抗震剪力墻小跨高比連梁的理論分析及試驗(yàn)研究.pdf

1、鋼筋混凝土聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，不僅是由于它有很強(qiáng)的墻肢，而且還因?yàn)樗羞B梁。連梁是墻肢之間的傳力紐帶，在地震作用下，連梁可以首先屈服，通過(guò)塑性鉸耗散地震能量，從而保護(hù)建筑物的主要承重部分—墻肢。在實(shí)際工程中，一方面由于建筑上的需要，小跨高比連梁時(shí)有所見(jiàn)；另一方面，在框架-剪力墻和框架-核心筒結(jié)構(gòu)中，因其中的剪力墻和核心筒承擔(dān)了大部分水平荷載，故有必要選用跨高比偏小的連梁以保證結(jié)構(gòu)所需要的側(cè)向剛度。小跨高比連梁由于跨高比較小

2、(小于等于2.5)，名義剪壓比較大，屬于兩端剛接，反彎點(diǎn)在跨中的反對(duì)稱彎曲深梁，其受力和變形性能與跨高比較大的細(xì)長(zhǎng)梁或簡(jiǎn)支深梁都有很大的差別，因此國(guó)內(nèi)外都十分重視小跨高比連梁的研究。試驗(yàn)研究表明，在抗震聯(lián)肢墻中對(duì)這種連梁若再用常規(guī)框架梁的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)已無(wú)法避免其過(guò)早發(fā)生剪切破壞，從而無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)對(duì)其抗震性能的要求?？v觀國(guó)內(nèi)外對(duì)這一課題的研究成果，至今仍未找到一種既方便施工又具有良好抗震性能的連梁配筋方案。在剛完成的我國(guó)新一輪結(jié)構(gòu)

3、設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂中，小跨高比連梁的抗震設(shè)計(jì)方法是被關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題之一。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2002)為了滿足工程設(shè)計(jì)的需要，對(duì)小跨高比連梁在沒(méi)有充分試驗(yàn)結(jié)果的情況下，暫時(shí)采用降低最大作用剪力和提高箍筋用量的設(shè)計(jì)方法，而《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)則把這個(gè)問(wèn)題繼續(xù)留作空缺。 國(guó)內(nèi)外對(duì)跨高比較大的連梁(跨高比大于2.5)研究較多，而對(duì)小跨高比連梁的研究則較少。我國(guó)關(guān)于小跨高比連梁的受剪承載力

4、計(jì)算公式，是在跨高比較大的連梁受剪承載力計(jì)算公式基礎(chǔ)上乘以0.9的折減系數(shù)來(lái)得到的，缺乏理論依據(jù)，因此尚未形成完善的受剪承載力計(jì)算方法。軟化桁架理論是將應(yīng)力平衡方程、應(yīng)變協(xié)調(diào)方程和材料本構(gòu)方程三者結(jié)合起來(lái)對(duì)鋼筋混凝土剪、扭構(gòu)件受力性能進(jìn)行全過(guò)程分析的一種理論。用軟化桁架理論來(lái)分析小跨高比連梁的受力性能目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)探討，本文利用軟化桁架理論分析了小跨高比連梁的受剪承載力和受力性能。對(duì)比參考文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，軟化桁架理論可以應(yīng)用于小跨高比

5、連梁的整個(gè)加載歷史分析，分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。本文通過(guò)分析得出，可以根據(jù)箍筋和混凝土相對(duì)貢獻(xiàn)的大小，將小跨高比連梁分為三種破壞模式(少筋、適筋和超筋破壞)。對(duì)于每一種破壞模式，均給出了受剪承載力計(jì)算公式。最后給出了小跨高比連梁的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，公式形式簡(jiǎn)單，實(shí)用。 近年來(lái)，歐美國(guó)家提出了在有限元分析基礎(chǔ)上將拉壓桿模型法應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)局部區(qū)域(亦稱D區(qū)，意為應(yīng)力和應(yīng)變被擾動(dòng)或不連續(xù)的區(qū)域)的配筋設(shè)計(jì)方法。該方法能夠讓設(shè)計(jì)者與工程

6、師對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)局部區(qū)域在外荷載作用下的內(nèi)部傳力機(jī)制有一個(gè)更直觀與清晰的認(rèn)識(shí)，有利于在設(shè)計(jì)與施工中使結(jié)構(gòu)的性能得以充分實(shí)現(xiàn)，并能夠突破各種限制，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。但拉壓桿模型法僅滿足平衡條件，得到的是局部區(qū)域的上限解，因而計(jì)算結(jié)果偏于不安全。臺(tái)灣學(xué)者Shyh-JiannHwang改進(jìn)了拉壓桿模型法，提出了滿足應(yīng)力平衡方程、應(yīng)變協(xié)調(diào)方程和材料本構(gòu)方程的軟化拉壓桿模型法，并將其應(yīng)用于梁柱結(jié)點(diǎn)、深梁、牛腿和低矮剪力墻的分析。分析結(jié)果表明，軟化拉壓桿

