高轴压比下钢管混凝土边框组合剪力墙抗震性能试验研究

2008年2月地　震　工　程　与　工　程　振　动JOURNAL OF E ART HQUAKE E NGI N EER I N G AND E NGI N EER I N G V I B RATI O N Vol .28No .1Feb .2008收稿日期:2007-05-15;　修订日期:2007-10-25

　　基金项目:国家自然科学基金项目(50678010);北京市属市管高校拔尖创新人才基金项目(05004311200501);

北京市新世纪百千万人才基金项目(35004999200602);北京市自然科学基金项目(8072007)

　　作者简介:曹万林(1954-),男,教授,主要从事工程抗震研究.E 2mail:wlcao@bjut .edu .cn

文章编号:100021301(2008)0120085206

高轴压比下钢管混凝土边框组合

剪力墙抗震性能试验研究

曹万林1,2,王　敏1,2,王绍合3,张建伟1,曾　彬1

(1.北京工业大学建筑工程学院,北京100022; 2.城市与工程安全减灾省部共建

教育部重点实验室,北京100022; 3.广州市住宅建筑设计院,北京100022)

摘要:钢管混凝土边框组合剪力墙是一种适用于高层及超高层建筑的新型组合剪力墙。轴压比是影

响剪力墙抗震性能的一个主要因素,高层建筑底部轴压比较大。本文进行了1/4缩尺的1个普通钢

筋混凝土剪力墙模型和1个钢管混凝土边框组合剪力墙模型在高轴压比下的低周反复荷载试验。在

试验研究基础上,对比分析了剪力墙的承载力、延性、刚度及其衰减过程、滞回特性、耗能能力及破坏

特征,建立了钢管混凝土边框组合剪力墙的承载力计算模型,计算结果与实测结果符合较好。研究表

明:在高轴压比下钢管混凝土边框组合剪力墙与普通剪力墙相比抗震性能显著提高。

关键词:钢管混凝土;钢筋混凝土;组合剪力墙;抗震性能;高轴压比

中图分类号:T U 375　　　文献标识码:A

Se is m i c behav i or research on co m posite shear wa ll w ith concrete

f illed steel tube colu mn s i n h i gh ax i a l 2load ra ti o

CAO W anlin 1,2,WANG M in 1,2,WANG Shaohe 3,ZHANG J ian wei 1,ZE NG B in 1

(1.The College of A rchitecture and Civil Engineering,Beijing University of Technol ogy,Beijing 100022,China;

2.Key Lab of U rban Security and D isaster Engineering,MOE,Beijing 100022,China;

3.The I nstitute of Residential A rchitecture Design of Guangzhou,Beijing 100022,China )

Abstract:Composite shear wallwith concrete filled steel tube columns is a ne w kind of co mposite shearwall,which is app licable t o high and super 2high buildings .Axial 2l oad rati o is one of key points t o shear wall f or resisting earth 2quake .Axial 2l oad rati o of bott om in high building is high .Experi m ent studies of the seis m ic behavi or of t w o 1/4scale models in high axial 2l oad rati o under l ow frequency circle l oad have been done .One model is traditi onal rein 2forced concrete shear wall,the other is composite shear wall with concrete filled steel tube columns .Based on the experi m ent,l oad 2carrying capacity,ductility,stiffness and its degradati on,hysteretic p r operty,energy dissi pati on and failure phenomena of each shear wall are contrastively analyzed .The f or mulas of l oad 2carrying capacity are worked out .The results obtained fr om the f or mulas and those fr om experi m ent are in good agree ment .The results show that the seis m ic behavi or of composite shear wall with concrete filled steel tube columns has been devel oped evidently co mpared with traditi onal reinf orced concrete shear wall in high axial 2l oad rati o .

