混凝土剪力墙平面外受弯性能试验研究

杜红凯, 于佳鑫, 王海萌, 籍嘉浩, 赵鹏飞

(北京建筑大学 北京未来城市设计高精尖创新中心， 北京 100044)

剪力墙可能受到土体压力、风荷载、爆炸、冲击等横向荷载的作用，发生平面外破坏。王墨耕等[1]对地下车库配筋砌块砌体剪力墙的平面外受力进行了设计和计算；黄莉[2]对嵌入式基础的叠合式地下室外墙板平面外受弯性能进行了试验和ANSYS分析，研究表明嵌入深度较大时，墙板跨中出现塑性铰，该铰达到转动极限时，墙体发生破坏；周博文[3]对嵌入式基础的叠合式地下室外墙板进行了墙板平面外抗弯性能试验和数值模拟，研究表明墙体的受力过程分为弹性、弹塑性、塑性、破坏4个阶段。高层建筑物中风荷载会使剪力墙出现平面外弯矩，陈胜云[4]采用试验对复合节能墙体的平面外抗弯性能进行了研究，研究表明复合节能墙体的外叶墙符合长沙地区抗风承载力要求。当剪力墙用于海上设施或核电站时，还可能受到冲击或爆炸作用。史先达[5]对钢筋混凝土剪力墙平面外抗冲击性能进行了试验和数值分析，提出了用墙板塑性铰线法进行抗冲击设计的思路；史晨程[6]对核电厂钢板混凝土墙进行了平面外受力性能研究，研究表明平面外承载能力会随剪跨比的增大而减小，现有的规范公式不能很好解释其结果。

随着建筑工业化的推进，国内外学者对装配式剪力墙结构平面外受力的研究逐渐增多，郜玉芬等[7]对装配式环筋扣合锚接剪力墙进行了平面外抗折性能研究，研究表明剪力墙的破坏形式均为受弯破坏；谷倩等[8]采用静力加载的试验方法对双面叠合剪力墙进行了平面外受力性能研究，推导了双面叠合剪力墙平面外受弯公式；薛伟辰等[9]对双面叠合混凝土剪力墙进行了平面外的抗震性能研究，研究表明双面叠合混凝土剪力墙平面外的破坏形式与现浇混凝土剪力墙构件基本相同；YING等[10]对剪力墙平面外受力进行研究，提出了等效弯曲宽度的概念，在一定程度上简化了计算公式；WANG等[11]对波纹钢板剪力墙进行了平面外受力研究，提出了刚度简化计算方法；SABOURI-GHOMI等[12]采用局部相互作用理论对复合钢筋混凝土剪力墙结构进行了平面外的分析研究。

当剪力墙平面外受力时，其受力模式与楼板类似，但配筋只能考虑单侧钢筋，导致剪力墙受弯时的配筋率低，往往不能满足楼板配筋率的要求，从而导致常规剪力墙的平面外破坏现象与楼板不同。为探索剪力墙平面破坏的规律，本文根据规范设计四片剪力墙，进行静力抗弯试验，研究其平面外受力破坏的过程、延性和抗弯承载能力等。

1 试验设计及材料性能

1.1 试件设计

设计四片剪力墙，混凝土等级分别为C30、C40、C50，分布钢筋直径均为8 mm，间距150 mm，等级为HRB400，均为冷拉之后的钢筋，剪力墙参数见表1。四片墙体W1～W4的配筋率按照剪力墙受力计算分别为0.335%、0.335%、0.335%、0.268%，满足剪力墙最小配筋率要求。按照楼板平面外受力计算的配筋率分别为0.185%、0.185%、0.185%、0.145%，均小于受弯构件最小配筋率，相差在28%以内。构件加工图如图1所示。四片墙体采用楼板的加载方式进行加载，但墙体与楼板在配筋和尺寸上有明显不同，一方面墙体按照平面外受弯计算时的配筋率不满足板的配筋率要求，另一方面墙体的厚度也比一般板的厚度要大，致使两者的破坏特征和承载能力可能存在明显的不同。

