曹万林,杨兴民,张建伟,杨亚彬,董宏英

(北京工业大学建筑工程学院,北京 100124)

多层黏土砖房限制应用以后,研究新的多层住宅体系成为工程亟需.目前多层住宅结构体系主要采用混凝土砌块结构[1]、轻型钢结构[2]、异形柱框架结构[3]和密肋轻板结构[4]等.然而这些新型的结构仍存在着一些不足.混凝土空心砌块是目前砌体结构的主要材料,混凝土空心砌块之间的连接主要靠砌块之间砂浆的黏结力,因此抗震性能较差.配筋砌体结构是在空心砌块的孔洞竖向配置钢筋,但钢筋呈没有绑扎的束状,芯柱内灌注混凝土无法振捣密实,难以保证其抗震的可靠性.在异形柱框架结构中,其柱肢截面的高厚比较小,在一定条件下会对结构抗震性能产生一些不利影响.轻型钢结构在多层住宅中也有应用,轻型钢结构具有自重小、工业化程度高、施工工期短和结构抗震性能好的优点,但由于多层住宅高度和跨度都较小,无法充分发挥钢材高强度的优势.钢筋混凝土剪力墙结构有良好的抗震性能和防火性能,既能承重又能抵抗侧向力,是住宅建筑中最常用的结构形式,但以往建造的主要是高层剪力墙住宅结构,目前有关剪力墙设计的规范和规程[5-7]的适用范围主要是10层及 10层以上的高层结构,对高层剪力墙结构的设计要求直接用于多层剪力墙结构显然是不合理的.因此,研究造价较低、易于推广且能满足抗震要求的多层钢筋混凝土剪力墙结构是必要的.本文研究的多层混凝土剪力墙住宅结构,其墙体厚度为 140 mm,为使这种采用双向单排配筋剪力墙施工简便并防止干缩裂缝的产生,同时研究了相应的部分免拆模板技术.由于单排配筋剪力墙地震作用下的工作性能是工程界极为关注的问题,为此,本文设计了一个4层混凝土剪力墙结构,用以比较双向单排配筋混凝土剪力墙与双向双排配筋混凝土剪力墙的动力性能.

1 模型设计及试验概况

1.1 模型设计

设计了1个1∶4缩尺的 4层剪力墙结构的模拟地震振动台试验模型,模型编号为 SWST(4).模型配筋见图 1.

模型的平面由 4个对称布置的、几何尺寸完全一致的 L形截面剪力墙组成,4个 L形墙肢之间通过连梁和楼板相连.一层层高 875mm,二层至四层层高均为 750mm,墙肢厚度为 35mm;一侧墙体采用双向双排配筋,竖直分布筋和水平分布筋均为○/2.2@120;另一侧墙体采用双向单排配筋,竖直分布筋和水平分布筋均为○/2.2@60.

图1 SWST(4)配筋详图Fig.1 SteelbardetailsofSWST(4)

四层剪力墙结构 SWST(4)的墙体采用 C20混凝土浇注,基础采用 C30混凝土浇注,实测墙体混凝土立方体抗压强度为 25.63MPa,其弹性模量为 25.6GPa.钢筋的力学性能见表 1,为了满足模型和原型的相似关系,用设置附加质量的方法,在模型的各层楼板附加质量块,并将附加质量块用水泥砂浆固定在楼板上以防止振动过程中铁块滑动.总附加质量块质量为 6.282t,其中顶层为 2.517t,其他 3层每层各1.255t,模型与原型的各物理量相似系数见表 2.

表1 钢筋的力学性能Table1 Mechanicalpropertiesofsteelbars

表2 模型与原型相似系数Table2 Similaritycoefficient

1.2 试验方案

固定在振动台上的试验模型见图 2.试验中测试不同阶段的前二阶自振频率和阻尼比;采用加速度传感器来记录振动台台面及不同楼层在地震力激励下的绝对加速度反应;模型的二层和顶点相对基础的位移;纵筋根部和一层连梁钢筋应变.选用平行于东西向输入的ElCentro(1940)N-S地震波作为模拟地震振动台台激励.根据时间相似关系的要求,输入的 EICentro地震波持续时间为 53×0.5=26.5s,时间间隔为 0.02×0.5=0.01s.试验过程中台面实际输入值见表 3.模型各阶段动力特性测试过程见表 4.

图2 固定在振动台上的模型Fig.2 Themodelfixedontheshakingtable

表3 模型 SWST(4)台面实际输入过程Table3 TestprocedureofSWST(4)

表4 模型SWST(4)模型各破坏阶段自振特性测试过程Table4 MeasuredprocedureofSWST(4)dynamiccharacteristic

2 试验结果及分析

2.1 自振频率及阻尼比

试验测得的模型在不同阶段的前二阶自振频率及阻尼比见表 5.

从表 5可以看出,随着地震波加速度峰值的不断加大,模型裂缝的不断发展以及塑性变形的不断增加,2个模型的各阶频率都呈下降趋势,阻尼比呈增大趋势.

表5 模型SW前二阶自振频率及阻尼比测试结果Tab le 5 Test results of SW frequency and dam ping ratio

2.2 振型

试验测得了模型的前 2阶振型.图 3给出了 SWST(4)开裂前振型图.由图 3可见,开裂前模型的振型均呈弯剪型.

2.3 加速度反应

模型各层绝对加速度反应最大值见表 6.虽然本双向单排配筋剪力墙结构的竖直钢筋和水平钢筋配筋率仅为 0.18%,小于建筑抗震设计规范[7]规定的最小配筋率 0.25%,墙肢厚度为建筑抗震设计规范[7]规定的最小值,但是台面的加速度峰值达到了 0.693 g,为建筑抗震设计规范[7]规定 9度地区设计基本地震加速度 0.40 g的 1.733倍.台面加速度峰值为 0.693 g时,模型的 4层加速度时程曲线见图 4.