Key words:concrete filled steel tube;reinforced concrete;composite shear wall;seis m ic behavi or;high axial 2l oad rati o

引言

　　剪力墙和由剪力墙构成的核心筒,是高层建筑抗震的核心抗侧力体系。近来,钢-混凝土组合剪力墙在

高层建筑尤其是复杂高层建筑中的应用和研究越来越多[1-7],如何提高和改善组合剪力墙的抗震性能已成

为工程界十分关注和亟待解决的问题。钢管混凝土边框组合剪力墙是一种新型组合剪力墙,即在钢管混凝土边框间浇筑钢筋混凝土剪力墙,钢管混凝土边框和钢筋混凝土剪力墙之间采用抗剪连接键可靠连接。这种组合剪力墙将混凝土剪力墙侧向刚度大和钢管混凝土柱抗震性能好的优点结合在一起。2004年开始实

施的《矩形钢管混凝土结构技术规程》

(CECS159:2004)指出:在抗侧力构件设计中,由矩形钢管混凝土柱与现浇钢筋混凝土剪力墙组成的带框混凝土剪力墙在强度、刚度和延性方面均比钢筋混凝土带框剪力墙好,施工也比较方便,是一种可以选择的抗侧力构件型式。因在建筑底部轴压比较大,而轴压比是影响剪力墙抗震性能的一个主要因素,目前高轴压比下的剪力墙试验研究较少,故本文对高轴压比下的钢管混凝土边框组合剪力墙与普通钢筋混凝土剪力墙的抗震性能进行了对比试验研究。

1　试验概况

1.1　试件设计

共设计了2个试件,采用1/4缩尺,剪跨比为2.0,轴压比为0.65,墙体截面均为一字型,墙体厚度为175mm 。试件编号分别为S W 1、S W 2。其中:S W 1为普通钢筋混凝土剪力墙;S W 2为钢管混凝土边框组合剪力墙。S W 1按特一级抗震等级剪力墙设计,S W 2采用截面为175mm ×175mm ×4mm 的方钢管做边框柱,方钢管采用Q235钢板冷弯成槽形再拼焊而成,剪力墙与矩形钢管间采用Q235槽形型钢弯成的U 形连接键(62.5mm ×95mm ×35mm )连接,剪力墙的钢筋和钢管均对称设计。2个试件均采用C30商品混凝土现浇。混凝土、钢筋及钢管的材料力学性能见表1。试件的尺寸、配筋图及配钢图见图1

。

图1　试件配筋图及配钢图(单位:mm )

Fig .1　Steel bar and steel details of models

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表1　材料力学性能

Table 1　M echanical p r operties of materials 钢材及钢筋

使用位置屈服强度/MPa 极限强度/MPa 延伸率(%)弹性模量/MPa 4mm 厚钢板

S W2钢管320.85472.6521.00 1.96×1052.5mm 厚钢板

S W2抗剪键249.60320.1031.37 2.06×105A4冷拔钢筋

墙体分布钢筋-793.5310.00 1.80×105A6冷拔钢筋S W1暗柱纵筋

-583.838.30 1.70×105混凝土使用位置

立方体抗压强度/MPa 弹性模量/MPa 墙体及钢管内35 3.0×104

　图2　加载示意图　Fig .2　Test set 2up

1.2　试验结果及分析

试验采用低周反复加载。在加水平荷载之前,首先施加一竖向荷

载,并保持其在试验过程中不变,即控制试件的设计轴压比为0.65,在

距基础顶面1850mm 高度处用拉压千斤顶施加低周反复水平荷载。

在弹性阶段采用荷载控制加载,弹塑性阶段采用荷载与位移联合控制

的加载方法。用I M P 数据采集系统采集钢筋和钢管待测点的应变、水

平位移、水平荷载,并用其绘制滞回曲线。人工测绘裂缝。试验加载

和主要量测仪表(电子位移计)示意图见图2。

2　试验结果及分析

2.1　承载力实测结果及分析表2为各剪力墙的开裂荷载、明显屈服荷载、极限荷载的实测值。其中:F c 为试件开裂荷载,它指加载首次开裂时的荷载;F y 为试件明显屈服荷载;F u 为试件极限荷载;μyu =F y /F u 为屈强比。

表2　各剪力墙的开裂荷载、明显屈服荷载、极限荷载的实测值

Table 2　Experi m ental results of cracking l oad,yield l oad and ulti m ate l oad

