暗斜撑对型钢－高强混凝土低矮剪力墙抗震性能影响的研究

李立仁，华 川

(1.重庆大学土木工程学院，重庆400045;2.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学)，重庆400030)

我国是使用混凝土结构最多的国家，随着我国高层及超高层建筑的大量涌现，采用高强混凝土已成为一种趋势。高强混凝土因其强度高、变形小、耐久性能好，适应了现代建筑工程向大跨度、高层以及超高层方向的发展。但是，高强混凝土结构受力后表现出破坏突然、延性及抗震性能较差的不足均未得到有效的解决。因此，研究高强混凝土在工程中的成熟应用，受到了工程界和学术界的广泛关注。

在一些实际工程中，由于墙体高度的限制，其钢筋混凝土剪力墙往往形成通常所说的低矮剪力墙。低矮剪力墙以受剪为主，其破坏形式为脆性剪切破坏，延性和耗能能力较差，在地震作用下其破坏具有突然性，因此，采取提高抗震性能的措施是十分必要的。

型钢－混凝土剪力墙是将型钢和混凝土两种材料组合起来共同承受荷载的受力墙体，迄今为止，国内外对型钢－高强混凝土剪力墙的的抗震性能研究比较少，在工程上的应用还不是十分成熟。因此，本文拟通过低周反复水平加载试验，探索不同斜撑类型对型钢－高强混凝土低矮剪力墙抗震性能的影响。

1 试验概况

研究表明:普通混凝土剪力墙，通过合理的设置支撑(如型钢支撑、钢筋暗柱斜撑)，可形成抗震性能较好的普通混凝土剪力墙。因此，本文考虑在高强混凝土低矮剪力墙暗柱中增设型钢，腹板内增设斜撑来改善高强混凝土低矮剪力墙的抗震性能。

1.1 试件制作

本次试验3片型钢－高强混凝土低矮剪力墙试件依次为:SRHCW－Ⅰ(未设斜撑)、SRHCW－Ⅱ(内设钢筋斜支撑)、SRHCW－Ⅲ(内设型钢斜支撑)。型钢－高强混凝土剪力墙的高宽比为1.0，试件的剪力墙腹板及加载梁的混凝土强度等级为C80，下加载梁可作为加载试件的固端，其混凝土强度等级为C30。各试件均采用1/3缩尺模型，具体尺寸及配筋如图1、表1所示。构件的设计轴压比为0.15，试验轴压比0.075，所施加的竖向荷载值均为750 kN。

图1 剪力墙试样

表1 试件各参数明细表

续表

1.2 材料力学性能

本次实验主要用的钢材有热轧钢筋及热轧型钢两大类，力学性能见表2，高强混凝土实测抗压强度见表3。

表2 钢材材料性能指标

表3 混凝土立方体抗压强度

2 试验的加载及量测

2.1 试验加载装置

本次试验在重庆大学大型结构实验室进行，试验加载装置如图2。

2.2 试验加载制度

本实验加载过程分为两个阶段，第一个阶段，采用荷载控制加载，竖向千斤顶先缓慢加载，这个过程要进行几何及物理对中，对中以后加载到最大值，然后稳定轴力至最大值，再施加水平荷载，找到剪力墙墙体开裂的第一条裂缝后进入第二个阶段——位移控制加载阶段，在位移控制加载阶段，每级控制位移下循环两次，且使用每一级位移递增的变幅加载方式。当实验的某一级实测荷载－位移滞回曲线的荷载值降到最大荷载的85%时就认为试件破坏，也可以认为试件所加轴力不能稳定于设计值以及不能继续承担水平力时即宣告试验终止。

图2 加载装置

2.3 仪表位置

为了绘制滞回曲线，在加载梁端循环荷载施加位置处的下方，安放大位移计。为了测量节点的剪切变形，在混凝土墙面四个角部预埋四根短钢筋，在短钢筋上设置使用变形很小的钢丝相连的百分表，通过百分表测量四个点的相对位移值以表示墙体的剪切变形情况。

3 受力过程分析及结果对比

3.1 试验记录荷载值

三个试件由于所含斜撑类型不同其对应的荷载值也均不同，表4为实验过程中三个试件交替受力时的开裂荷载和极限荷载值。

表4 试件荷载测量值

表中:Fcr为试件开裂的水平荷载值(开裂荷载均指首次加载至开裂的荷载);Fu为试件承受的最大水平荷载值。

对比发现三个试件的开裂荷载值相差不是很大，极限荷载值SRHCW－Ⅱ最大，SRHCW－Ⅲ最小，表明斜撑的不同对高强混凝土低矮剪力墙承载力的贡献不同。

3.2 试验结果对比与分析

3.2.1 试件裂缝发展与破坏过程

本次试验的试件为高强混凝土低矮剪力墙，理论上均会发生剪切破坏，就如SRHCW－Ⅰ和SRHCW－Ⅱ的破坏，这两个试件在实验过程中的弹塑形变形能力差、耗能能力较弱，破坏过程较突然和短暂，但是，SRHCW－Ⅲ通过合理的设计构造，实现了变形能力很强的延性破坏。

三个试件最终破坏状态见图3，试件裂缝发展与破坏过程为:

(1)SRHCW－Ⅰ和SRHCW－Ⅱ破坏特征基本相似。试件开裂后进入位移控制加载阶段，裂缝迅速开展，很快贯通，接着裂缝变宽，在加载过程中混凝土发出清脆嘶嘶的声音，最后在斜向主裂缝处形成斜向短柱受压破坏。但SRHCW－Ⅱ在实验过程中开始形成水平裂缝较多，裂缝在墙面的分布较广，裂缝间距较均匀且墙体最后破坏时下部破坏程度较SRHCW－Ⅰ严重。

(2)SRHCW－Ⅲ:在一开始出现较多的水平裂缝，接着斜向延伸，未出现明显的主裂缝，裂缝间距分布比较均匀且裂缝几乎遍布墙面，最后在墙体与基础梁之间形成水平裂缝，在反复加载过程中，墙体底部受压区混凝土压碎，型钢外露。最后破坏状态为暗柱型钢、暗柱主筋压屈、混凝土压碎，变形很大宣告实验结束。

图3 构件最终破坏

3.2.2 滞回曲线

通过滞回关系曲线可以看出:

(1)SRHCW－Ⅰ的滞回环存在严重的“捏拢”效应，当主裂缝宽度明显形成以后滞回曲线明显偏移，刚度退化突然，滞回曲线向位移轴靠拢。

(2)SRHCW－Ⅰ和Ⅱ最大弹塑性位移几乎差不多，但SRHCW－Ⅱ在试件正向受力过程中滞回环的面积明显大于SRHCW－Ⅰ，钢筋暗支撑的高强混凝土低矮剪力墙也在一定程度上增强了构件的延性。

(3)带型钢斜支撑SRHCW－Ⅲ的滞回环非常饱满，刚度退化均匀，弹塑形位移最大，呈现一种梭型形状，具有良好的抗震性能能力，且滞回曲线位移循环次数最多，但水平承载力并不是最大。

3.2.3 骨架曲线

通过对比分析三个试件的骨架曲线有:

高强混凝土低矮剪力墙在试件开裂至最大水平荷载阶段，暗斜撑可以提高试件的承载力，且型钢斜撑提高幅度最大(SRHCW－Ⅲ骨架曲线斜率最大，刚度的退化较均匀，承载力也较大);高强混凝土低矮剪力墙在最大水平荷载阶段以后，暗斜撑可以明显提高最大塑性变形能力(型钢斜撑最大，钢筋暗斜撑其次，SRHCW－Ⅰ最小)(图4)。

3.2.4 延性

三个试件的延性系数如表5所示，由表5可以发现:

(1)三个试件的开裂荷载值和开裂位移值很相近，带斜撑的高强混凝土低矮剪力墙略高，在弹性阶段斜撑对剪力墙的影响不明显。

图4 试件骨架曲线对比

(2)SRHCW－Ⅲ的极限位移最大，SRHCW－Ⅱ的极限位移其次，SRHCW－Ⅰ最小，斜撑可以明显提高高强混凝土低矮剪力墙的变形性能。

(3)SRHCW－Ⅲ的延性系数最大(接近SRHCW－Ⅰ的1.6倍，接近 SRHCW－Ⅱ的1.55倍)，SRHCW－Ⅱ其次(接近SRHCW－Ⅰ的1.1倍)，SRHCW－Ⅰ最小，反映了型钢斜撑可以明显改善高强混凝土低矮剪力墙的抗震性能。

表5 试件延性系数

3.2.5 耗能性能

表5 SRHCW－Ⅰ～SRHCW－Ⅲ等效阻尼比

表5中数据表明:(1)带暗斜撑的高强混凝土低矮剪力墙在对应位移下的等效粘滞阻尼比均高于不含斜撑的SRHCW－Ⅰ;(2)带型钢斜撑的SRHCW－Ⅲ的等效粘滞阻尼比最大，SRHCW－Ⅱ其次，SRHCW－Ⅰ最小;(3)表明型钢斜撑SRHCW－Ⅲ具有较好的抗震性能。

3.2.6 强度衰减

从此次试验的强度衰减图可以发现:(1)SRHCW－Ⅲ的衰减系数波动最为平缓，其抗震性能明显优于SRHCW－Ⅰ和Ⅱ;(2)在整个对应位移级下SRHCW－Ⅱ衰减系数线均在SRHCW－Ⅰ上方，波动幅度较SRHCW－Ⅰ小;(3)设置暗斜撑的高强混凝土低矮剪力墙可以提高反复水平荷载下的衰减系数，可以提高高强混凝土低矮剪力墙的抗震性能。

4 结论

本文通过三个不同斜撑类型的型钢－高强混凝土低矮剪力墙试件的低周反复加载试验，得出如下结论:剪跨比λ=1的剪力墙发生剪切破坏，但通过合理的构造也可以让高强混凝土低矮剪力墙发生较好的延性破坏:暗斜撑对高强混凝土低矮剪力墙的承载力贡献值不是很大;带暗斜撑的高强混凝土低矮剪力墙的弹塑性位移、延性、耗能能力都比未设置暗斜撑的高强混凝土低矮剪力墙有不同程度的提高，滞回环也较饱满，且型钢斜撑效果最显著;带暗斜撑高强混凝土低矮剪力墙的强度衰减比未设暗斜撑的高强混凝土低矮剪力墙衰减要慢;型钢斜撑形成的核心混凝土约束能力强于暗柱斜撑，暗斜撑的破坏直接影响到低矮剪力墙墙体的破坏;含钢量在相等的情况下，型钢暗斜撑可以大幅增强高强混凝土低矮剪力墙的抗震性能。

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