表1 试件参数

图1 剪力墙尺寸及配筋图Fig.1 Wall dimension and reinforcement drawing

1.2 加载方案与量测内容

剪力墙平面外抗弯试验在北京建筑大学结构实验室完成，采用三分点加载，静跨为2.4 m，每5 kN为1加载等级。在支座和跨中的位置均安装位移计，用于测量构件挠度，在混凝土的底面、顶面、侧面各粘贴了3个应变片，用于监测混凝土的应变。试验采用DH3820动静态信号数据采集系统进行数据采集。试验加载及位移计示意图如图2所示。

图2 加载及位移计分布图Fig.2 Loading and displacement meter diagram

1.3 钢筋和混凝土的材料性能

对钢筋标准件进行拉伸试验，测得钢筋的弹性模量ES=2.0×105MPa，钢筋抗拉屈服强度fy=710 N/mm2，抗拉极限强度fu=770 N/mm2，钢筋的极限拉应变εs=0.30，钢筋应力- 应变曲线如图3所示。

图3 钢筋应变- 应变曲线Fig.3 Stress-strain curve of steel bar

对预留的混凝土立方体试块进行抗压试验，得到C30、C40、C50混凝土的立方体抗压强度平均值分别为36.6 MPa、42.9 MPa、51.1 MPa。

2 试验结果及分析

2.1 试验现象与破坏形态

在加载初期，剪力墙W1～W4分别在70 kN、80 kN、40 kN、75 kN出现首条裂缝，裂缝均出现在纯弯段内，且垂直于墙板平面，均为弯曲裂缝。随着荷载和挠度的不断增加，裂缝迅速向上延伸，宽度不断加大，上部受压区高度迅速减小，构件表现为绕受压区旋转。四片剪力墙分别在105 kN、110 kN、114 kN、145 kN时，受拉区钢筋突然被拉断，墙片失去承载能力，发生平面外破坏。四片剪力墙的破坏特征基本一致，如图4、图5所示(墙体侧面的钢丝绳为装配式墙体的水平连接装置)，裂缝主要分布在纯弯段，平均间距约为360 mm，每条裂缝都延伸到墙片顶部。根据构件纯弯段上表面混凝土应变片的数据，四片墙体的应变为0.000 7、0.001 0、0.001 3、0.001 5，均未到达到混凝土极限压应变0.003 3，试验现象也发现四片墙体受压区混凝土均未被压碎，钢筋拉断时构件的上表面保持光滑，并有一定弧度。

图4 W2破坏状态Fig.4 Failure state of W2

图5 W3破坏状态Fig.5 Failure state of W3

2.2 荷载- 挠度曲线

图6给出了W2～W4的荷载- 挠度曲线(墙体W1位移计损坏，无法得到曲线)，从图6中可以看出，3条曲线形状相差不大，构件屈服以后均有较大的延性段。在整个加载过程中，荷载位移曲线经历了未裂阶段、带裂缝工作阶段、破坏阶段。在未裂阶段，荷载和挠度基本呈现线性增长趋势；在带裂缝工作阶段，构件挠度逐渐增大，承载力增加较小；在破坏阶段，受拉区钢筋突然被拉断，荷载挠度曲线进入下降段。

图6 W2～W4荷载- 挠度曲线Fig.6 Load deflection curve of W2～W4

2.3 开裂、屈服和极限荷载

表2给出了W1～W4对应的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载，其中构件的屈服荷载由图解法确定。