试件编号F c /kN F y /kN F u /kN F u (相对值)μyu S W1

159.58401.93454. 1.0000.884S W2205.50516.152.56 1.413

0.803由表2中数据的对比可见:(1)高轴压下钢管混凝土边框组合剪力墙的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载均比普通钢筋混凝土剪力墙有所提高,其极限荷载比普通钢筋混凝土剪力墙提高了41.3%,说明该组合剪力墙具有较高的抗力。(2)钢管混凝土边框组合剪力墙的屈强比比普通钢筋混凝土剪力墙小,说明它从明显屈服到极限荷载的发展过程长,也就是有约束的屈服段较长,这对“大震不倒”是有利的。

2.2　刚度实测值及衰减过程分析

各剪力墙刚度实测值及各阶段刚度衰减系数见表3。其中,K o 为试件初始弹性刚度;K c 为试件开裂割线刚度;K y 为试件明显屈服割线刚度;βco =K c /K o ,为从初始弹性到开裂过程中的刚度衰减系数;βyc =K y /K c ,为从开裂到明显屈服过程中的刚度衰减系数;βyo =K y /K o ,为从初始弹性到明显屈服过程中的刚度衰减系数。

表3　各剪力墙刚度实测值及其衰减系数

Table 3　Experi m ental results of stiffness and its attenuati on coefficient

试件编号

K o /(kN ・mm -1)K c /(kN ・mm -1)K y /(kN ・mm -1)βco βyc βy o βyo (相对值)S W1

165.0074.5741.060.4520.5510.249 1.000S W2196.0088.9855.86

0.4540.6280.285 1.1457

8第1期曹万林等:高轴压比下钢管混凝土边框组合剪力墙抗震性能试验研究

　图3　K -θ关系曲线

　Fig .3　Stiffness attenuati on curves 由表3可见:(1)由于端部配钢率较大,钢管混凝土边框

组合剪力墙的初始弹性刚度大于普通混凝土剪力墙。(2)钢

管混凝土边框组合剪力墙的开裂刚度和屈服刚度均比普通钢

筋混凝土剪力墙明显提高。(3)钢管混凝土边框组合剪力墙

的刚度衰减系数βyo 比普通钢筋混凝土剪力墙提高了14

.5%,说明钢管混凝土边框组合剪力墙刚度衰减速度较慢,从而使

得结构后期的刚度和性能相对于普通钢筋混凝土剪力墙稳

定,这对抗震有利。

图3为普通钢筋混凝土剪力墙和钢管混凝土边框组合剪

力墙的刚度K 随位移角θ增大而衰减的实测曲线。由图3可

见,剪力墙的刚度K 随位移角θ的衰减过程可分为三个阶段:从微裂发展到肉眼可见的裂缝为刚度速降阶段;从结构明显

开裂到明显屈服为刚度次速降阶段;从明显屈服到最大弹塑性变形为刚度缓降阶段。

2.3　延性性能分析

各剪力墙位移及延性系数实测值见表4。表4中位移指水平加载点同一高度在不同阶段对应的水平位移。其中:U c 为与F c 对应的开裂位移;U y 为与F y 对应的屈服位移;U d 为弹塑性最大位移,其取值为极限荷载下降至85%时所对应的位移;θ为弹塑性最大位移对应的位移角。μ=U d /U y 为剪力墙的延性系数。

表4　各剪力墙位移及延性系数实测值

Table 4　Experi m ental results of dis p lace ment and ductility coefficient

试件编号

U c /mm U y /mm U d /mm θU d /mm (相对值)μμ(相对值)S W1

2.149.7937.771/49 1.000

3.858 1.000S W2 2.399.2451.181/36 1.355

5.539 1.436由表4可以看出:(1)各剪力墙的开裂、屈服位移相差不多。(2)钢管混凝土边框组合剪力墙的延性系数较大,比普通钢筋混凝土剪力墙提高了43.6%,说明钢管混凝土边框组合剪力墙的延性好于普通钢筋混凝土剪力墙。(3)钢管混凝土边框组合剪力墙的弹塑性最大位移比普通钢筋混凝土剪力墙提高了35.5%,说明其弹塑性变形能力比普通钢筋混凝土剪力墙明显提高。延性和弹塑性变形能力的提高对于改善高轴压比下剪力墙的抗震性能具有重要的意义。

2.4　滞回特性分析

图4为实测的各试件“荷载F -位移U ”滞回曲线。由图4可见:在高轴压比下钢管混凝土边框组合剪力墙的滞回环比普通钢筋混凝土剪力墙的滞回环饱满,中部捏拢轻,承载力和延性显著提高