图3 SWST(4)开裂前振型Fig.3 Vibration modes for SWST(4)before cracking

图4 SWST(4)的 4层加速度时程曲线Fig.4 Time history curve of acceleration response for the fourth floor

表6 模型 SW ST(4)各层绝对加速度反应最大值Tab le 6 Maximum acceleration responses o f SWST(4)each floor g

2.4 二层及结构顶点位移反应

试验所得各阶段模型的二层及顶点相对位移反应最大值、位移角见表 7.

表7 模型 SWST(4)二层及顶点位移反应最大值及位移角Tab le 7 Maxim um displacement response and drift angle o f SW ST(4)2nd floor and the top

建筑抗震设计规范[7]规定,钢筋混凝土剪力墙结构在多遇地震作用下楼层的最大弹性层间位移角限值为 1/1 000,若把二层位移角近似作为层间位移角,由表7可见,位移角达到 1/1 084时,台面输入最大的地震加速度为 0.262 g,是 9度多遇地震对应的地震加速度时程曲线最大值 0.140g的 1.871倍.

建筑抗震设计规范[7]规定钢筋混凝土剪力墙结构在罕遇地震作用下结构薄弱层弹塑性层间位移角限值为 1/120,若把二层位移角近似作为层间位移角,由表 7可见,位移角达到 1/151时,台面输入最大的地震加速度为 0.600 g,接近 9度罕遇地震对应的地震加速度时程曲线最大值 0.620 g.

2.5 层间剪力反应

在基底地震波作用下,第 i层的最大名义层间剪力 Fi(t)max可近似计算为

式中,n为总层数;aj为对应 j层的加速度;mj为对应 j层的集中质量.实测各试验阶段的基底剪力最大值见表8.

表8 模型 SWST(4)各阶段基底剪力最大值Table 8 M aximum shearing force on the bottom of the SWST(4)

2.6 破坏状况

SWST(4)破坏形态及裂缝分布见图 5,破坏照片见图 6.

图5 SWST(4)破坏形态及裂缝分布图Fig.5 Failure pattern and crack distribution of SWST(4)

由图 5和图 6可见,无论是腹板还是翼缘,均是单排配筋混凝土剪力墙比双排配筋混凝土剪力墙破坏得轻;单排配筋墙体的裂缝宽度较小,这是由于虽然墙体的配筋量一样,但是单排配筋墙体钢筋的间距相对于双排配筋墙体钢筋间距小,其首先约束混凝土裂缝的几率更大,其平面内的抗震性能优于双排配筋剪力墙.

由图 5(a)可见,双向单排配筋墙体洞口处,左侧边缘约束构件为三边形箍筋的暗柱,右侧边缘约束构件为四边形箍筋的暗柱,左侧洞口处和右侧洞口处混凝土压碎脱落的范围区别不大.第 9次输入加速度峰值为 0.363 g的地震波,单排配筋剪力墙腹板左侧基础的水平裂缝贯通,但裂缝宽度很小;右侧基础中部出现 1条斜裂缝.此时,边缘约束构件一边采用三边形箍筋暗柱的单排配筋剪力墙虽然比边缘约束构件两边均采用四边形箍筋暗柱的单排配筋剪力墙破坏严重一些,但台面输入的地震加速度峰值已达到了0.363 g,是 8度抗震设计基本地震加速度 0.20(0.30)g的 1.815(1.210)倍.因此采用简化的边缘约束构件是可行的.

图6 SWST(4)破坏照片Fig.6 Failure pictures of SWST(4)

3 结构弹性时程分析

采用 SAP2000程序对两模型进行两弹性阶段的动力特性分析及时程地震反应分析,分析时假定楼板在平面内刚度为无穷大,结构所有质量按质量凝聚方法集中到各层楼板上.钢筋混凝土的弹性模量按复合材料确定,算式为

式中,ρc、Ec为混凝土的体积占有率和弹性模量;ρs、Es为钢筋体积配筋率和弹性模量.模型的前 2阶频率的计算结果见表 9,前 2阶实测振型与计算振型比较见图 7.

表9 模型SW ST(4)频率计算值与实测值比较Tab le 9 Com parison of SWST(4)frequency betw een test and calculation results

图7 实测振型与计算振型比较Fig.7 Comparison of vibrationmode between testand calcu lation

本文研究和笔者的相关研究表明[8-10],在墙体的配筋率相同情况下,由于单排配筋墙体钢筋的间距相对于双排配筋墙体钢筋间距小,其首先约束混凝土裂缝的几率更大,其平面内的抗震性能优于双排配筋剪力墙;由于剪力墙的翼缘和腹板共同工作,单排配筋剪力墙平面外的性能也可满足多层剪力墙结构设计的要求.

4 结论

1)同等配筋率的条件下,单排配筋剪力墙平面内的抗震性能优于双排配筋剪力墙平面内的抗震性能.

2)本文及笔者相关研究表明,由于剪力墙的翼缘和腹板共同工作,单排配筋剪力墙平面外的性能可满足多层剪力墙结构设计的要求.

3)单排配筋剪力墙边缘约束构件采用三角形箍筋暗柱,以及节点采用本文的简单构造方式是可行的.

4)当采取合理的设计和构造措施后,双向单排配筋混凝土剪力墙结构可以满足多层住宅结构抗震设计要求.

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