轻骨料混凝土剪力墙抗震性能的试验研究

河北工业大学学报2007年6月June2007

JOURNALOFHEBEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

文章编号：1007-2373(2007)03-0094-05

轻骨料混凝土剪力墙抗震性能的试验研究

任洪涛1，祖亚丽2，任泽民2，刘

平2

（1.河北金融学院，河北保定071051；2.河北工业大学土木工程学院，天津300132）

摘要通过对不同配筋形式的两片轻骨料混凝土剪力墙进行试验，研究了在低周反复水平荷载作用下，钢筋的布置形式对剪力墙抗震性能的影响，包括承载力、变形能力、延性、耗能能力等指标的比较与分析，为工程设计中轻骨料混凝土剪力墙的应用提供试验依据．

关键词轻骨料混凝土；低周反复水平荷载；刚度；滞回曲线；耗能能力中图分类号TU398.2文献标识码A

ExperimentalStudyonSeismicBehaviourofLightweight

ConcreteShearWall

RENHong-tao1，ZUYa-li2，RENZe-min2，LIUPing2

(1.HebeiUniversityofFinance,HebeiBaoding071051,China;2.SchoolofCivilEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300132,China)

AbstractThepapershowedthetestresultsoftwolightweightconcreteshearwallswithdifferentstylereinforcementsthatbearedthehorizontalloading,studiedtheinfluencetotheseismic-resistingbehaviourbydifferentstylereinforcements,includingthecompareandanalysisofload-bearing,bucklingcapacity,ductility,energydissipationcharacteristic.Thepaperprovidedthetestbackgroundfordesignguidelines.

Keywordslightweightconcrete；horizontallowcyclicloading；stiffness；hystereticcurve；energydissipation

characteristic

0引言

随着我国国民经济的迅速发展，高层以及超高层建筑日益增多，与之相适应的设计水平和理论水平

也要求不断深化．在实际应用中，剪力墙结构和框架－剪力墙结构以其独特的优点正逐渐成为高层建筑的主要结构形式．轻骨料混凝土是近年来发展迅速，应用广泛的建筑材料之一，因此对轻骨料混凝土剪力墙抗震性能的试验研究是一项很有现实意义的课题．

1试验研究概况

剪力墙按其高宽比的大小可以分为3种：Hw/hw>2，称为高墙；Hw/hw=1~2，称为中高墙；Hw/hw<1，

称为矮墙．目前对剪力墙抗震性能的研究大多集中在低矮墙上，对于高墙和中高墙的研究相对较少，因此为了研究这类剪力墙的抗震性能，本试验选取中高剪力墙（Hw/hw＝1.9）作为试验对象，通过对其进行低周反复加载试验来探讨这类结构抗震性能的一般规律

[1]

．

1.1试件设计

试件设计综合考虑实际应用和试验室的设备情况．墙体中均采用单层钢筋网，钢筋按照《建筑抗震设计规范》GB50011-2001的规定配置．

收稿日期：2007-02-25

基金项目：河北省科技攻关计划项目（06213707）作者简介：任洪涛（1966-），男（汉族），高级工程师．

第3期任洪涛，等：轻骨料混凝土剪力墙抗震性能的试验研究95

试件采用CL30轻质陶粒混凝土材料，钢筋选用HRB400级．剪力墙墙体高度1900mm，断面宽度1000mm，墙板两侧设框柱，截面尺寸250×250mm．为便于加载，在墙板上部设顶梁，截面尺寸250×500mm，试件的截面为哑铃型．

根据目前试验研究的成果发现，剪力墙板弹塑性变形能力差的关键问题就是一旦斜裂缝出现，板面极易形成主斜裂缝，导致结构承载力显著下降

[2]

．针对此特征，本试验设计试件LW2配置倾角为45°

的斜向钢筋，即沿主斜裂缝的开展方向配筋，另一试件LW1采用传统的纵横向钢筋网配筋方式．两个试件尺寸完全相同，框柱、顶梁及基础的配筋完全相同，只是墙板的配筋形式不同，具体见图1．

2

50010@200240010@1001190010@15010@150150010002500

2LW1

500600LW28105002506@20010@20010@100250250100041621210@2001

图1

Fig.1

试件尺寸及配筋图

216600190010@10010070070015002

Templateandreinforcementdetailsofspecimens

1.2试验设置

通过对试件施加低周反复水平荷载来研究其抗震性能．水平荷载由水平拉压千斤顶施加，为防止加载力集中于一点造成受压区混凝土局部压溃，在试件受载处设钢垫板，以均匀分布荷载．加载点至基础顶面距离为2150mm，并在与加载点同一高度处布置水平位移计，以观测试件的侧向位移．沿试件高度方向共布置4个位移计，具体加载布置见图2．

