本闭合,此阶段损伤发展缓慢,主要表现为沿试件高度方向弯曲裂缝数量的增加。荷载逐步加大至试件屈服前,试件的腹板下部出现了剪切斜裂缝,水平弯曲裂缝数量、宽度、长度有所增加。当试件屈服后,损伤速度明显加快,在已有腹板剪切斜裂缝上部不断出现新的斜裂缝,已有裂缝在其长度和宽度上急剧发展,残余裂缝宽度越来越大。随着位移和循环次数的增加,先是试件边缘下部的混凝土保护层压碎剥落,然后箍筋内的混凝土开始压碎剥落,混凝土压碎和剥落的范围不断扩大,试件两端最外边的纵筋压屈、断裂。试件的典型破坏过程如图4所示。对比试件SW1,SW2,SW3损伤过程,随着轴压比增大,试件腹板斜裂缝开展方向越来越陡,试件边缘混凝土保护层剥落区的范围逐渐变大。对比试件SW3,SW4,SW5损伤过程,随着配箍率增大,纵筋压屈破坏程度越来越低,试件边缘混凝土保护层剥落区的高度降低。对比试件SW3,SW6,SW7损伤过程,工字形、一字形截面试件正向和反向加载时的损伤情况基本相同;T字形截面试件由于截面不对称,正向和反向加载时强度和刚度相差较大,无翼缘侧比有翼缘侧的损伤严重。工字形和T字形截面试件斜裂缝开展方向比一字形截面试件要陡,墙身上部的斜裂缝数量也多于一字形截面试件。通过观察各试件试验过程中出现的破坏现象,得到钢筋混凝土剪力墙试件破坏全过程为:翼缘混凝土开裂→腹板混凝土开裂→翼缘纵筋受拉屈服→腹板纵筋受拉屈服→翼缘混凝土保护层边缘压碎→翼缘混凝土保护层剥落→翼缘核心区混凝土压碎→翼缘纵筋压屈→翼缘纵筋断裂。3实验数据分析3.1试验结果分析图5给出了部分试件的荷载-位移滞回曲线,分析各滞回曲线形状,可得到如下特点:(1)试件开裂之前,滞回曲线近似于直线,加载和卸载曲线基本重合,试件基本处于弹性阶段;试件开裂后,刚度退化,滞回曲线发生弯曲,随着加载的继续,滞回环面积逐渐增大。(2)试件屈服后,滞回环面积显著增大,同一控制位移级别下随循环次数的增加,试件强度和刚度均退化明显。(3)达到极限承载力后,滞回曲线下降变陡,承载力明显降低,但试件仍表现出一定的延性。(4)对于各试件,从接近极限承载力开始表现出粘结滑移效应,试件在卸载时曲线向原点捏拢。由于捏拢现象的存在,卸载至接近于零时,试件刚度下降较多。3.2延性系数的计算将荷载-位移滞回曲线的各滞回环峰值点连线得到各试件的荷载-位移骨架曲线,如图6所示,其中图6(a)~(c)分别就轴压比、配箍率、截面形式对骨架曲线的影响进行了对比。延性是反映结构构件变形能力和抗震性能的主要指标。对钢筋混凝土结构通常采用位移延性系数来反映延性的大小,并以极限位移与屈服位移的比值来定义延性系数μ。采用目前应用比较广泛的Park提出的方法,根据骨架曲线确定各试件的屈服点。对于极限破坏点,取骨架曲线的荷载下降至极限承载力的85%的点为破坏点,对应的位移为极限位移。各试件延性系数的计算结果列于表2。对于轴压比不同的试件,随着轴压比的增大,试件的极限承载力显著提高,延性系数逐渐减小。试件SW3的极限承载力是SW1的2.02倍,是SW2的1.43倍;试件SW1的延性系数是SW2的1.06倍,是SW3的1.33倍。对于配箍率不同的试件,随着配箍率的增大,构件的极限承载力和极限位移增长并不显著,其延性系数变化并无明显规律。对截面形式不同的试件,工字形截面试件的承载力和延性最大,T字形截面试件次之,一字形截面试件最低。工字形截面试件的极限承载力是T字形截面试件的1.3倍,是一字形截面试件的2.4倍。