短肢剪力墙结构体系抗震性能试验研究

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短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5~8的抗震墙,通常墙厚不小于200mm,肢长在1000~2500mm之间,它介乎于异形框架柱和一般剪力墙之间。由于这种结构体系在建筑功能、结构形式、投资效益、节能指标等多方面效果良好,已成25层及其以下高层住宅的主要结构形式。 短肢墙结构的特点是:(1)结构形式符合建筑功能需要。利用隔墙位置来布置竖向构件,使结构受力需要与建筑使用功能较好地统一起来,避免了框架结构中梁柱突出墙面的问题。连接各墙的梁位于隔墙竖向平面内,属于隐蔽型,更适用于住宅。另外,视建筑平面及抗侧力的需要,中心竖向交通区也可处理成筒体。这种变化使得该体系也适用于层数较少的梯间单元式高层住宅。 (2)结构布置灵活。墙的数量可多可少,墙肢尺寸可长可短,主要根据抗侧力需要而定,还可通过不同的尺寸和布置以调整刚度和刚度中心的位置,为结构工程师发挥主观能动性提供了较大的空间。 (3)由于减少剪力墙而代之以轻质砌体,房屋自重可以减轻,地震作用因而减小,这有利于降低造价。 (4)由于外墙面相当一部分面积采用了轻质保温材料代替钢筋混凝土墙面,房屋的保温隔热性能也得到改善。这有助于建筑节能目标的实现。建设部要求新设计的采暖居住建筑要在当地1980年通用设计能耗水平的基础上节能50%。显然,短肢墙结构体系相对于全剪力墙体系具有更大的节能优越性。这是建筑行业行政主管部门愿意推广短肢墙结构的依据之一。 然而,新近颁布的混凝土结构设计规范和现行的钢筋混凝土高层建筑行业标准都没有关于短肢墙设计的具体条文;国内外也没有发现有关短肢墙结构体系低周反复试验的报导。短肢墙结构的破坏形式,滞回耗能性能以及内力分布规律等基本性状尚不清楚。本文进行了国内首例短肢墙结构体系低周反复试验;基于试验实测的墙肢应变分布,拟合了墙肢截面的应变分布规律,并进行了短肢墙结构内力大小及其分布规律的分析,建立了墙肢荷载效应负载率的数学模型,为实际工程的截面设计创造了条件。论文主要工作包括: 1.引入短肢墙定义,阐述了短肢墙结构体系是高层住宅合理的结构形式,详细列出有代表性的异形柱、普通剪力墙结构(或构件)在低周反复试验中的滞回曲线等主要抗震性能,以作为短肢墙结构体系归属定位的依据。 2.进行了6个短肢墙试体低周反复试验,包括无翼墙和有翼墙试体各一组,每组3件,肢厚比分别为5,6.5和8。介绍了试验装置、加载制度、量测方案、边界条件等内容。试体设计突出“结构体系”的概念,建立“亚结构”试体,使试验结果相对于“构件”级试验具有更多的实用价值。这是本文研究工作的一个突出特点。 3.详尽列出全部试体的破坏形态、分析了破坏机理。绘出全部试体的滞回曲线和骨架曲线;确定了试体的特征荷载,包括开裂荷载、屈服荷载、极限荷载以及延性系数、耗能系数等主要抗震性能指标,指出:短肢墙结构在极限状态下的应力/应变分布状态与弹性分析结果有重大差异,结构存在着大幅度的内力重分布过程。无论是否设翼墙,墙肢截面纵向应变近似符合平截面假定。对于无翼墙结构,当肢厚比为5时,试体墙肢底部纵筋首先屈服,而当肢厚比大于5时,试体连梁端部箍筋首先屈服。对于有翼墙结构,无论肢厚比大小,均表现为墙肢和翼墙底部纵筋首先屈服。从试体破坏形态,极限承载力以及耗能能力来看,肢厚比等于6.5的2个短肢墙结构整体性性能较好。 4.从墙肢应变分布研究入手,建立了截面内力计算模型,深入研究了短肢墙结构内力大小及其分布规律,建立了土墙肢及主墙肢荷载效应负载率等基本概念。基于非线性数值分析及结构行为分析结果,研究了荷载效应负载率的影响因素,并确立了该参数以截面形状和肢厚比为自变量的数学模型,为截面设计创造了条件。 5.本文试验全部采用HRB400新*级钢材作为纵向受力钢筋和箍筋。试验结果表明:HRB400钢筋可以与普通强度的混凝土共同工作,无论受拉还是受压均可屈服。 6.肢厚比小的结构,两侧墙肢内力分布不均匀,墙肢强度储备少,安全性差。在工程中应限制使用肢厚比过小的结构(<6)。肢厚比大的结构,两侧墙肢内力分布较均匀,且墙肢强度储备充足,安全性好,但其材性不能充分发挥,经济性较差。从结构综合性能看,肢厚比为6.5左右的短肢墙结构整体性较好,同时具有一定的能量储备,材料性能发挥充分,可以在实际工程中推广使用。
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