钢筋混凝土空心剪力墙刚度退化研究_许淑芳

DOI 牶牨牥牣牨牭牴牳牰牤j 牣牨牥牥牰牠牱牴牫牥牣牪牥牥牱牣牥牭牣牥牥牰第39卷　第5期2007年10月

西安建筑科技大学学报(自然科学版) J . Xi ’an U niv. of A rch. &Tech. (N atural Science Edition )

V ol. 39　N o. 5O ct. 2007

钢筋混凝土空心剪力墙刚度退化研究

许淑芳1, 张　弢2, 索跃宁3, 张兴虎1, 徐　涛3　姜维山1

(1. 西安建筑科技大学土木工程学院, 陕西西安710055; 2. 辽宁省城乡规划设计院, 辽宁沈阳110002;

3. 西宁市城乡建设规划局, 青海西宁810001)

摘　要:基于不同剪跨比的6个钢筋混凝土空心剪力墙试件在低周反复水平荷载作用下的试验结果, 研究试件从开始加荷到破坏过程中刚度退化的规律. 通过对试验所得各试件滞回曲线及骨架曲线的分析, 得出刚度退化系数随试件顶点位移变化的规律, 并与有关文献中普通钢筋混凝土剪力墙刚度退化规律进行比较. 研究结果表明:钢筋混凝土空心剪力墙在开裂之前, 基本处于弹性工作阶段, 在开裂之后刚度退化速度较普通钢筋混凝土剪力墙快. 当剪跨比大于1小于2时, 钢筋混凝土空心剪力墙刚度退化速度较普通钢筋混凝土剪力墙快大约25%;当剪跨比小于1时, 前者较后者快大约25%-35%;当层间位移角达1/200时, 二者的刚度退化速度接近.

关键词:钢筋混凝土空心剪力墙; 低周反复水平荷载; 刚度退化系数

中图分类号:T U398+. 2　　　　文献标识码:A 　　　　文章编号:1006-7930(2007) 05-0605-05

　

1　引言

钢筋混凝土剪力墙的刚度退化问题是关系该种结构抗震性能及结构抗震有关计算的重要内容[1], 国内外学者关于普通钢筋混凝土剪力墙的刚度退化问题进行了许多研究, 取得了诸多成果. 但是, 钢筋

混凝土空心剪力墙的刚度退化规律如何, 目前尚未见到有关的研究内容. 本文根据钢筋混凝土空心剪力墙研究课题组近几年所作的钢筋混凝土空心剪力墙在低周反复水平荷载作用下破坏试验的结果, 对此种墙体的刚度退化进行研究.

本文所研究的刚度是指墙体的等效刚度, 即滞回曲线上坐标原点与某次循环的荷载峰值(骨架曲线上的点) 连线的斜率. 随着位移不断的增大, 等效刚度将不断减小, 将这种现象称为等效刚度退化, 简称刚度退化.

2　试件的等效刚度

本文所研究的6个试件的编号和有关参数见表1. 6个试件在低周反复水平荷载作用下裂缝出现、

表1　空心剪力墙试件参数表

Tab. 1　Hollow shear w all samples parameter

Number of

specimen HW -1H W -BS1HW1-CBS H W1-BS HW2-CBS H W2-BS

A xia l load /kN0010001000

Dimension of specimen Le ng th , T hickne ss , Heig ht /mm

2800×90×12502800×90×12501370×90×11001370×90×11001370×90×21001370×90×2100

Shea r span Ratio λ0. 450. 450. 80. 81. 461. 46

Ax ial compression

Ratio N

000. 0400. 040

*收稿日期:2006-12-05　　修改稿日期:2007-08-12

基金项目:陕西省教育厅专项资金资助项目(01JK172); 西宁市科技开发计划项目(2000-K -13) 1945), , , .

发展及试件破坏特征的分析详见参考文献[2-6], 其荷载-位移滞回曲线见图

1.

