不同轴压比下剪力墙抗震性能试验研究

章红梅 曾 松

（同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092）

不同轴压比下剪力墙抗震性能试验研究

章红梅 曾 松*

（同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092）

轴压比是影响剪力墙抗震性能的重要因素之一，研究轴压比对剪力墙抗震性能的影响是剪力墙抗震设计的重要内容。通过低周反复试验研究了实际轴压比分别为0.14、0.28、0.43和0.57的4片矩形截面剪力墙的抗震性能，包括水平承载力、顶点力-位移关系、刚度变化规律、黏滞阻尼系数变化规律等。收集了19个相关试验数据，研究了轴压比与承载能力以及水平位移角的关系。

剪力墙，轴压比，抗震性能

1 引 言

剪力墙是高层结构抗震的主要抗侧移构件之一，剪力墙抗震性能直接影响到结构地震时的安全。为了有效地控制地震作用下整体结构的损伤破坏，需要对剪力墙抗震性能深入了解。

以往众多学者的研究成果及和我国JGJ 3—2010［1］（以下简称《规程》）《高层建筑混凝土结构技术规程》中关于剪力墙结构设计的相关规定，表明影响剪力墙抗震性能的因素很多，包括剪跨比、轴压比、边缘构件配箍率、构件截面形式等。其中，轴压比对剪力墙抗震性能影响显著而受到研究学者们的重视。一方面，随着轴压比的增大，墙体自身混凝土的开裂受到抑制，剪力墙结构的承载能力在一定程度上可能有所增强；另一方面，当轴压比增大到一定程度时，会导致墙体的延性有所降低，强度及刚度在屈服后退化明显。因此，合理地确定轴压比对控制剪力墙抗震性能非常重要，各国的规范对轴压比也都有相应的规定。FEMA273［2］规定：剪力墙轴压比大于0.35时，将不能有效抵抗地震力。《规程》7.2.2条指出：“抗震设计时，各层短肢剪力墙在重力荷载代表值作用下产生的轴力设计值的轴压比，抗震等级为一、二、三时分别不宜大于0.45，0.50和0.55；对于无翼缘或端柱的一字型短肢剪力墙，其轴压比限值相应降低0.1。”

国内外对不同轴压比下剪力墙抗震性能的研究已有不少，得出了许多具有参考价值的研究成果。

李宏男和李兵［3］进行过3组不同高宽比的剪力墙在轴压比分别为0.1、0.2、0.3时的试验研究，该试验得出的结论是：随着轴压比在一定范围内的提高，相同剪跨比的剪力墙的水平抗侧承载能力有一定程度的提高，但墙体的延性有所下降，强度退化和刚度退化趋于严重。

蒋欢军完成了轴压比为0.1、0.2，高宽比均为0.46的两片剪力墙试验［4］，研究结果表明：随轴压比增加承载力降低、延性增强、剪切效应增强、裂缝残余率减小等。

张云峰［5］认为：轴压比对压弯构件延性的影响实质是轴压力产生的压应变对截面延性的影响。首先，较高的轴压比使得剪力墙的受压区高度较高，受压侧的应变达到极限压应变εcu时，受拉侧钢筋的屈服后变形得不到发展，甚至达不到屈服；第二，高轴压比更严重地抑制了塑性区长度的增加，使塑性区更集中于墙体底部［5］。

陈勤等［6］的计算分析表明，轴压比对有、无约束边缘构件的剪力墙受力性能的影响是相同的：轴压比小的墙，极限点由力控制，轴压比高的墙，极限点由墙端混凝土极限压应变控制；承载力随轴压比的增大而增大，但轴压比大到一定程度后，承载力提高不明显；随轴压比增大，屈服位移增大，位移延性比和极限位移角减小，轴压比超过一定值时，若墙端混凝土约束不够，墙的延性不满足抗震要求。

Lefas等［7］指出：轴压比对延性影响很大，轴压比提高，延性下降，当轴压较大时（如轴压比达到或超过0.25），延性下降幅度较大。

对上述研究进行综合可以得到以下3个主要结论：

（1）剪力墙轴压比应该有上限。当轴压比超过该上限值时，墙体强度及刚度退化严重，墙体的延性满足不了抗震要求。

（2）轴压比在一定范围内增加时，承载力增加。轴压力一定范围的增大能有效地抑制混凝土的开裂及裂纹的扩展，从而提高了剪力墙体的承载力。

（3）轴压比一定范围内增大，延性降低。较高的轴压力抑制混凝土开裂的同时也增大了混凝土受压区高度、抑制塑性区的增长，使受拉侧钢筋的屈服后变形得不到发展甚至达不到屈服，墙体的延性降低。

