高速公路隧道混凝土剪力墙板抗剪滞回性能研究

江霍林

摘要：抗剪滞回性能直接关系着混凝土剪力墙板结构的稳定性和安全，为此，文章结合国内外研究进行高速公路隧道混凝土剪力墙板抗剪滯回性能实验分析，选取四种混凝土剪力墙板作为试验试件，研究应变片和位移计检测荷载方案下的试件变化参数，并根据数据绘制滞回曲线，分析混凝土剪力墙板试件抗剪滞回性能。结果表明：混凝土剪力墙板试件变化规律首先是弹性阶段，混凝土剪力墙板不会发生变形、裂缝等变化;然后是弹塑性阶段，发生轻微弯曲，并存在一定的残余变形;最后是破坏阶段，混凝土剪力墙板完全丧失承载力。抗剪滞回性能排序为试件4>试件3>试件2>试件1。抗剪滞回性能越好越能承受住来自山体的荷载、风荷载以及地震荷载，越能保证隧道整体结构稳定性。

关键词：高速公路隧道;混凝土剪力墙板;抗剪滞回性能;弹塑性阶段

0 引言

高速公路的建设一直是国家的重点工程项目，关系着国家经济的发展。高速公路建设开始于20世纪80年代，虽然起步较晚，但是截至2012年，中国高速公路已占全国公路2.27%的里程，完成34.06%的公路营业性货运周转量。在高速公路这一基础设施建设过程中，由于我国多山的地貌特点，大约75%的国土都处在山岭、重丘陵区，若不建造隧道，势必会延长高速公路的建设长度，增加成本预算。在此背景下，高速公路隧道是必然选择。高速公路隧道透过山体建造而成，不仅承受来自山体的压力，也承受风荷载或地震作用引起的水平荷载和竖向荷载压力，因此为保证隧道结构的稳定性和安全性，混凝土剪力墙板是隧道建设工程中必不可少的组成部分之一，能够极大防止结构剪切（受剪）破坏[1]。

在上述背景下，研究剪力墙板抗剪滞回性能对墙板结构方案的设计和优化具有重要指导意义。目前，对剪力墙板的抗剪滞回性能研究有很多，如马晓伟和聂建国研发了分析组合剪力墙压弯性能的弹塑性数值模型，对构件的弯矩曲率曲线以及压弯相关关系曲线进行分析;日本学者Mimura和Akiyama建立了描述钢板剪力墙滞回性能的恢复力模型，该模型的提出有利于对钢板剪力墙滞回性能的分析;孙飞飞、高辉、李国强等学者进行了两边组合钢板墙的试验研究，在试验和有限元分析的基础上研究了组合钢板剪力墙的抗震性能;Driver对钢板剪力墙进行了试验研究，进行了在低周往复荷载作用下的剪力墙滞回性能试验。

前述国内外研究中都取得了阶段性的成功，但缺乏系统的分析归纳。为此，本文在国内外相关研究的基础上，进行多种混凝土剪力墙抗剪滞回性能分析，以期为高速公路隧道混凝土剪力墙板方案设计和施工提供指导和参考建议。

1 高速公路隧道混凝土剪力墙板抗剪滞回性能实验分析 剪力墙，又称抗风墙、抗震墙或结构墙，主要作用是防止结构剪切的破坏，提高整体工程结构的稳定性性和安全性[2]。为更好地了解不同剪力墙板的抗剪滞回性能，方便高速公路隧道施工建设，本章节进行高速公路隧道混凝土剪力墙板抗剪滞回性能实验分析，具体分析内容为剪力墙板的抗弯承载力和变形性能，最终得到循环荷载作用下的滞回曲线。