。

　图4　各剪力墙的“荷载-位移”滞回曲线图

　Fig .4　Hysteretic curves of ’l oad -dis p lace ment ’of s peci m ens

2.5　耗能能力分析

滞回环所包含面积的积累反映了结构弹塑性耗能的大小,滞回环越饱满,结构的耗能能力越强。由于各

88　　　　　　　　地　震　工　程　与　工　程　振　动　　　　　　　　　　　　　　　　第28卷

试件加载的历程有些不同,本文取各试件滞回曲线的外包络线所包围的面积作为各试件耗能大小的比较值,各试件的耗能实测值见表5。

由表5可知:钢管混凝土边框组合剪力墙的耗能明显高于普通钢筋混凝土剪力墙,与其相比耗能提高了129.6%,说明高轴压下该组合剪力墙抗震能力显著高于普通钢筋混凝土剪力墙。

2.6　破坏特征及分析

各剪力墙的最终破坏形态和裂缝图如图5所示。各剪力墙的破坏特征具有以下特点:

(1)普通混凝土剪力墙裂缝相对少,主要分布在下部1/2墙高范围内。其斜裂缝出现早且发展快,因反复加载形成交叉,上部斜裂缝角度约呈45°。加载后期,墙体两侧根部混凝土压碎脱落,暗柱主筋外露、压曲,构件失去承载力,试件最终呈弯曲为主的破坏。

(2)钢管混凝土边框组合剪力墙较普通钢筋混凝土剪力墙裂缝多、分布域广,几乎布满整个墙身。首先在墙体底部1/3高度范围内陆续出现弯剪裂缝,并从墙侧向中部斜向下发展,随着荷载的增加及反复作用在中部形成交叉。加载中期墙体裂缝继续发展,在上部亦有斜裂缝出现并发展,因为轴压比较高,在墙体上沿整个墙高出现的短斜交叉裂缝较为密集。两侧钢管底部在与水平力垂直的侧面鼓起,随着反复加载鼓起处反复拉压变形,而后钢管底部在与水平力平行的两个正面亦出现鼓起,随着反复加载鼓起程度逐渐加大,形成较为集中的耗能区域。最终破坏时裂缝几乎布满整个墙身,但没有较宽的裂缝。钢管角部破坏较严重,两侧钢管底部钢管鼓起集中变形耗能区域钢管被拉裂,钢管内的混凝土粉末外漏。在原鼓起上方出现了第二层鼓起,墙体底部混凝土压酥脱落面积较大。在加载达到1/50位移角之前钢管混凝土边框柱与混凝土墙身之间基本没有出现滑移错动现象。

表5　各剪力墙耗能实测值

Table 5　Experi m ental results of energy dissi pati on

试件编号

耗能E p /(kN ・mm )耗能E p (相对值)SW 1

318011.000SW 2730102.

296

图5　破坏形态图

Fig .5　Failure modes of s peci m ens

3　

承载力计算

图6　承载力计算模型Fig .6　Mechanical model of capacity

　　试验研究表明,组合剪力墙试件以弯曲破坏为主,属于大偏压情况。当试

件因弯曲破坏而失效时,根部弯矩起控制作用。在受拉区,钢管达到屈服应力

时,墙板受拉区竖向分布钢筋也大部分达到屈服应力,在中和轴附近的钢筋应

力较小,计算时不予考虑,受拉区只计距受拉边缘h w -1.5x 范围内的受拉钢

筋;受压区的竖向分布钢筋由于截面积较小,容易发生压屈现象,所以这部分

压应力不予考虑,钢管受压屈服。基本假设:截面保持平面;不计受拉区混凝

土的抗拉作用;受压混凝土的应力-应变关系曲线按现行混凝土结构设计规

范确定,εc <0.002时为抛物线,0.002≤εc <0

.0033时为水平直线,混凝土极限压应变值取0.0033,最大压应力取混凝土抗压强度标准值f ck ;钢筋的应力

-应变关系为:屈服前为线弹性关系,屈服后的应力取屈服强度;考虑到钢管

混凝土边框柱中钢管对混凝土的约束使得混凝土强度有所提高,引入强度提

高系数α;钢管混凝土边框组合剪力墙的承载力计算模型见图6。

根据平截面假定,当x ≤ξb h w0时,墙体为大偏心受压,相对界限受压区高

度为

ξb =

0.81+f a

0.0033E s 98第1期曹万林等:高轴压比下钢管混凝土边框组合剪力墙抗震性能试验研究

N=f′a A′a+N c1+N c2-f a A a-N s w(1)

