抗震剪力墻小跨高比連梁的理論分析及試驗研究.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的墻肢，而且還因為它有連梁。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，通過塑性鉸耗散地震能量，從而保護建筑物的主要承重部分—墻肢。在實際工程中，一方面由于建筑上的需要，小跨高比連梁時有所見；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，反彎點在跨中的反對稱彎曲深梁，其受力和變形性能與跨高比較大的細長梁或簡支深梁都有很大的差別，因此國內(nèi)外都十分重視小跨高比連梁的研究。試驗研究表明，在抗震聯(lián)肢墻中對這種連梁若再用常規(guī)框架梁的抗震設(shè)計方法進行設(shè)計已無法避免其過早發(fā)生剪切破壞，從而無法滿足結(jié)構(gòu)對其抗震性能的要求?？v觀國內(nèi)外對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。在剛完成的我國新一輪結(jié)構(gòu)

3、設(shè)計規(guī)范的修訂中，小跨高比連梁的抗震設(shè)計方法是被關(guān)注的重點問題之一。《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)計的需要，對小跨高比連梁在沒有充分試驗結(jié)果的情況下，暫時采用降低最大作用剪力和提高箍筋用量的設(shè)計方法，而《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2002)則把這個問題繼續(xù)留作空缺。 國內(nèi)外對跨高比較大的連梁(跨高比大于2.5)研究較多，而對小跨高比連梁的研究則較少。我國關(guān)于小跨高比連梁的受剪承載力

4、計算公式，是在跨高比較大的連梁受剪承載力計算公式基礎(chǔ)上乘以0.9的折減系數(shù)來得到的，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)合起來對鋼筋混凝土剪、扭構(gòu)件受力性能進行全過程分析的一種理論。用軟化桁架理論來分析小跨高比連梁的受力性能目前國內(nèi)尚無探討，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。對比參考文獻的試驗結(jié)果可見，軟化桁架理論可以應(yīng)用于小跨高比

5、連梁的整個加載歷史分析，分析結(jié)果與試驗結(jié)果一致。本文通過分析得出，可以根據(jù)箍筋和混凝土相對貢獻的大小，將小跨高比連梁分為三種破壞模式(少筋、適筋和超筋破壞)。對于每一種破壞模式，均給出了受剪承載力計算公式。最后給出了小跨高比連梁的設(shè)計計算公式，公式形式簡單，實用。 近年來，歐美國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)變被擾動或不連續(xù)的區(qū)域)的配筋設(shè)計方法。該方法能夠讓設(shè)計者與工程

6、師對混凝土結(jié)構(gòu)局部區(qū)域在外荷載作用下的內(nèi)部傳力機制有一個更直觀與清晰的認識，有利于在設(shè)計與施工中使結(jié)構(gòu)的性能得以充分實現(xiàn)，并能夠突破各種限制，實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計。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，因而計算結(jié)果偏于不安全。臺灣學(xué)者Shyh-JiannHwang改進了拉壓桿模型法，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、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、模型能夠準確預(yù)測這幾類D區(qū)的受剪承載力。小跨高比連梁亦屬于局部區(qū)域，本文通過類比分析發(fā)現(xiàn)小跨高比連梁在傳力機理上與上述幾類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，計算結(jié)果與試驗結(jié)果較接近。通過對小跨高比連梁軟化桁架模型解的深入理解進一步加深了對其受力性質(zhì)的認識，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理，參考國內(nèi)外對

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個試件的試探性試驗研究。文中詳細地介紹了整個試驗過程，描述了試驗現(xiàn)象，研究了名義剪壓比、剪箍比和配箍特征值等因素對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。通過與其他學(xué)者所提方案的對比分析，可見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題的一條有效思路。參考其他文獻的受彎承載力計算公式，本文提出了小跨高比連

9、梁的受彎承載力計算公式，公式的形式簡單，計算值與試驗值較接近，適合于工程設(shè)計計算。 為了節(jié)約試驗經(jīng)費，彌補試驗裝置不能完全真實反映連梁的實際受力狀態(tài)的缺陷。利用ANSYS程序?qū)π屡浣罘桨感】绺弑冗B梁進行了三維有限元數(shù)值模擬；數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(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)亦可稱為帶強連梁的聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)，小跨高比連梁是其中的強連梁

10、)。本文的試驗證明，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。但是這種結(jié)構(gòu)中強連梁的最優(yōu)位置和設(shè)置數(shù)量目前尚無合理的確定方法。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表達，將帶強連梁和弱連梁的的雙肢剪力墻簡化為僅帶強連梁的雙肢剪力墻。根據(jù)每根強

11、連梁與墻肢轉(zhuǎn)角相等的變形協(xié)調(diào)方程，求出每根強連梁的約束彎矩，然后用單位荷載法求出結(jié)構(gòu)的頂點位移，并按強連梁使結(jié)構(gòu)頂點位移減小量最大來確定其最優(yōu)位置。強連梁的設(shè)置數(shù)量以使結(jié)構(gòu)頂點位移滿足使用要求來確定。文中給出了帶1～3根強連梁的雙肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計表格及優(yōu)化設(shè)計應(yīng)該考慮的因素，可供設(shè)計人員初步設(shè)計時參考。 由于本次試驗的試件數(shù)量不多，試驗裝置的能力不足，對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