钢筋混凝土剪力墙抗震恢复力模型及试验研究

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图# 567. #
试件尺寸及配筋图
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试验概况
试件设计与制作 本次试验共制作 5 片悬臂钢筋混凝土剪力墙，截
面尺寸为 "66-- 7 866--，墙体高度分别为 "66--、 8696--、8:66--，使设计的高宽比分别为 8、8’ 9 和 每种高度制作 ! 片剪力墙。 墙体采用边缘暗柱结构， #。 以模拟实际结构中为满足剪力墙的抗弯和延性要求、 主筋一般集中配置在墙体两侧的情况。边缘暗柱纵筋 配筋率为 :; 9< ， 箍筋为 ! =’ 9， 间距为 8#， 墙体纵向钢筋采用 = ! =’ 9， 配筋率为 6; :< ， 896--。 水平钢筋配筋率为 6; !"< ， 根据不同高度分别采用 8= ! =’ 9 > ! ? 8:66-- @ 、 8# ! =’ 9 > ! ? 8696-- @ 和 A ! =’ 9 > ! ? "66-- @ 。墙体上下均设有钢筋混凝土横梁与 之相连。 混凝土的设计强度等级为 B!6。 图 8 为试件尺 寸及配筋图。 !" ! 试验装置及测试内容 试验装置： 本试验为低周反复加载， 如图 # 所示。 水平荷载由双向推拉油压千斤顶提供，千斤顶的前端 连接拉压传感器， 传感器的前端连接球铰， 使得当墙体 有位移时， 墙体与水平加载装置间能有微小转动， 以保 证水平加载方向的稳定性。水平千斤顶的后端固定在 “ 门” 字形钢架上， 为其提供反力。竖向荷载由竖向油 压千斤顶提供。为了使中心垂直轴力始终保持在墙顶 点中心， 并在试验中与试件的变形同步同向， 将滑动支 座固定在加荷架横梁上，将一个 8666CD 千斤顶倒装 固定在滑动支座上， 它的前端连接压力传感器， 通过球 铰作用在剪力墙截面的中心。 在剪力墙顶端中点布置一个位移计，它和荷载传 感器分别接入信号放大器，再接入 EBFG 数据采集分 析仪。然后将水平荷载传感器和位移计通过 HIFJ 软 件接入计算机， 可以实现数据的同步采集， 并同步观测 试件的荷载 3 位移曲线。墙体及暗柱中的纵筋根部贴 有电阻应变片，它同时接入 EBFG 数据采集分析仪用 来测量钢筋应变。 加载制度及测试内容：首先施加竖向荷载至预定 值（ 如表 8 所示） ， 然后反复循环加卸水平荷载， 它的施 加采用荷载和位移混合控制方式。在荷载控制阶段， 即在寻找开裂荷载和屈服荷载过程中， 控制加载级差， 特别是在接近开裂或屈服的情况下，减小荷载的级 对于剪跨比为 8 的试件 KL38、 典型破 KL3# 和 KL3!， 坏特征描述如下： 试件 KL38M 轴压比为 6’ 8，在荷载控制加载阶段， 混凝土开裂前， 各试件基本处于弹性工作阶段， 其特征 为卸载与加载曲线基本重合且为一直线段。当荷载增 加到 "6CD 时， 试件在腹板内出现对角斜裂缝。继续加 载， 腹板上斜裂缝数量增多， 同时边框暗柱上形成水平 裂缝。 随着荷载的增加及反复， 原有裂缝加长贯通。 在 这一阶段， 尽管网状裂缝将腹板分割成块状， 但同向裂 缝之间的条形腹板形成腹板的受压区，而腹板钢筋主 要承受拉应力。由于这一阶段试件的总体变形不大， 裂缝宽度尚小，被反向加载所产生的裂缝分隔的腹板 斜压区尚能较好地恢复到加载前的位置，裂缝两边混 凝土尚能吻合， 未发生相互错动， 再加载时斜压区还能 有效传递压力。因此， 试件承载力仍可继续提高， 直至 腹板斜压区混凝土达到极限抗压强度。在位移控制加 载阶段， 随着位移幅值的进一步增大， 腹板对角线混凝 土在剪压应力共同作用下达到其极限强度，混凝土被 压溃、 剥落。破坏呈明显的脆性， 该试件属斜压破坏。 试件 KL3# 和 KL3!， 其基本破坏特性与试件 KL38 类 似，只是开裂荷载和极限荷载随轴压力的提高略有增 !" 采用 :
图# $%&’ # 试验装置图
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差。在位移控制阶段， 取屈服变形的倍数加载， 直至试 件破坏或荷载降至最大荷载的 A9< 为止。 测试内容主 要包括： 试件的荷载 3 位移滞回曲线、 钢筋应变、 墙体 裂缝分布等。