本文以轴压比为主要参数，设计并完成了变轴压比钢筋混凝土剪力墙构件的低周反复加载试验，详细记录了构件各损伤阶段的变形和裂缝宽度，研究了构件的地震损伤破坏过程和破坏程度，对比研究了轴压比变化对构件承载力、延性的影响规律。

2 试验设计

本文进行的剪力墙变参数试验将轴压比对剪力墙抗震性能的影响作为重点研究内容，该组试验共包含4片试件。试件参数中，除了轴压比变化，其他参数均相同，轴压比分别为0.14、0.28、0.43、0.57。轴压比的计算按以下公式进行计算：

式中，N为试验时试件所受实际轴向压力；fck表示标准混凝土抗压强度（通过试验测得）；A表示试件的横截面积。

2.1 材料参数

本次试验选用C30混凝土、HPB300、HPB335级钢筋。通过对100mm×100mm×300mm混凝土棱柱体进行试验测量，测得混凝土标准抗压强度为27.2 MPa（换算后）。钢筋材料性能参数如表1所示。

表1 钢筋材料性能参数表Table 1 Thematerial parameters of rebars

2.2 加载装置

采用单悬臂形式进行加载试验，竖向用千斤顶施加轴向力。为减小顶梁与千斤顶之间的摩擦力对试验结果的影响，在千斤顶的顶端设置滚轴，用申克加载机施加水平往复荷载。试验加载装置及位移计布置如图2所示。

2.3 试件介绍

表2列出了本次试验所有试件情况汇总，包括各试件尺寸、材料选用、配筋情况及设计轴压比等。试验内容包括变轴压比情况，每种情况包含1片试件，加载、试验条件除所变化的研究参数外均相同。图1显示了试件尺寸。

表2 试件尺寸及配筋汇总表Table 2 Dimension and layout of specimens

图1 试件尺寸图（单位：mm）Fig.1 Dimension of specimen（Unit：mm）

图2 试验加载装置及测点布置图Fig.2 Test loading device and testing point arrangement

2.4 加载制度

试验采用拟静力方式进行加载。试验时，先在墙体顶部施加压力，按照《建筑抗震试验方法规程》（JGJ 101—96）［8］的要求，先在墙体顶部施加大小为满载的40%竖向压力，重复加载2～3次，以消除试件内部组织不均匀性，然后轴向压力加至满载并在试验中保持不变。

水平加载分两个阶段：第一阶段采用力控制，先单调逐级加载至开裂，循环一次，以后各级荷载循环一次，直至屈服；第二阶段采用位移控制，分别按屈服时顶点位移的倍数逐级加载，每级循环三次，直至试件的承载力大概下降到极限承载力的85%左右为止，试验加载示意图如图3所示。

图3 加载示意图Fig.3 Method of loading

3 结果与讨论

3.1 破坏模式

本文试验中仅轴压比变化时，各个试件的破坏模式见图4。试件SW1-1（轴压比0.14）、SW1-2（轴压比0.28）破坏时以水平弯曲裂缝为主，破坏形式类似：水平裂缝并随着荷载的增加裂缝宽度增大，继续加载，纵筋屈服发生在混凝土压碎之前，混凝土压碎后墙肢根部两侧混凝土保护层剥落使钢筋外露。在加载过程中观察到钢筋明显弯曲，最后因边缘构件纵向钢筋拉断而破坏，试件发生弯曲破坏，具有较好的延性。

试件SW1-3（轴压比0.43）、SW1-4（轴压比0.57）破坏时以斜向剪切裂缝为主，裂缝主要集中于构件根部。在水平荷载达到一定值，根部受拉区出现了细微的水平弯曲裂缝。随着水平荷载的继续增大，试件根部开始出现斜向剪切裂缝，并随着荷载的增大不断向墙体腹部延伸。当水平荷载达到极限值时，两端产生的斜向弯剪裂缝相互交叉，形成典型的“X”形裂缝。当受压区混凝土压碎，箍筋发生较大变形，强度退化，失去承载能力，最终导致构件破坏。破坏形态属于弯剪破坏。

