框支短肢剪力墙转换结构变角斜柱抗震试验研究

钟树生 赵大梅 杨超策

（1、重庆大学 土木工程学院，重庆 400045 2、机械工业第三设计研究院，重庆 400039）

1 引言

本文通过对不同斜柱角度的两榀斜柱式框支短肢剪力墙转换结构试件的拟静力试验，对比分析不同斜柱角度的斜柱式框支短肢剪力墙结构的试验结果，得出斜柱角度的变化对结构整体受力性能及抗震性能的影响。

2 试验概况

2.1 试件设计

试验模型结合实际工程原型结构进行简化、调整，并按1/3 缩尺确定试件尺寸，试件编号分别为W9-1、W9-7。试验以ANSYS 程序进行的弹性有限元分析为基础，为了简化分析过程，在构件分析时不考虑混凝土开裂、钢筋屈服等非线性因素，采用弹性单元进行分析。

2.2 加载装置及加载制度

试验采用低周反复加载方式对试件进行抗震性能研究。试验加载制度按照文献[7]进行加载，其加载程序为：首先按均匀的若干步对试件施加竖向荷载，竖向荷载达到设计值后，保持其在整个试验过程中恒定不变，然后在上下两个水平加载点按2：1（根据原型结构计算得出转换层以上各层水平地震力之和与转换层水平地震力的比值为2.76：1，结合实验条件和加载控制，取上下两层加载力的比例为2：1）的关系同步施加水平荷载。

3 试验现象及结果分析

3.1 试件破坏现象简述

试件W9-1：竖向加载至490kN 时无裂缝产生。水平正向荷载加至约40kN 时，在墙间转换梁右端底部出现第一条垂直裂缝。95kN 时，墙间转换梁左端顶部及右端底部纵筋受拉屈服，裂缝分别向左斜柱顶部及右墙左下角集中，形成了两个中间裂缝垂直、两边裂缝朝中间合拢的"漏斗状"裂缝群。反向至70kN 时，墙间转换梁左端底部及右端顶部纵筋受拉屈服，最终也形成类似"漏斗状"的裂缝群。在反复荷载的作用下，两个方向的裂缝基本对称出现，斜裂缝相互交叉成菱形，而转换梁与斜柱相交的两端处弯曲裂缝发展尤其厉害，到8Δy 时，试件最终破坏。在整个试验过程中，框支柱、斜柱、短肢墙的裂缝都较少。试件最终破坏形态见图1(a)。试件W9-7:竖向加载至490kN 时无裂缝产生。水平正向荷载加至约30kN 时，在墙间转换梁右端底部出现第一条垂直裂缝，随着正向荷载的增加，该裂缝继续向上竖直发展，当正向加载至78kN、反向加载至72 kN 时，墙间转换梁左、右端顶部及底部纵筋受拉屈服，转换梁上裂缝形成了两个中间裂缝垂直、两边裂缝朝中间合拢的"漏斗状"裂缝群。在反复荷载的作用下，两个方向的裂缝基本对称出现，并逐渐向转换梁跨中延伸，并且腹部也伴有细微的腹剪斜裂缝出现，与梁边约成45o 角。6Δy～11Δy 循环过程中，墙间转换梁左端底部及右端顶部裂缝经历了加宽，裂缝截面混凝土剥落、大块掉落等过程，同时转换梁的变形陆续增大，转换梁纵筋翘曲明显、箍筋外露，传力梁与左右墙相交处局部压溃也较为严重，混凝土有大块剥落，到12Δy 时，试件达到最后破坏，试件最后破坏形态图见图1（b）。

图1 （a）试件W9-1 最后破坏图

图1 （b）试件W9-7 最后破坏图

3.2 试件屈服机制及破坏特征

试件塑性铰出现的先后次序见图4。从中可以看出两个构件首先都是短肢墙和斜柱交汇处转换梁屈服，接着是转换梁端屈服，最后柱底屈服出现塑性铰。只是试件W9-1 的变形和损伤都集中在铰1、2 处，框支柱、斜柱、短肢墙在后期裂缝发展很少，最终以铰1、2 处混凝土压酥且大面积剥落并造成整体结构承载力大幅度下降而破坏，试件很多部位仍处于弹性受力状态，而试件W9-7 整个试验从过程中，各部分非弹性变形均匀，转换梁、框支柱、短肢墙最终裂缝发育得均很充分，整体分布较均匀，短肢墙与转换梁相交洞口两边撕裂较为严重，因此试件W9-7 破坏现象比试件W9-1 的更为集中，并且试件W9-7 在转换梁的净跨区段有两条贯通的交叉斜裂缝，其转换梁的剪切作用与试件W9-1相比亦有所不同。

3.3 P-Δ滞回曲线分析

图2 W9-1、W9-7 转换梁P-Δ 滞回曲线

两个试件转换梁端的P（荷载）-Δ（位移）曲线及骨架曲线如图2、3 所示。W9-7 滞回曲线W9-1 相比，正向部分比较丰满，反向部分较紧凑，正反向极限位移发展得比较对称，曲线中间均无明显捏缩。从图3 中可看出，两试件骨架曲线基本按原点对称，W9-1 的极限位移比W9-7大，达到最高点荷载后，W9-1 下降段比W9-7陡。

图3 W9-1、W9-7 转换梁端P-Δ骨架曲线

3.4 刚度退化分析

将刚度随位移角增大而衰减的实测数据处理后，可以得到试件 关系曲线（为转换层侧移刚度，为转换层层间位移角）。从中可以看出：随着层间位移角的增大，两试件侧移刚度逐步衰减，开始时侧移刚度衰减速度快，之后衰减速度变缓。在加载初期W9-7 的侧移刚度下降速度较快，最后两试件的衰退曲线几乎重合。

3.5 弹塑性变形及延性分析

试件各荷载点对应的位移、延性系数如表1 所示。极限荷载点对应的延性系数为 。从表中可看出，两试件承载力极限位移延性系数如表1均不小于3.40，延性均较好。通过对两试件的试验数据进行分析发现试件W9-7 的延性好于试件W9-1。

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说明：Py、△y 由骨架曲线按等效面积法确定。

4 结论

4.1 采用斜柱转换的框支短肢剪力墙结构具有良好的屈服机制、破坏机制、延性性能和耗能能力。

4.2 在竖向和水平荷载共同作用下，试件W9-7 随斜柱角度的变化，斜柱、框支柱和相连的转换梁局部强度提高。因此在斜柱式转换结构设计中，建议根据上部剪力墙来设计斜柱的强度和倾角大小，以便转换梁与剪力墙的协同工作。

4.3 斜柱式转换结构中，斜柱不宜设计过强，以使转换梁能先行出铰，并开展均匀，斜柱、框支柱也能先后进入塑性耗能，从而引导结构形成一个良好的耗能机构。

4.4 设计时适当加强墙间转换梁的延性设计，避免墙间转换梁因塑性转动能力过早耗尽而使整个结构的后期强度、刚度显著下降，从而导致整个结构延性的下降。

[1]唐兴荣,何若全.高层建筑中转换层结构的现状和发展 [J].苏州城建环保学院学报,2001,14(3):1-8.

[2]李豪邦.高层建筑中结构转换层的新形式－斜柱转换[J].建筑结构学报，1997,18(2):41-45.

[3]曹秀萍,马耀庭.斜柱在深圳2000 大厦高位转换中的应用[J].建筑结构.2002.8.P15-16