加载方式为荷载-位移联合控制，即在试件屈服之前采用荷载控制的方式，试件屈服后采用位移控制的方式加载．

图2Fig.2

试验加载示意图Schematicviewoftestset-up

5006006

4

44458

1.试件

3

2

2.传感器3.传力钢架

1

2150100800

41008007

4.水平位移计5.百分表6.反力钢架7.反力墙8.基底固定

8

螺栓

4504505

100400400100

4

96河北工业大学学报第36卷

2试验结果分析

2.1承载力分析

各试件的开裂荷载、明显屈服荷载、极限荷载见表1．Fc为试件水平开裂荷载，Fy为试件明显屈服荷载，Fu为试件极限水平荷载．

表1

Tab.1

试件编号LW1LW2

Fc/kN99.32103.42

各试件的开裂荷载、明显屈服荷载、极限荷载的实测值

Experimentalresultsoncrackingstrength,yieldingstrength,ultimatestrengthofthespecimens

正向加载Fy/kN336.30301.37

Fu/kN441.78467.12

Fc/kN136.9971.23

负相加载Fy/kN338.36304.79

Fu/kN445.21495.21

Fc/kN118.1687.33

正负两向均值

Fy/kN337.33303.08

Fu/kN443.50481.17

由表1可知：

1）配有斜向钢筋的LW2试件的开裂荷载和屈服荷载较纵横向配筋的LW1试件稍低，极限荷载较LW1提高了8.5％，说明斜向钢筋对试件屈服前的受力作用不大，但对试件的极限承载能力有所提高．

2）试件LW2开裂强度与屈服强度的比值为Fc/Fy=0.288，而试件LW1开裂强度与屈服强度的比值为Fc/Fy=0.350，可见前者比后者明显减小，说明斜筋试件从开裂到屈服的历程相对较长，对抗震有利．

3）试件LW2屈服强度与极限强度的比值为Fy/Fu=0.630，而试件LW1屈服强度与极限强度的比值为Fy/Fu=0.761，前者比后者也明显减小，说明斜筋试件有较大的安全储备．

2.2延性性能分析

试件在各明显变形阶段的位移实测值和延性系数见表2．表中位移是与水平加载点同一高度处的位移实测值，其中：Uc为与开裂荷载Fc对应的位移，Uy为与屈服荷载Fy对应的位移，Ud为试件的最大弹塑性位移．

Tab.2

试件编号LW1LW2

Uc/mm0.8191.040

表2各试件的位移及延性系数实测值

Experimentalresultsondisplacementandductilitycofficientofthespecimens

正向加载Uy/mm8.509.725

Ud/mm34.5239.96

Uc/mm1.1350.701

负相加载Uy/mm8.677.040

Ud/mm31.9044.34

Uc/mm0.9770.871

正负两向均值Uy/mm8.5858.383

Ud/mm33.2142.15

Ud相对值1.0001.269

由表2可知：

1）试件LW2的开裂位移和屈服位移均比试件LW1小，但极限位移明显提高，说明配置斜向钢筋可以极大的提高结构变形能力．

2）试件LW2的延性系数用

[3]

=3.868，可见前者比后者的延

性系数明显提高．延性系数是考察抗震性能的重要指标，因此配置斜筋对提高试件的抗震能力有很大作

．

2.3滞回性能和耗能能力的比较

图3是试件LW1、LW2的滞回曲线图，图4是骨架曲线，图中的位移均为与加载点同一水平位置的位移实测值．由图可见：

1）在弹性加载阶段，两试件滞回曲线差异不大，而试件屈服后，LW2明显比LW1滞回曲线饱满，

第3期任洪涛，等：轻骨料混凝土剪力墙抗震性能的试验研究97

中间部位捏拢现象轻．

2）在屈服之前二者的滞回环形状及包围面积相近，但屈服后，试件LW2的滞回曲线明显饱满，而且在随后的几个循环中承载能力还有明显提高，而试件LW1屈服后承载能力趋于平缓，经过几个循环有下降的趋势．