图1　滞回曲线

Fig. 1　T he Load -deflection curves

由滞回曲线及试验记录的有关数据, 可得到开裂点以后各荷载峰值对应的位移值, 详见表2.

表2　峰值荷载和位移

Tab. 2　Peak value load and displacement

H W -1HW -BS1HW 1-BS HW 1-BS H W2-CBS HW 2-BS

Load /kNDisplacement /mm

Load /kNDisplacement /mm

Load /kNDisplacement /mm

Load /kNDisplacement /mm

Load /kNDisplacement /mm

Load /kNDisplacement /mm

1200. 191250. 181220. 341010. 32610. 6590. 65

2000. 422220. 531510. 491200. 5189. 71. 9631. 18

3011. 293361. 131780. 931380. 89103. 53. 168. 52. 33

3401. 704131. 901931. 221501. 05123. 54. 8889. 35. 16

4044. 854573. 892432. 581762. 22134. 36. 5100. 87. 41

4278. 524755. 922515. 121894. 39143. 711. 5107. 59. 22

3638. 844048. 202137. 331615. 1812218. 659212. 68

由于试件的滞回曲线在开裂点之前基本上保持直线, 因此可以认为试件的刚度退化是从开裂点开始的, 即假设试件开裂之前的刚度基本保持不变. 由表2数据可以求出开裂点以后各个荷载峰值点的等效刚度, 列于表3. 将表3中各试件荷载峰值点的等效刚度除以开裂刚度(即表3所列各试件最大刚度)

得到的比值为等效刚度退化系数, 见表3括号内数据.

表3　等效刚度和刚度退化系数(kN /mm)

Tab. 3　Eqivalenut stiffness and s tiffness degeneration coeffcien t (kN /mm )

H W -1HW -BS1HW 1-CBS HW 1-BS HW 2-CBS HW 2-BS

631. 6(1. 00) 694. 4(1. 0) 358. 8(1. 00) 321. 6(1. 00) 101. 7(1. 00) 90. 8(1. 00)

476. 2(0. 75) 418. 9(0. 60) 307. 3(0. 86) 237. 9(0. 74) 47. 3(0. 47) 53. 6(0. 59)

233. 3(0. 37) 297. 3(0. 43) 191. 1(0. 53) 168. 3(0. 52) 33. 4(0. 33) 29. 4(0. 32)

200. 4(0. 32) 217. 4(0. 31) 158(0. 44) 143. 5(0. 45) 25. 3(0. 25) 17. 3(0. 19)

83. 3(0. 13) 117. 4(0. 17) 94. 3(0. 26) 79. 2(0. 25) 20. 7(0. 21) 13. 6(0. 15)

50. 2(0. 08) 80. 2(0. 12) 48. 9(0. 14) 43(0. 13) 12. 5(0. 12) 11. 7(0. 13)

41. 1(0. 07) 49. 3(0. 07) 29. 1(0. 08) 31. 1(0. 10) 6. 5(0. 06) 7. 3(0. 08

)

将表2所列试件各个荷载峰值点的位移除以试件的高度, 可以得到各个荷载峰值点试件的层间位移角, 不同剪跨比试件的层间位移角和等效刚度退化系数之间的变化关系, 见图2所示.

由上图可以看出, 当试件的剪跨比相同时, 其刚度退化曲线相当接近, 说明本试验中采用的较小轴压比对刚度退化系数的影响甚小; 在层间位移角超过1/500后, 刚度退化速度明显减慢, 说明试件后期刚度退化稳定. 为了更清楚了解刚度退化规律, 由图2可得出特定层间位移角的刚度退化系数, 列于表4.