反应分析研究工作的开展，结构和构件的恢复力特性 试验开始引起人们注意。到 $% 世纪 "% ’ (% 年代就不 单是为了地震反应计算而研究结构或构件的恢复力模 型，而是扩展到要求从能量耗散的角度进行模拟地震 作用的滞回特性试验，从而探求结构或构件的抗震性 能 ) # * 。在 强烈地震作用下，结构进入非线性变形状 态， 要经过有限次周期反复荷载作用。但此时每种构件 的荷载 + 变形过程很难记录下来， 为了模拟地震作用下 构件的受 力 变 形 性 能 ， 通常要进行低周反复荷载试 验 ) $ ’ , * 。剪力墙又称抗震墙， 是一种有效的抗侧力构件， 在高层建筑中得到广泛应用。剪力墙依其空间形状可 和高剪力墙（ 又称 分为矮剪力墙 （ 通常墙高宽比小于 $） 悬臂剪力墙或连层剪力墙） 。矮剪力墙常发生剪切破坏 和弯剪破坏。高剪力墙根据配筋、 受力和其他因素可能 发生弯曲破坏、 剪切滑移破坏和基础隆起破坏等。 目前进行钢筋混凝土剪力墙非线性分析所采用的
李宏男 7 ，李 兵 7: 4
（ 79 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连 77>546； 49 沈阳建筑工程学院 土木工程系，辽宁沈阳 77557"）
摘要： 通过拟静力试验， 对 @ 片钢筋混凝土剪力墙分别进行了在周期反复荷载作用下受力性能的研究， 验证了本文提出的 钢筋混凝土剪力墙的多弹簧宏观有限元模型， 进而得到了荷载与位移关系更合理的本构模型， 给出了相应的计算公式。 通 过比较不同轴压比和不同剪跨比的剪力墙的破坏形态、 破坏程度， 以及对试验现象和滞回曲线的分析， 得到如下结论： 随 着轴压比在一定范围内的提高， 相同剪跨比的剪力墙其承载能力有一定程度的提高， 但墙体的延性下降， 强度退化和刚度 退化趋于严重。随着剪跨比的提高， 相同轴压比的试件破坏形态由剪切破坏向弯曲破坏过渡， 承载能力随之降低， 但试件 的延性提高， 耗能能力大大加强。 关键词：剪力墙；滞回曲线；抗震性能；拟静力试验；宏观有限元模型 中图分类号：CD@E!9 7> CD!7E9 7 文献标识码：F
第 4" 卷第 " 期 4556 年 75 月 文章编号： 7555 = >?>@ A 4556 B 5" = 55!" = 5?
建 筑 结 构 学 报 #$%&’() $* +%,)-,’. /0&%10%&23
;$)9 4": <$9 " 810项目： 国家杰出青年基金 A "554"?4! B 、 辽宁省青年科研人 才培养基金 A @E!575 B 和辽宁省教育厅重大项目 A 454575"> B 资助。 作者简介： 李宏男 A 7@"E = 收稿日期： 455! 年 > 月 B， 男， 辽宁沈阳人， 教授。
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宏观有限元模型主要有三竖线模型、 多竖线模型、 四弹
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前言
自从 $% 世纪 &% 年代后期开始，随着非线性地震
簧模型以及二维板模型 ) & * 。三竖线模型可以模拟剪力 墙横截面中性轴的移动，但模型中转动弹簧的刚度的 确定采用经验公式， 降低了准确性 ) " * 。 四弹簧模型引入 一些系数， 而且有些系数的取值范围很宽 - %. $ ’ %. / 0 ， 使得该模型的可靠性大大降低 ) ( * 。二维板模型是宏观 有限元方法和微观有限元方法的结合，它提高了计算 精度， 但计算量大大增加 ) / * 。 多竖线模型是目前比较完 善的宏观有限元模型，但目前采用的模型中将剪力墙 轴向刚度的变化与剪切刚度的变化分别加以考虑，与 实际情况有一定差距 ) 1 * 。 本文对 1 片钢筋混凝土剪力墙进行了试验研究， 在试件设计时， 依据我国 《 混凝土结构设计规范》- 23 &%%#%—$%%$ 0 ) #% * 4 将剪力墙的横截面和纵向配筋保持 不变 4 横向配筋率保持不变 4 只改变剪力墙的高度 - 即高宽比、 剪跨比 0 和轴向荷载 - 即为轴压比 0 ， 通过对 试验现象和滞回曲线的分析 ) ## * ， 比较不同情况下的剪 力墙的破坏形态，提出了更加合理的钢筋混凝土剪力 墙的多弹簧宏观有限元模型，从而得到了一些对实际 工程有益的结论。