对比四组试件可以发现，轴压比较小时，试件破坏时的裂缝比较分散，裂缝分布区域比较大，表现出较好的延性；随着轴压比的逐渐增大，试件破坏时的裂缝集中于墙体底部，裂缝分布区域逐渐减小；当轴压比增大到一定值时，试件破坏时的裂缝大量集中于墙体底部，破坏呈现一定的脆性。

图4 试件破坏后裂纹分布Fig.4 Cracks distribution after failure

3.2 水平承载力

轴压比变化时各试件的骨架曲线见图5。当轴压比分别为0.14、0.28、0.43、0.57时，试件的顶点水平力峰值分别为188.84 kN、239.49 kN、221.83 kN、202.18 kN。可以看出，随着轴压比的增大，剪力墙试件的水平抗震承载力表现出先增大后减小的规律，水平承载力最大时对应的设计轴压比为0.28。屈服承载力和最大承载力随轴压比的变化数值见表3。

图5 试件顶点力-位移滞回曲线Fig.5 Hysteresis loops of specimens

图6 试件骨架曲线Fig.6 Load-displacement curves of specimens

表3 变轴压比试验结果Table 3 Testing results of specimens under varied axial load ratios

3.3 位移延性系数

在求得结构侧移、转角后，即可计算出结构的整体延性和局部延性，并根据其延性的大小对结构的抗震性能做出评价。

图7 试件黏滞阻尼系数变化组图Fig.7 Viscous damping coefficient-displacement curves

图8 试件抗震性态随轴压比变化图Fig.8 The curves of seismic behavior under different axial load ratios

试验过程中发现，部分试件的下降段未能达到最大承载力的85%就破坏了，极限点即取为破坏点。总的来说，试件位移延性系数随轴压比的增大先增大后减小。

3.4 刚度变化

构件在反复荷载作用下的刚度可用平均割线刚度来表示，其值取为每一加载循环，正、负向最大荷载绝对值之和与其相应位移绝对值之和之比。

为了便于比较，图10给出了各试件刚度随水平位移变化的关系图。由图可以发现，试件的刚度退化可分为两个阶段：第一阶段从初始加载到试件屈服，为刚度快速退化阶段，试件刚度随侧向荷载的增加呈现指数衰减；第二阶段从试件屈服到最终破坏，为刚度退化平缓期，试件刚度退化相对平缓，试件残余刚度为初始刚度的10%左右。来依次是SW1-2、SW1-3、SW1-1。可以推断出：随着轴压比的增大，试件刚度退化趋于严重。同时，随轴压比的增加，各试件的相对刚度是先增大，后减小，转折处在设计轴压比为0.28处。

图9 试件骨架曲线组图Fig.9 Skeleton curves of specimens

图10 试件抗侧刚度组图Fig.10 Lateral stiffness curves of specimens

4.5 耗能能力

构件的耗能能力可以从加载过程中的黏滞阻尼系数来反映，黏滞阻尼系数越大，耗能能力越强。本文统计了四个试件在整个试验过程中的等效黏滞阻尼系数，分别为0.106 4，0.115 63，0.122 13，0.142 97。图8给出了试件平均粘滞阻尼系数随轴压比变化的关系图。统计结果表明剪力墙试件的等效黏滞阻尼系数随轴压比的增大而增大，试件SW1-4的耗能性能最强。

对试件耗能能力与轴压比之间关系的理论分析可知：当试件受到较大的轴向压力作用时，混凝土自身的开裂受到了限制，致使混凝土开裂截面上摩擦增大，耗能能力增强。理论分析与试验结构较吻合，因此，可以推断：本文所进行的试验中（轴压比0.14～0.57），随轴压比的增大，剪力墙试件的耗能能力增强。

3.6 屈服位移

从试验结果来看，轴压比对剪力墙承载力和屈服位移的影响规律比较类似，就轴压比为0.14，0.28，0.43，0.57四种情况来说，轴压比为0.28时，剪力墙水平承载力和屈服位移达到最大值。轴压比小于该值时承载力和屈服位移随轴压比增加而增加，轴压比大于该值时承载力和屈服位移随轴压比增加而减小。这说明剪力墙构件轴压比存在最佳值，当轴压比为最佳值时，剪力墙构件的承载力能够达到最大，同时延性系数也会比较良好。