7、模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)這幾類D區(qū)的受剪承載力。小跨高比連梁亦屬于局部區(qū)域，本文通過(guò)類比分析發(fā)現(xiàn)小跨高比連梁在傳力機(jī)理上與上述幾類D區(qū)有著本質(zhì)的一致性，并將軟化拉壓桿模型應(yīng)用于小跨高比連梁的受剪承載力分析，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較接近。通過(guò)對(duì)小跨高比連梁軟化桁架模型解的深入理解進(jìn)一步加深了對(duì)其受力性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，從而為形成小跨高比連梁的新配筋方案提供了理論依據(jù)。 根據(jù)軟化桁架模型和軟化拉壓桿模型分析得出的小跨高比連梁的剪力傳力機(jī)理，參考國(guó)內(nèi)外對(duì)

8、這一課題的研究成果，本文提出了一種沿連梁截面高度將箍筋分三層布置的新配筋方案。做了3個(gè)試件的試探性試驗(yàn)研究。文中詳細(xì)地介紹了整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程，描述了試驗(yàn)現(xiàn)象，研究了名義剪壓比、剪箍比和配箍特征值等因素對(duì)新配筋方案小跨高比連梁的延性、耗能性能和破壞形態(tài)的影響。通過(guò)與其他學(xué)者所提方案的對(duì)比分析，可見(jiàn)新配筋方案小跨高比連梁的抗震性能優(yōu)良，施工方便，是解決小跨高比連梁抗震性能問(wèn)題的一條有效思路。參考其他文獻(xiàn)的受彎承載力計(jì)算公式，本文提出了小跨高比連

9、梁的受彎承載力計(jì)算公式，公式的形式簡(jiǎn)單，計(jì)算值與試驗(yàn)值較接近，適合于工程設(shè)計(jì)計(jì)算。 為了節(jié)約試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，彌補(bǔ)試驗(yàn)裝置不能完全真實(shí)反映連梁的實(shí)際受力狀態(tài)的缺陷。利用ANSYS程序?qū)π屡浣罘桨感】绺弑冗B梁進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬；數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。 小跨高比連梁有較大的抗彎剛度，為墻肢提供很強(qiáng)的約束作用，可以將其應(yīng)用于整體性較差的聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)(這種結(jié)構(gòu)亦可稱為帶強(qiáng)連梁的聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)，小跨高比連梁是其中的強(qiáng)連梁

10、)。本文的試驗(yàn)證明，新配筋方案小跨高比連梁具有良好的變形和耗能性能，將其應(yīng)用于聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)可以使聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。這種結(jié)構(gòu)比“強(qiáng)柱弱梁”的框架結(jié)構(gòu)更能體現(xiàn)出延性抗震結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。但是這種結(jié)構(gòu)中強(qiáng)連梁的最優(yōu)位置和設(shè)置數(shù)量目前尚無(wú)合理的確定方法。本文在均勻雙肢剪力墻結(jié)構(gòu)的若干假定下，將弱連梁(普通連梁)的約束作用歸并于墻肢，將墻肢的剛度用等效剛度來(lái)表達(dá)，將帶強(qiáng)連梁和弱連梁的的雙肢剪力墻簡(jiǎn)化為僅帶強(qiáng)連梁的雙肢剪力墻。根據(jù)每根強(qiáng)

11、連梁與墻肢轉(zhuǎn)角相等的變形協(xié)調(diào)方程，求出每根強(qiáng)連梁的約束彎矩，然后用單位荷載法求出結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移，并按強(qiáng)連梁使結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移減小量最大來(lái)確定其最優(yōu)位置。強(qiáng)連梁的設(shè)置數(shù)量以使結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移滿足使用要求來(lái)確定。文中給出了帶1～3根強(qiáng)連梁的雙肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)表格及優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的因素，可供設(shè)計(jì)人員初步設(shè)計(jì)時(shí)參考。 由于本次試驗(yàn)的試件數(shù)量不多，試驗(yàn)裝置的能力不足，對(duì)影響連梁抗震性能的各因素很難總結(jié)出一般的規(guī)律。非線性有限元雖然能在一定程度