钢筋混凝土剪力墙构件地震损伤性能试验
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* 中央高校基本科研业 务 费 专 项 资 金 资 助 项 目， 国 家“973 ” 重点基 础研究发展计划（ 2007 CB714202 ） 。 作者简介： 蒋欢军， 教授， 博士， Email ： jhj73 @ tongji． edu． cn 。
震设计理论不断发 展， 基于性能的抗震设计方法
越来越受到工程抗震研究者的重视 。 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 直接把位移作为 抗 震 性 能 指 标 和 结 构 设 计 参 能［2］ ， 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 构件截面形式等 。 件配箍率 、 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
1. 1 试件设计
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建Байду номын сангаас
筑
结 2
构 试件损伤破坏过程
2012 年
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 。
试件基本信息表
编号 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 SW7 截面形式 工字形 工字形 工字形 工字形 工字形 T 字形 一字形 试件尺寸 / mm （ 高 × 宽 × 厚） 2 000 × 1 000 × 100 2 000 × 1 000 × 100 2 000 × 1 000 × 100 2 000 × 1 000 × 100 2 000 × 1 000 × 100 2 000 × 1 000 × 100 2 000 × 1 000 × 100 轴压比 0. 1 0. 2 0. 3 0. 3 0. 3 0. 3 0. 3
表1
边缘构 件配箍 6. 5@ 50 6. 5@ 50 6. 5@ 50 8 @ 50 6. 5@ 100 6. 5@ 50 6. 5@ 50
图1
墙体截面及配筋
图4 图2 试件尺寸图 图3 试验加载装置及测量布置示意图
试件典型损伤状态
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
第 42 卷 第 2 期 2012 年 2 月
建 筑 结 构 Building Structure
Vol． 42 No． 2 Feb． 2012
钢筋混凝土剪力墙构件地震损伤性能试验 *
蒋欢军， 应 勇， 王 斌， 张永鑫
（ 同济大学土木工程防灾国家重点实验室， 上海 200092 ）
［摘要］ 为了研究剪力墙的地震损伤和基于位移的抗震性能设计， 对 7 片不同设计参数的钢筋混凝土 剪 力 墙 构 件 对比研究了轴压比、 边缘构 进行了低周反复加载试验， 记录了构件各损伤阶段的变形和裂缝宽度 。 根据试验 结 果， 截面形式对剪力墙构件延性 、 承载力 、 变 形 特 点 和 地 震 损 伤 的 影 响 规 律 。 研 究 结 果 表 明： 随 着 轴 压 比 增 件配箍率 、 大， 构件承载力增大， 剪切效应增大， 延性降低， 残余裂缝率减小； 随着变形的增 大 和 损 伤 加 剧， 构 件 剪 切 效 应 增 强； 工字形截面构件剪切效应更明显， 裂缝开展较慢 。 ［关键词］ 钢筋混凝土剪力墙； 低周反复荷载试验； 地震损伤； 延性 中图分类号： TU375 文献标识码： A 文章编号： 1002848X （ 2012 ） 02011305
1. 3 加载制度 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 》 （ JGJ 101 —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 。
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 断 裂。 试 件 的 典 型 破 坏 过 两端最外边的纵 筋 压 屈 、 程如图 4 所示 。
第 42 卷 第 2 期
蒋欢军， 等 ． 钢筋混凝土剪力墙构件地震损伤性能试验
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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 试验数据分析 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 。
Experiment on seismic damage behavior of RC shear walls Jiang Huanjun ，Ying Yong ，Wang Bin ，Zhang Yongxin
（ State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering ，Tongji University ，Shanghai 200092 ，China ） Abstract ： In order to study reinforced concrete shear walls seismic damage and displacement-based seismic design ，low cyclic loading test was carried out on seven reinforced concrete shear wall members with different design parameters． The deformation and crack width corresponding to individual damage states were recorded． Based on the test results ， the influence of axial compressive ratio ，stirrup ratio of the boundary element and cross-section shape on the ductility ，bearing capacity ，deformation characteristic and seismic damage was investigated． The results show that bearing capacity and shear effect increase with axial compression ratio increasing ，but ductility and residual crack ratio decrease． With the deformation and damage increasing ，the shear effect increases． I-shaped cross section shear walls have more shear effect ，and crack developing slowly． Keywords ： reinforced concrete shear wall ； low cyclic loading test ； seismic damage ； ductility
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引言 为了减少地震 灾 害 造 成 的 损 失， 建筑结构的抗
［1］
地震损伤 、 延 性 的 影 响 规 律， 为基于位移的 形特点 、 地震损伤控制设计提供试验依据 。 1 试验设计 试验参考现行结构设计规范［3 ，4］ 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 箍 筋 为 HPB235 ， 墙体的纵 的纵向 钢 筋 为 HRB335 ， 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， SW2 和 SW3 用 于 研 究 轴 压 比 对 构 件 性 试件 SW1 ， 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 加载装置 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