由表4可以看出:剪跨比为0. 8和1. 46的试件, 当层间位移角为1/3000时, 刚度退化系数为0. 9以上, 基本上是处于弹性工作阶段; 而剪跨比为0. 45的试件, 当层间位移角为1/3000时, 刚度退化系数近似为0. 7, 显然刚度已有明显的退化, 这种现象主要归结于剪跨比较小试件剪切变形较大. 由表4还可以看出, 有竖向荷载试件的刚度退化系数大于同条件无竖向荷载试件的刚度退化系数, 当轴压比相同时, 剪跨比较大试件轴压比对刚度退化的影响程度更大一些. 但是, 由于本试验的试件是针对

度退化系数影响甚小, 在以下的讨论中忽略轴压比的影响.

表5列出3种不同剪跨比钢筋混凝土空心剪力墙等效刚度退化系数(取相同剪跨比试件的平均值) 与2种不同剪跨比普通剪力墙的等效刚度退化系数, 可近似地比较两类不同剪力墙刚度退化特征.

图2　刚度退化曲线

Fig. 2　Stiffness degeneration curves

小高层和多层住宅而设计的, 同时试验时还受水平加载器出力指标的限制, 采用了较小的轴压比, 对刚

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表4　特定层间位移角的刚度退化系数

Tab. 4　Stiffness degeneration coeffcient for specified storey displacemen t angle

N umber o f Specimen

HW -1HW -BS1HW1-CBS HW1-BS HW2-CBS HW2-BS

1/30000. 7010. 6990. 9690. 9631. 0000. 935

1/25000. 6160. 6190. 8380. 8300. 8670. 809

1/20000. 5270. 5330. 7010. 6910. 7280. 677

1/15000. 4300. 4400. 5560. 5470. 5810. 538

1/10000. 3240. 3350. 4020. 3930. 4230. 390

1/7500. 2640. 2770. 3200. 3100. 3380. 310

1/5000. 1990. 2110. 2310. 2230. 2460. 225

1/3500. 1540. 1660. 1740. 1670. 1860. 169

1/2000. 1040. 1140. 1110. 1060. 1200. 108

1/1000. 0640. 0720. 0640. 0600. 0700. 062

表5　两类剪力墙刚度退化系数比较

T ab. 5　The stiffness degeneration coeffcien t for tow types of shear w all compared

Shea r span ra tio

Ho llow Shear

wall Co mmon shear

wall Stiffness Degeneration Ratio

①1. 46②0. 8③0. 45④1. 67[6]⑤0. 57[7]

①/④②/⑤(③/⑤)

1/20000. 7030. 6960. 5300. 880. 870. 799

1/10000. 4070. 3980. 3300. 550. 530. 740

1/7500. 3240. 3150. 2710. 450. 430. 720

1/5000. 2360. 2270. 2050. 360. 320. 656

1/3500. 1780. 1710. 1600. 250. 230. 712

1/2000. 1140. 1090. 1090. 140. 120. 814

0.800(0. 609) 0. 751(0. 622) 0. 733(0. 630) 0. 709(0. 641) 0. 743(0. 696) 0. 908(0. 908)

由表5看出, 钢筋混凝土空心剪力墙等效刚度退化随层间位移角变化的速度要比普通钢筋混凝土剪力墙等效刚度退化的速度快:对于剪跨比小1的低矮剪力墙, 各阶段发生等效刚度退化的速度, 空心剪力墙平均比普通剪力墙快大约25%～35%;对于剪跨比大于1且小于2的剪力墙, 空心剪力墙平均要比普通剪力墙快大约25%;当层间位移角较达1/200时, 二者的刚度退化速度接近.

钢筋混凝土空心剪力墙等效刚度退化的速度之所以比普通钢筋混凝土剪力墙的速度快, 主要是与

剪力墙板裂缝的出现特征有关. 钢筋混凝土空心剪力墙进入弹塑性状态后, 由于竖向孔洞的存在, 造成了同一水平面上混凝土面积分布的不均匀, 在荷载的作用下, 会引起应力集中, 使孔洞两侧墙壁的应力增大, 裂缝的出现较普通剪力墙更容易. 与普通钢筋混凝土剪力墙相比, 空心剪力墙板开裂的速度要快, 裂缝开展的更充分、更均匀, 这对于降低地震作用、提高结构的变形性能和耗能性能是有益的.