3）当荷载不是很大时，滞回曲线在正负两个方向上基本是对称的，而在试验后期，出现了严重的不对称现象，这是由于荷载较小时，混凝土出现的裂缝可以闭合，而荷载较大时裂缝不能再闭合了，使试件的弹塑性分布和发展出现不均匀，尤其是在一侧荷载作用下，试件相应侧发生受压或受剪破坏时，另一侧荷载作用时，结构的承载能力和变形性能都有较大的降低，使滞回曲线出现严重的不对称现象．

4）从骨架曲线可以明显看出在正向受力时，位移小于30mm时，试件LW2的承载力比试件LW1小，而在后续的加载过程中，试件LW2的承载力不断提高，最大弹塑性位移也比试件LW1大．

滞回曲线所包围的面积与试件的耗能能力是成正比的，因此滞回曲线越饱满，包围的面积越大，试件的耗能能力也就越好[4]．取滞回曲线在第一象限内的面积进行比较．经过计算可得LW2与LW1相比，钢筋用量增加了1.5%，而耗能能力增加了19.5%，耗能能力的提高是用钢量提高的13倍．2.4试件刚度比较

图5是LW1和LW2的刚度随位移角变化的曲线图．由图可以看出，剪力墙试件的刚度K随位移角

ｍｍ-1)98河北工业大学学报第36卷

LW2的刚度较LW1的刚度小，这是由于LW2的钢筋全部为斜向布置，一旦钢筋屈服，在瞬间产生很大的塑性变形，钢筋和混凝土之间缺少应力约束，致使钢筋和混凝土之间产生较大的滑移．当位移角介于1/1000~1/200之间时，LW1的刚度衰减较快，而LW2的变化已十分平缓，说明配置斜向钢筋对提高试件后期的性能有很大作用．

3）从试件明显屈服到最大弹塑性位移为刚度缓降阶段，此阶段位移角大于1/200，这一阶段两试件的刚度曲线变化基本一致．2.5破坏特征

每级加载过程中都采用人工绘制裂缝，图6是两个试件破坏时的裂缝图．在试验过程中，两个试件的破坏特征为：

1）两个试件的裂缝走向、裂缝出现的次序和位置基本一致．最早出现的裂缝为两端柱的水平裂缝，随着荷载的增加，柱上水平裂缝不断加宽，并向墙板内延伸．当荷载增加到一定程度时，墙板上开始出现斜裂缝．斜裂缝最早出现在墙板中下部位，随着荷载的继续增加，裂缝不断延伸、加宽，最后贯通整个墙板．而由于拉压荷载的循环作用，端柱根部不断有混凝土被压碎、脱落，直到试件完全破坏．

2）总体来看，配置斜向钢筋的试件裂缝分布范围较大，裂缝宽度较小，且斜裂缝出现较晚，虽然破坏时也形成了贯通墙板的斜裂缝，但宽度明显比纵横向配筋试件小．这是由于斜向钢筋限制了斜裂缝的开展，通过斜向钢筋与混凝土的粘结作用将能量传递到钢筋周围的混凝土，周边混凝土出现裂缝来耗散荷载产生的能量．

3）两个试件都是由于压区混凝土被压溃，失去承载能力而破坏，但是从试验数据和试件破坏时现象可以分析出LW1为弯剪破坏，而LW2为弯曲破坏．

3结论

通过本次试验可以总结出以下几点：

1）轻质混凝土剪力墙受力性能与普通混凝土基本相似，但破坏带有一定程度的突然性．

2）通过配置斜向钢筋可以很好的改善剪力墙的抗震性能，使剪力墙的极限承载力、变形性能、延

性、耗能能力等都有不同程度的提高．在钢筋用量基本与纵横筋试件持平的情况下，极限承载力提高了8.5％，最大弹塑性位移提高了27％，延性系数提高了30％，耗能能力提高了19.5％，由此表明，配置斜向钢筋从提高抗震性能和经济效益两方面来看都是可行的．

参考文献：

[1]苗晓瑜．钢筋混凝土中高剪力墙结构抗震性能试验研究与有限元分析[D]．西安：西安建筑科技大学，2004．[2]董宏英．带暗支撑双肢剪力墙抗震性能试验及设计理论研究[D]．北京：北京工业大学，2002．

[3]庄一舟．低周反复荷载下钢筋煤矸石混凝土剪力墙的力学性能[J]．浙江大学学报，2000，34（3）：325-330．

[4]ParkWan-Shin，YunHyun-Do．Seismicbehaviouranddesignofsteelcouplingbeamsinahybridcouplingshearwallsystems[Z].NuclearEngineering

andDesign.2006．