1.1 试件设计与制作

针对试验研究目的，以四种常用的剪力墙板为原型结构，按照1∶2.5缩尺比例将其缩小比例，最终得到四个试件[3]。四种混凝土剪力墙板试件设计参数如表1所示。

按照表1的设计方案和参数进行试件制作。本文当中试件的制作在江苏省结构工程重点试验室加工完成。

1.2 载荷加载装置和加载方案

本次试验旨在考察混凝土剪力墙板试件在受力条件下的抗剪滞回性能，因此需要一个装置对混凝土剪力墙板试件施加载荷，如图1所示。

将混凝土剪力墙板试件用地脚锚栓固定在装置台面上，且为防止试件被施加荷载时出现滑动，需要在地梁和反力架之间添加防滑垫[5]。对混凝土剪力墙板试件施加荷载有两种方式，即竖向荷载和水平荷载。

竖向荷载：主要通过门架、刚性梁和竖向千斤顶来实现，此荷载在整个实验过程中均保持恒定状态，一般为4 000 kN。值得注意的是在竖向千斤顶施加荷载过程中，需要在加载架之间设置滑板，以便保证混凝土剪力墙板试件的顶部不会受到侧向约束，使得轴力一直保持在试件顶部的正中间。

水平荷载：主要通过反力墙和电液伺服加载作动器来实现。电液伺服加载作动器的加载能力为1 000 kN，且初始加载为30 kN，每次以30 kN递增，直至内部钢筋结构屈服达到极限，之后采用位移控制加载，每级循环2次，直到试件从弹性阶段发展至整体破坏[6]。水平荷载加载方案如下页表2所示。

1.3 量测设备与量测方案

本章量测设备有两种：应变片和位移计。

（1）应变片是一种通过测量电阻的变化而对应进行测定的装置，属于一种传感器。应变片一般布置在结构受力较大或受力变化较大的位置，以便得到混凝土试件应变的数值和破坏情况[7]。

（2）位移计是一种用来测量目标对象在力的作用下的位移量的传感器。位移计布置情况如表3所示。

1.4 试件破坏过程及形态

四种混凝土试件破坏过程及形态如下：

（1）试件1

30～300 kN：混凝土试件未发生变化;

360～330 kN：第一条水平主裂缝，并向墙面发展;

450 kN：出现多条间隔水平裂缝，原裂缝变宽至1.5 mm，并向墙面发展;

480 kN：主裂缝贯穿墙面，多条间隔水平裂缝变宽;

27～36 mm：裂缝继续发展，墙体底部受压端钢材外混凝土压碎剥落、压溃，承载力下降;

42 mm：混凝土脱落严重，试件基本丧失承载力;

48 mm：整个墙板发生了面外失稳，试件丧失承载力，试验终止[8]。

（2）试件2

30～480 kN：混凝土试件未发生变化;

420 kN：第一条水平裂缝，并向墙面发展;

450 kN：新增一條裂缝，原有主裂缝扩展并变宽;

480 kN：裂缝增多，且主裂缝宽增大，达到1.1 mm;

27～48 mm：原有裂缝继续扩展，区域上移，竖向裂缝出现，混凝土试件的墙角位置出现压酥现象;

60 mm：原有裂缝扩展，区域上移，且墙面暗柱底部被部分掀起，混凝土压酥并脱落，墙板的整体失稳;

66 mm：墙角部暗柱全部被掀起，混凝土严重脱落，钢材有向外鼓出呈波浪状现象，构件丧失承载力，试验终止。

（3）试件3

30～480 kN：混凝土试件表面未出现裂缝;

27 mm：出现受力部分第一条裂缝;

450 kN：裂缝延长至墙高的上半部，并沿着该裂缝延伸出许多分支裂缝;

480 kN：裂缝延长至墙高的全部，并变宽，最大缝宽达到1.0 mm，分支裂缝延长;

27～60 mm：出现竖向裂缝，开始有压酥迹象;

66 mm：主裂缝、分支裂缝、竖向裂缝加宽，压酥逐渐严重、墙面逐渐脱落;

72 mm：试件破坏严重，丧失承载力，试验终止。

（4）试件4

27 mm：混凝土试件表面未出现任何变化;