N(e0-h w

2

+

h′f

2

)=f

a

A a(h w-

h f

2

-

h′f

2

)+N

s w

(

h w-h′f-h f

2

+

3x

4

)+N

c2

x

2

(2)

式中:N

s w

=f y w b wρw(h w-1.5x-h f);N c2=f c b w(x-h′f);N c1=αf c A c

在进行剪力墙承载力计算时,因截面对称且采用对称配筋配钢形式,故部分参数之间有如下关系:

f a=f′a,A a=A′a,h f=h′f

　　平衡方程可以简化为

N=N c1+N c2-N s w(3)

N(e0-h w

2

+

h f

2

)=f

a

A a(h w-h f)+N s w(

h w

2

+

3x

4

-h f)-N c2

x

2

(4)

式(1)～(4)中,x为混凝土受压区高度;f

y w 为墙体竖向分布筋抗拉强度;f

a

、f′

a

分别为钢管混凝土边框柱所

用钢材的抗拉、抗压强度;f

c 为混凝土抗压强度值;A

a

、A′

a

分别为钢管混凝土边框柱中受拉、受压钢管的面

积;A

c 为钢管混凝土边框柱中混凝土的面积;α为钢管内混凝土的强度提高系数,取为1.2;N为轴力;h

w

、

b w为截面的总高度、墙板厚度;h f、h′f为钢管混凝土边框柱截面高度;e0为偏心距;ρw为剪力墙竖向分布钢筋配筋率。

试件水平承载力

F=N e0

H

(5)

式中:e

0=

M

N

,H为模型水平加载点至基础顶面距离。

混凝土和钢筋的强度取实测值,由式(3)～(5)计算所得的钢管混凝土边框组合剪力墙的承载力为612.01k N,与实测值2.56相比相对误差为4.75%,计算结果与实测结果吻合较好。

4　结论

　　(1)在高轴压比下,钢管混凝土边框组合剪力墙的承载力、延性及耗能能力仍可比普通钢筋混凝土剪力墙显著提高。

(2)在高轴压比下,钢管混凝土边框组合剪力墙的刚度同样可比普通钢筋混凝土剪力墙明显提高,且刚度退化速度较慢,性能相对稳定,有利于抗震。

(3)在高轴压比下,钢管混凝土边框组合剪力墙与普通钢筋混凝土剪力墙相比,其墙体裂缝增多,裂缝分布几乎遍及整个墙面,这是其抗震耗能能力增强的重要表征。

(4)在高轴压比下,钢管混凝土边框柱与现浇钢筋混凝土剪力墙之间的抗剪连接键能够保证其共同工作。

(5)本文构造措施以及所提供的承载力计算简化模型可供抗震设计参考。

参考文献:

[1]　El-Ta wil,Sherif B racci,Joseph.Recent findings fr om phase V of the United States-Japan cooperative earthquake research p r ogra m[J].Journal

of Structural Engineering,2004,130(2):155-156.

[2]　Goel,Subhash C.United States-Japan cooperative earthquake engineering research p r ogra m on composite and hybrid structures[J].Journal of

Structural Engineering,2004,130(2):157-158.

[3]　曹万林,范燕飞,张建伟,等.不同轴压比下内藏钢桁架混凝土组合剪力墙抗震研究[J].地震工程与工程振动,2007,27(4):42-46.

[4]　王敏,曹万林,张建伟.组合剪力墙的抗震研究与发展[J].地震工程与工程振动,2007,27(5):80-87.

[5]　钟善桐.高层钢-混凝土组合结构[M],广州:华南理工大学出版社,2003.

[6]　徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[7]　廖飞宇,陶忠,韩林海.钢-混凝土组合剪力墙抗震性能研究简述[J].地震工程与工程振动,2006,26(5):130-135.

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