由以上的分析可以看出, 钢筋混凝土空心剪力墙的刚度退化规律不同于普通钢筋混凝土剪力墙; 剪跨比不同的钢筋混凝土空心剪力墙, 其刚度退化规律也不同, 在工程抗震设计中应加以重视. 另外, 当钢筋混凝土空心剪力墙用于框剪结构时, 刚度退化对框架的内力影响的特点也是不容忽视的, 参考文献[7]对这一问题作了专门的研究.

4　结论

(1) 剪跨比为1. 46和0. 8的钢筋混凝土空心剪力墙在层间位移角为1/3000时, 基本上是处于弹性工作阶段(等效刚度退化系数大于0. 9), 而剪跨比为0. 45的钢筋混凝土空心剪力墙在层间位移角为1/3000时, 等效刚度退化系数近似为0. 7, 说明剪跨比过小的空心剪力墙会较早发生较明显的刚度退化. (2) 钢筋混凝土空心剪力墙等效刚度退化随层间位移角变化的速度要比普通钢筋混凝土剪力墙等效刚度退化的速度快:对于剪跨比大于1且小于2的剪力墙, 空心剪力墙平均要比普通剪力墙快大约25%. 对于剪跨比小于1的剪力墙, 各阶段发生等效刚度退化的速度, 空心剪力墙平均要比普通剪力墙快大约25%～35%. 当层间位移角较达1/200时, 二者的刚度退化速度接近.

(3) 层间位移角超过1/500后, 刚度退化速度明显减慢, 说明试件后期刚度退化稳定.

(4) 竖向荷载的存在可使刚度退化速度减小, 在相同轴压比下剪跨比较小试件减小幅度较大. 在本, .

第5期　　　　　　许淑芳等:钢筋混凝土空心剪力墙刚度退化研究

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Study of stiffness degeneration on R. C. hollow shear wall

X U Shu -f ang 1, ZH AN G Tao 2, SUO Y ue -ning 3, Z H A NG X ing -hu 1, XU Tao 3, J I A NG Wei -shan 1

(1. Schoo l of Civ il Eng. , Xi ' an Univ. o f A rch. &. T ech. , Xi ' a n 710055, China ; 2. Liaoning T ow n and Co untr y P lanning Desig n Institute , Sheny ang 110002, China ; 3. Xining T ow n and Country P lanning Build Bureau , Xining 810001, China )

A bstract :Ba sed on the test of 6R. C hollo w shea r w all samples w ith diffe rent shear span ratio unde r lo w cycle and rev erse ho rizo ntal lo ad , the samples stiffness degenera tion law is studied. T hro ug h ana lyzing the lo ad -displaceme nt curv es and skele ton curv es the chang ing law of stiff ness deg ene ratio n co effcient with sample to p displacement can be obtained com -pared to the stiffness deg ener atio n law o f co mmon R. C shear wall. Study r esults indicate that befo re the R. C hollo w shea r walls crack , they wo rk in elasticity stag e. A fter cracking R. C ho llow shear w all stiffness deg ene ratio n speed is quicke r tha n commo n R. C shear wall. When shear span ratio is bigg er than 1and smaller than 2, R. C hollo w shea r wa ll stiffness dege ner ation speed is abo ut 25%quicke r than co mmo n R. C shear wall. When shear span ra tio is smaller than 1, the fo r -mer is abo ut 25%-35%quicke r than the latter. When sto rey displacement angle reaches 1/200, the stiffness degenera tion speed is close to each other.

Key words :R. C. hollow shear w all ; low cyc le and reverse horizontal load ; sti f f ness degeneration coe f f cient

*fang , , Xi , , T 29, E @sin a.