震设计理论不断发 展， 基于性能的抗震设计方法
越来越受到工程抗震研究者的重视 。 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 直接把位移作为 抗 震 性 能 指 标 和 结 构 设 计 参 能［2］ ， 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 构件截面形式等 。 件配箍率 、 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
1. 1 试件设计
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建Байду номын сангаас
筑
结 2
构 试件损伤破坏过程
2012 年
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 。
试件基本信息表
编号 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 SW7 截面形式 工字形 工字形 工字形 工字形 工字形 T 字形 一字形 试件尺寸 / mm （ 高 × 宽 × 厚） 2 000 × 1 000 × 100 2 000 × 1 000 × 100 2 000 × 1 000 × 100 2 000 × 1 000 × 100 2 000 × 1 000 × 100 2 000 × 1 000 × 100 2 000 × 1 000 × 100 轴压比 0. 1 0. 2 0. 3 0. 3 0. 3 0. 3 0. 3
表1
边缘构 件配箍 6. 5@ 50 6. 5@ 50 6. 5@ 50 8 @ 50 6. 5@ 100 6. 5@ 50 6. 5@ 50
图1
墙体截面及配筋
图4 图2 试件尺寸图 图3 试验加载装置及测量布置示意图
试件典型损伤状态
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
第 42 卷 第 2 期 2012 年 2 月
建 筑 结 构 Building Structure
Vol． 42 No． 2 Feb． 2012
钢筋混凝土剪力墙构件地震损伤性能试验 *
蒋欢军， 应 勇， 王 斌， 张永鑫
（ 同济大学土木工程防灾国家重点实验室， 上海 200092 ）
［摘要］ 为了研究剪力墙的地震损伤和基于位移的抗震性能设计， 对 7 片不同设计参数的钢筋混凝土 剪 力 墙 构 件 对比研究了轴压比、 边缘构 进行了低周反复加载试验， 记录了构件各损伤阶段的变形和裂缝宽度 。 根据试验 结 果， 截面形式对剪力墙构件延性 、 承载力 、 变 形 特 点 和 地 震 损 伤 的 影 响 规 律 。 研 究 结 果 表 明： 随 着 轴 压 比 增 件配箍率 、 大， 构件承载力增大， 剪切效应增大， 延性降低， 残余裂缝率减小； 随着变形的增 大 和 损 伤 加 剧， 构 件 剪 切 效 应 增 强； 工字形截面构件剪切效应更明显， 裂缝开展较慢 。 ［关键词］ 钢筋混凝土剪力墙； 低周反复荷载试验； 地震损伤； 延性 中图分类号： TU375 文献标识码： A 文章编号： 1002848X （ 2012 ） 02011305
1. 3 加载制度 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 》 （ JGJ 101 —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 。
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 断 裂。 试 件 的 典 型 破 坏 过 两端最外边的纵 筋 压 屈 、 程如图 4 所示 。
第 42 卷 第 2 期
蒋欢军， 等 ． 钢筋混凝土剪力墙构件地震损伤性能试验
115
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 试验数据分析 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 。
Experiment on seismic damage behavior of RC shear walls Jiang Huanjun ，Ying Yong ，Wang Bin ，Zhang Yongxin
（ State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering ，Tongji University ，Shanghai 200092 ，China ） Abstract ： In order to study reinforced concrete shear walls seismic damage and displacement-based seismic design ，low cyclic loading test was carried out on seven reinforced concrete shear wall members with different design parameters． The deformation and crack width corresponding to individual damage states were recorded． Based on the test results ， the influence of axial compressive ratio ，stirrup ratio of the boundary element and cross-section shape on the ductility ，bearing capacity ，deformation characteristic and seismic damage was investigated． The results show that bearing capacity and shear effect increase with axial compression ratio increasing ，but ductility and residual crack ratio decrease． With the deformation and damage increasing ，the shear effect increases． I-shaped cross section shear walls have more shear effect ，and crack developing slowly． Keywords ： reinforced concrete shear wall ； low cyclic loading test ； seismic damage ； ductility
0
引言 为了减少地震 灾 害 造 成 的 损 失， 建筑结构的抗
［1］
地震损伤 、 延 性 的 影 响 规 律， 为基于位移的 形特点 、 地震损伤控制设计提供试验依据 。 1 试验设计 试验参考现行结构设计规范［3 ，4］ 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 箍 筋 为 HPB235 ， 墙体的纵 的纵向 钢 筋 为 HRB335 ， 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， SW2 和 SW3 用 于 研 究 轴 压 比 对 构 件 性 试件 SW1 ， 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 加载装置 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