4 国内外相关试验对比研究

比较四组试件刚度的退化情况，可以发现，在刚度退化的第一阶段，SW1-4刚度退化最快，接下

目前国内外许多科研机构对轴压比对普通矩形钢筋混凝土剪力墙抗震性能的影响已进行了大量的试验研究。表4是本文所进行的剪力墙试验数据和所收集到的有关试验结果，数据来自于文献［3，9，10］。

根据收集的数据进行统计分析，绘制极限强度-轴压比关系图、延性系数-轴压比关系图，极限位移角-轴压比关系图见图11—图13。

表4 相关研究中剪力墙抗剪性能与轴压比关系统计表Table 4 The relationship between seism ic behavior of shear wall and axial load ratio in related research

图11 屈服强度-轴压比关系图Fig.11 Yield strength-axial stress ratio curves

图12 极限强度-轴压比关系图Fig.12 Ultimate strength-axial stress ratio curves

图13 极限位移角—轴压比关系图Fig.13 Ultimate rotation load ratio curves

4.1 讨 论

屈服强度、极限强度、极限位移角是反映了剪力墙构件抗震性能的三个重要指标，本文通过对收集试验数据的调查统计，研究分析了三者与轴压比间的变化规律。

4.1.1屈服强度、极限强度

通过对收集的试验数据进行统计分析，绘制屈服强度-轴压比关系图、极限强度-轴压比关系图。可以发现屈服强度、极限强度与轴压比的关系类似，都表现为：一、二组试验数据反映了构件的强度随轴压比增大表现出先增大后减小的现象（第一组试验，轴压比为0.14～0.28时，强度随轴压比增大而增大，轴压比为0.28～0.57时，强度随轴压比增大反而减小；第二组试验，轴压比为0.1～0.2时，强度随轴压比增大而增大，轴压比为0.2～0.3时，强度随轴压比增大反而减小）。而对于后三组试验数据，关系图仅反映了随轴压比增大，构件的强度逐渐增大。

本文所进行的试验研究得出：试件的强度随轴压比增大，表现出先增大后减小的规律。跟本文所得出的结论相比，在收集的试验数据中，仅前两组能较好的反映这一规律；后四组试验仅反映这一规律的上升段。分析其原因：主要是后四组试验可能尚处于上述规律的上升阶段，即没有达到轴压比与极限强度关系间的最佳峰值。

4.1.2极限位移角

根据收集的试验数据，绘制极限位移角-轴压比关系图，可以发现：在统计的五组试验数据中，极限位移角与轴压比之间表现出来的规律性不明显。第一、五组试验结果表明极限位移角随着轴压比的增大，表现出先增大后减小的趋势；第二、三、四组试验结果则表明极限位移角随轴压比增大而减小。

通过以上剪力墙构件的极限位移角与轴压比之间变化规律的调查可以得出：剪力墙试件的轴压比应该存在一个某个最佳值，即当轴压比处于该最佳值时，剪力墙构件的极限位移角能够达到最大值；而当轴压比值超过该最佳值后，极限位移角随轴压比增大而减小，构件延性降低。以上试验数据中可以看出，第一、五组试验的轴压比最佳值分别为0.43、0.30；其他组的轴压比应该在0.1之前出现，要想得到具体的数值，还需更多的试验数据。

通过试验及对收集的试验数据的调查，可以发现适当地增加钢筋混凝土剪力墙的轴压比能有效地改善结构的抗震性能，但超过一定临界值后，其抗水平侧移承载力、延性性能均会显著下降，且呈脆性破坏。要想有效地改善剪力墙的抗震性能，较好的措施是合理地控制剪力墙的轴压比。

5 结 论

本文通过4片矩形截面剪力墙在不同轴压比情况下的低周反复试验及收集的19个相关实验数据，研究了轴压比对矩形剪力墙包括水平承载力、顶点力—位移关系、刚度变化规律、粘滞阻尼系数等抗震性能的影响规律。