表2 开裂、屈服和极限荷载

从表2可以看出，混凝土强度最高W3的开裂荷载最低，强度居中的W2开裂荷载最高，构件的开裂荷载离散型较大，并无规律性。W2和W3的屈服荷载相差不大，W1～W3的极限荷载相差不大，而这3个构件的混凝土强度相差较大，说明混凝土强度对构件的承载力影响不大。W4的屈服荷载明显大于W1～W3屈服荷载和极限荷载，说明墙体的厚度对剪力墙平面外抗弯承载力的影响较大。W2～W4的极限荷载分别比屈服荷载增长了27.9%、34.1%、38.1%，W1～W4的极限荷载比开裂荷载增长了50.0%、37.5%、185.0%、93.0%，说明剪力墙平面外开裂或钢筋屈服以后不会马上破坏，其承载能力仍能有一定程度的提升空间。

2.4 位移和延性

位移延性是反映结构或者构件变形能力的一个重要度量标准。常用的延性系数是指用极限位移与屈服位移比值μ为：

(1)

式中:Δu为极限位移，Δy为屈服位移。

W2～W4的屈服位移、极限位移和延性系数见表3。

表3 位移延性系数

W2、W4剪力墙的延性系数均在10以上，结合荷载位移曲线，可以看出剪力墙平面外的破坏形式与少筋梁相似，构件屈服位移小，屈服以后迅速进入第二刚度阶段，屈服圆弧段很短。从表3中可以看出，虽然3个试件的延性系数相差很大，但剪力墙的极限位移相差不大，即剪力墙的平面外极限变形能力相差不大。

3 极限状态及受弯承载力的计算

为研究破坏时构件受压区混凝土的压应力情况，将探索墙体平面外抗弯承载力的计算方法。

平面外抗弯的剪力墙，在受拉钢筋屈服以后，弯曲裂缝会迅速延伸，截面受压区高度迅速减小，在后续变形过程中，钢筋的应力几乎保持不变，截面受压区高度的略有减小，截面的弯矩略有增加，挠度增长很快，形成以受压区混凝土为圆心的塑性铰。以受压区钢筋和受拉区钢筋之间的距离为内力臂，分别计算受拉区钢筋屈服时的屈服抗弯承载力和受拉钢筋断裂时剪力墙的极限抗弯承载力，计算结果与试验结果见表4和表5。

从表4和表5可以看出，钢筋屈服时，弯矩计算值大于弯矩试验值，说明内力臂取值偏大，此时受压区混凝土合力的作用点应低于受压钢筋；钢筋断裂时，弯矩计算值均小于弯矩试验值，说明此时内力臂取值偏小，此时受压区混凝土合力的作用点应高于受压钢筋。

为方便应用,引入了塑性铰系数β，构造剪力墙平面外受弯承载力的表达式为：

My=fyAs(h0-βya′s)

(2)

Mu=fuAs(h0-βua′s)

(3)

式中：My表示构件的屈服受弯承载力，Mu表示构件的极限受弯承载力，fy表示受拉钢筋的屈服强度，fu表示受拉钢筋的极限强度，a′s表示受压钢筋合力点到受压区边缘的距离，βy为受拉钢筋屈服时塑性铰系数，βu为受拉钢筋断裂时塑性铰系数，As为受拉钢筋面积，h0为截面有效高度。

根据表4及表5数据，对塑性铰系数β进行参数回归，βy=1.38，βu=0.96。

4 结论

通过四片混凝土剪力墙试件的平面外受弯试验，对混凝土剪力墙平面外抗弯的破坏形态、承载及变形情况进行了研究，主要结论如下：

1)剪力墙平面外破坏表现为受拉区出现裂缝、钢筋屈服，形成塑性铰、钢筋被拉断4个过程。整个破坏过程既没有出现少筋梁一裂就坏的特征，也没有出现适筋梁受压区混凝土被压碎的特征。

2)剪力墙受弯配筋率小于最小配筋率的28%以内时，平面外受弯开裂以后，承载力仍能提升37.5%以上，剪力墙的延性系数能够达到9.33以上。

3)给出了该类型剪力墙的平面外抗弯的塑性铰系数和承载力计算公式。