30 mm：右墙墙角沿对角线方向出现第一道斜裂缝;

36～66 mm：斜裂缝发展，栓钉周围出现大量微小斜裂缝;

48 mm：裂缝充分发展，变密集，并伴有大量混凝土粉末掉落;

72～78 mm：混凝土大块剥落，钢筋露出，并向外鼓曲;

84 mm：试件面外严重变形，混凝土压酥、脱落，试件到达极限承载力，试验终止。

1.5 抗剪滞回性能分析

上一章节是通过人眼观察得到混凝土试件在不同荷载力下的变化情况，为进行进一步分析，本章节通过绘制滞回曲线分析混凝土试件的抗剪滞回性能。滞回性能即滞回曲线的性能。滞回曲线是在力循环往复荷载作用下，混凝土剪力墙板结构的荷载-位移曲线。通过该曲线，可以得到混凝土剪力墙板的变形特征、刚度退化、承载力、能量消耗等特征[9]。

根据上述表2荷载加载方案以及本文章节1.3位移计量测结果，绘制四种混凝土剪力墙板试件的滞回曲线（如图2所示）。

由图2可知，四种混凝土剪力墙板试件具有共同特点，即都可分为三个阶段进行分析。

（1）弹性阶段，即出现裂缝之前的阶段。这一阶段滞回曲线呈现直线上升趋势，残余变形很小，也就是说在卸去荷载力后，变形会恢复。

（2）随着荷载的增加，开始进入弹塑性阶段，即滞回曲线不再是直线，而是出现轻微弯曲现象，卸去荷载力后，会出现一定的残余变形。

（3）达到峰值荷载后，进入最后的破坏阶段。这时的滞回曲线压缩效应明显。在卸去荷载力后，荷载力退化比较缓慢，残余变形很大。混凝土剪力墙板基本丧失承载力。

根据上述滞回曲线对四种混凝土剪力墙板试件的滞回性能不同点进行分析，根据图2绘制四种混凝土剪力墙板试件的骨架曲线。骨架曲线是指每级荷载作用下构件滞回曲线的峰值点连接的包络线，具体如图3所示。

由图3可知，骨架曲线能直观地反映出试件在水平荷载作用下在各受力阶段的主要特征，如承载力、变形能力、耗能能力等。承载力包括屈服荷载和峰值荷载两个指标。变形能力包括屈服位移、峰值位移、极限位移、延性系数、相对变形值。后两者计算公式如下：

从表4中可以看出：（1）承载力：试件4>试件3>试件2>试件1，试件承载力越大，抵抗水平荷载能力越强;（2）变形能力：试件4>试件3>试件2>试件1，变形能力越强，抵抗剪力的性能越好;（3）耗能能力：试件4>试件3>试件2>试件1，耗能能力越好越表明当地震发生时消耗的地震能量越多，其结构就越稳定[10]。综合上述结果，试件4的抗剪滞回性能最好，其次是试件3和试件2，试件1最差。

2 结语

综上所述，为减少高速公路修建成本，隧道的修建是高速建设中的常见工程之一。混凝土剪力墙板是隧道的重要组成部分之一，起到抗震减压的作用。在此背景下，为合理设计高速公路隧道混凝土剪力墙板施工方案，充分了解其抗剪滞回性能是必不可少的。为此，本文进行高速公路隧道混凝土剪力墙板抗剪滞回性能实验分析，选取四种混凝土剪力墙板作为实验对象，通过绘制滞回曲线，分析得出了四种混凝土剪力墙板试件随着荷载增加的变化规律，并通过对比其承载力、变形能力、耗能能力，分析了抗剪滞回性能。在本文研究中主要进行了常规混凝土板形式、含钢率以及栓钉等不同条件下的研究，除此之外，还有多种因素需要考虑在内，如不同强度等级、高宽比、墙厚等条件，这是下一步的重点研究方向。

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