（1）本文试验试件破坏结果表明，随轴压比的增大，构件破坏时裂缝逐渐集中于构件的底部，构件的破坏形态逐渐由弯曲破坏转变为剪切破坏。

（2）在本文所进行的轴压比试验条件下，随着轴压比增大，其等效黏滞阻尼系数逐渐增大，构件耗能能力表现出增强的趋势。

（3）本文所进行的试验表明：在试件屈服之前，试件的刚度退化明显，呈现指数衰减；试件屈服至最终破坏阶段，刚度退化趋于平缓，试件残余刚度为初始刚度的10%左右。随轴压比的增大，试件的刚度退化情况趋于严重。

（4）本文试验结果及收集的实验数据表明，随轴压比的递增，剪力墙试件的屈服强度、极限强度及延性均表现出先增大后减小的规律。

根据本文研究得出的相应规律，建议实际工程中，应合理地选择剪力墙结构的实际轴压比，取值在0.2～0.3内比较好。

［1］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People＇s Republic of China.JGJ3—2010 Technical specification for concrete structures of tall building［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2011.（in Chinese）

［2］ FEMA273，NEHRP.Guidelines for the seismic rehabilitation of buildings［J］.Washington D.C.1997.

［3］ 李宏男，李兵.钢筋混凝土剪力墙抗震恢复力模型试验研究［J］.建筑结构学报，2004，25（5）：5-7.Li Hongnan，Li Bing.Experimental study on seismic restoring performance of reinforced concrete shear wall［J］.Journal of Building Structures，2004，25（5）：5-7.（in Chinese）

［4］ 蒋欢军.沿竖向耗能剪力墙抗震理论与应用研究［D］.上海：同济大学，1999.Jiang Huanjun.Seismic theory and application study of the vertical shearwall［D］.Shanghai：TongjiUniversity，1999.（in Chinese）

［5］ 张云峰.钢筋混凝土剪力墙高轴压比下抗震性能试验研究［D］.北京：清华大学，1996.Zhang Yunfeng，Experimental study on seismic behavior of reinforced concrete shearwallwith high axial ratio［D］.Beijing：Tsinghua University，1996.（in Chinese）

［6］ 陈勤，钱稼茹，李耕勤.剪力墙受力性能的宏模型静力弹塑性分析［J］.土木工程学报，2004，37（39）：35-43.Chen Qin，Qian Jiaru，LiGengqin.Static elastic-plastic analysis of shearwallwithmacro-model［J］.China Civil Engineering Journal，2004，37（39）：35-43.（in Chinese）

［7］ Lefas L D，Kotsovos M K，Ambraseys N N.Behavior of reinforced concrete structural walls：strength，deformation characteristics，and failuremechanism［J］.ACIStructural Journal，1990，87（1）：12-31.

［8］ 中华人民共和国建设部.JGI 101—96建筑抗震试验方法规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，1997.Ministry of Construcfion of the People’s Republic of China.JGJ 101—96 Specificating of testingmethods of for earthquakes resistantbuilding［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，1997.（in Chinese）

［9］ 肖飞.不同轴压比下再生混凝土髙剪力墙试验研究［D］.合肥：合肥工业大学，2012.Xiao Fei.Experimental study of recycled concrete high shearwalls under differentaxial-load ratios［D］.Hefei：Hefei University of Technology，2012.（in Chinese）

［10］ 李少云.高轴压比剪力墙的延性问题［C］.第十一届全国高层建筑结构学术交流会，1990.Li Shaoyun，Ductility of shearwallwith high axial ratio［C］.The Eleventh National Symposium of Tall Building Structure.1990.（in Chinese）

Experimental Study on the Seism ic Performance of Shear W alls under Varied Axial Com pression Ratios

ZHANG Hongmei ZENG Song*
（State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China）

The axial compression ratio is one of themost important factors to affect the seismic performance of shear walls，studying on the seismic performance of shearwalls under varied axial compression ratios is the key to seismic design of shearwalls.4 pieces shearwallswith rectangular cross-section under actual axial compression ratios about 0.14，0.28，0.43 and 0.57 have been tested，the lateral bearing capacity，force displacement relationship，stiffness degradation，change of viscous damping coefficient of shear walls have been studied.Also 19 related test data have been collected to find out the relationship between axial compression ratios and lateral bearing capacity，angle of lateral displacement.

shear wall，axial compression ratios，seismic performance

2013－11－08

国家自然科学基金资助项目（50621062）*联系作者，Email：1332559tj＠tongji.edu.cn