工字形截面试件的延性系数是T字形截面试件的1.18倍,是一字形截面试件的1.17倍。工字形和一字形构件正向和反向加载两个方向的受力性能基本相同,T字形截面试件两个方向的受力性能相差较大,有翼缘侧明显好于无翼缘侧。3.3剪切变形占总变形比例的变化剪力墙的变形主要由弯曲变形和剪切变形组成。剪切变形占总变形的比例反映了剪力墙的受力破坏特征,剪切变形占总变形的比例较大时,剪力墙发生以剪切变形为主的破坏,试件的破损发展迅速,呈脆性特性;剪切变形占总变形的比例较小时,剪力墙发生以弯曲变形为主的破坏,试件的破损逐步累积发展,呈延性特性。试验时采用量测墙体对角线长度的方法,测定剪切变形。各试件的加载特征点所对应的剪切变形和总变形的关系见表3。对于轴压比不同的试件,随着轴压比的增大,剪力墙的剪切变形占总变形的比例逐渐增大,剪切效应增大。对配箍率不同的试件,剪切变形占总变形的比例变化规律不明显。对截面形式不同的试件,工字形截面试件剪切变形占总变形比例比一字形截面试件大很多,工字形截面试件剪切效应比一字形截面试件明显。所有试件屈服荷载点、极限承载力点、极限位移点剪切变形占总变形的比例依次增大,说明随着构件变形的增大、损伤的加剧,剪切效应越来越显著。3.4裂缝宽度随加载位移的变化特征试件裂缝的发展能较好地反映构件的损伤状态。各试件的裂缝主要集中在试件下部一半高度(1000mm)范围内。就裂缝的出现过程而言,在混凝土开裂后,试件屈服之前,随着荷载的逐级增大,裂缝的宽度变化不大,卸载后裂缝几乎都能闭合。沿试件高度方向,不断出现新的裂缝,裂缝的数量不断增加。当试件屈服以后,随着加载位移的增大,不断出现新的裂缝,裂缝在长度和宽度上不断发展,残余裂缝宽度不断增大,裂缝相互连通。当试件超过极限承载力后,基本不再出现新的裂缝,最大裂缝和残余裂缝的宽度随着加载位移的增大而增大。在加载后期,由于构件表面混凝土的剥落,使得裂缝宽度已不方便测量。表4列出了各加载特征点的最大裂缝宽度、残余裂缝宽度和裂缝残余率,其中定义残余裂缝宽度与最大裂缝宽度的比值为裂缝残余率。通过对比可以看出,当试件屈服时,残余裂缝宽度很小,均值为0.03mm;裂缝残余率均值为0.17,试件基本完好。当试件达到极限承载力时,裂缝宽度增大,残余裂缝宽度均值为0.34mm,裂缝残余率均值为0.21,残余裂缝明显。当试件达到极限位移时,裂缝进一步增大,此时残余裂缝宽度均值为0.56mm,裂缝残余率均值为0.25。随着损伤的加剧,裂缝残余率增大。分别针对轴压比、配箍率和截面形式对裂缝宽度随变形的发展进行对比分析,如图7所示,其中横坐标为位移角(位移与构件高度之比),纵坐标为裂缝宽度。对于轴压比不同的试件,当位移角小于1.0%时,SW1和SW2的裂缝宽度发展基本相同,SW3裂缝宽度发展稍慢。当位移角大于1.0%时,SW3裂缝宽度发展快于SW1和SW2。在整个加载过程中,随着轴压比的增加,裂缝残余率减小。对于配箍率不同的试件,配箍率对裂缝宽度、残余裂缝宽度和裂缝残余率的影响规律不明显。对于截面形式不同的试件,当位移角小于0.5%时,三者的裂缝宽度发展基本同步,说明翼缘对初始裂缝的宽度影响不大。在位移角超过0.5%之后,一字形截面试件的裂缝宽度发展明显快于其他两个试件,说明翼缘对试件后期损伤的发展影响较大。此外,截面形式对裂缝残余率的影响规律不明显。4轴压比和截面形状对残余率的影响,主要有以下几种(1)轴压比、截面形式是影响构件承载力和延性的主要因素。随着轴压比的增大,构件的承载力增大、延性降低。边