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1、第3期建筑结构1997年3月带缝钢筋硷高 剪力墙抗震性能分析和设计(工 缝槽间连梁性能分析戴 (东南大学航 南京2 10 096)关国雄张佑启 (香港大学 )提要 本文为关于一种新型带竖缝 剪力墙性能分 析的第一部分。这一部分着重介绍了新提 出的带缝剪力墙的抗震设计概念,并对该结 构的关键部位缝槽间连梁作了非线性力学分析,文中分析方法得到了试验数据的论证。分析结果可为正确的连梁设计提 供理 论依据,并为整体结构的分析提供可靠的连梁非线性力学模型,从而为分析带缝剪力墙 的整体性能打下基础。 关链词 带缝剪力墙抗震性能连梁力学分析Thispape r15thefir stpartofatw o一p
2、a rtr e sea r ehr epo rr,Inthispa rt,thedesigneon e eptofe arthqu akere 、i、tantR. C.51itwalls,pr e sented,andanatten一ptha sbeenrn adetoanal邓isn onlin e arbehavio u ro feo nne etingbea n l s,whxeha rethoughta sthekeyc ontro lme mber softheslitshe a rwal ls.Ther esuirs,whiehhav ebeenv erifiedbye xperi
3、ments,e anser veasthebasisf oreor玲etmo del lingo fe on n eetingbeam、 u sedf orthea nalysisofthewholes litshearwal lstru eture s.Keywo rds:sllr、hea rwal l;e arrhqu ake理sista ntbeha v lou r;c on ne eti叱beams;meehanie alanalysis一、概述1.带缝剪力墙的设计概念一个考虑抗震设防的建筑结构应具备抵抗地震而 不致倒塌和遭受严重破坏的能力;此外,结构物的层间变形也不 应过大而导致非结
4、构性破坏。满足上述要求,结构物应具备:(1 )较高的抗侧强度;(2 )较高的延性和能量耗散能力;(3 ) 适 当的侧 向刚度以抵抗层 间变形;(4 )弹性和弹塑性工作阶段的结构物稳定性;(5 )一个精细的结构进入 塑性的次序,使结构的非重 要 (不影响结构稳定)的而又易于震后修复的结构部件最先屈服,其它关键部位和难于修复的部件不屈服或最后达到屈服状态。除了通常的诸如改善配筋等方法以加强结构抗震性能以外,近来也提出改变结构的频率使结构的反应落在地 震动的反 应谱频率之外的所谓“避震”_方法通常的地震动的基本频率在2一SHz之 间,而大多数结构物 的基本频率在0.5一3Hz之间,因此,结构物的频率
5、如果较高,有可能导致较大的震动和震害。虽然把结构物设计的较柔,可使结构避开地震震动谱,减轻结构震动,但结构刚度的降低受到 两方面限制:一是如果抗侧 刚度较小,结构震动 时的层间变形就会很大,造成非结构性损害;二是如果结构太柔,基本频率低于0.2Hz,结构物在 通常风荷载下的震动将难以忍受。近年来,结构物主动及被动控制设计方法得 到不断发展,其 中主动控制需要外加能源,而且安装及维护较 为昂贵,所以一般只用于较重要的结构物中;而被动控制设计方法,利用人工阻尼器或使结构部分结构构件转变为“结构阻尼器”,较为经济实 用,尤其后 一种方法,利用结构自身部件在震动时的屈服耗能能力达到抗震目的,是一种新的
6、和 切实可行的构思。剪力墙结构体系是一种有效的结构体3系,剪力墙有承受竖向荷载、抵抗风荷载及抗展三个功能,它具有较高侧 向强度和刚度,所以它对减小结构层间变形极为有效。然而,剪力墙也会吸收大t地展能t(由于它的极大刚度),由于剪力墙地展耗能能力有限(比如,在剪力墙内部不可能形成塑性 铰耗散能童),地展能t的系积将导致结构的巨大反应,最严重的是,剪力墙的破坏将集中于墙底部,由于墙体还承受竖向荷载,展后将很难修复。为了克服剪力墙结构的上述缺陷,作者提出了在普通剪力墉上设置竖缝的带缝剪力墙设计方案,如 图1。该墙由竖缝分成2片或多片子墙体,这些子墙体由竖缝槽之间的小“连梁”连 结。从一定程度上说,带
7、竖缝墙是连肢剪力墙的一个特例,只不过连系梁是极短的剪连结而已。在通常的风荷载下,这些短连梁保持弹性,而且 由于连梁有较大的剪切刚度,带缝剪力墙将象无缝剪力墙一样地工作;当遇到较大地震荷载时,连梁屈服,导致剪力墙刚度大大降低从而改变结构自振频率,减小结构总的地震输入能量,使结构达到避震效果;同时,连梁屈服后,连梁将转变为结构阻尼器吸收地震能量,尽管地震后,连梁将会损坏,但它的牺牲将保护墙体和结构使它们不致破坏和倒塌。综上所述,新提出的带缝剪力墙在风载下有较高的刚度,而在地震载荷下,将具有小刚度和高阻尼的特点;此外,它还具有展动时层间变形小、较好 的结构稳定性和良好 的结构进入塑性工作的次序。因此
8、,带缝剪力墙应是高层建筑中一个抗风和抗展的较 为理想的结构形式。2.带缝剪力墙的控制元件缝槽, a J连梁很明显,带缝剪力墙的关键控制元件是缝槽间的短连梁,它的结构阻尼作用只有在它屈服以后才能体现。问题是,连 梁应在什么时候屈服。从结构的抗展角度 出发,连梁的设计应使之能在结构破坏之前吸收尽可能多的地展能量,如果连梁的屈服发生在临近结构底部破坏之前,连梁屈服后的耗能将很小,而连梁过 早屈服将导致结构屈服荷载大大降低,其结构耗能能力也不可能很大;很 显然,只有当连梁的屈服荷载为适 当的一 个 中介值时,才能使它的耗能达到 最大。上 述 分析分别 由图2(a)、(b)、(C)概 念化地表示 出来。
9、和连梁的屈服荷载一样,连梁的延性性能同样至关重要,不但关系到其自身的耗 能能力,而且也关系到 它是否 能 成为结构 的 有效阻尼,能否有效降低由于结构刚度降低而使结构在震动时有变形增大的趋势。. . . 抽抽! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 明明明l l l 1 1 1 1 1 l l l I I I I I卜卜 l l l l lI I I ! ! ! ! ! ! ! l l l l ll l l ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !l l l l l l l l! ! ! l l l l ll l l ! ! ! ! ! ! ! ! l l l l l l l
10、l l l l l l l们们 组向力侧向力- - -凡凡凡八八 顶顶娜度度/夕 书书 r r r r r/姗顶娜度/ / /! ! ! ! !一I I I I I ! ! ! ! ! l l l l l ! ! ! ! ! l l l l ll l l l l 叫叫叫肠! ! ! ! !月月月月月月月月月月月且且且严严l l ll l l l l! ! !l l l . . . . .l l ll l l l l l l ll l ll l l l l l l l ! ! !l l l ! ! ! ! ! ! !l l l I I I I I I I Il l l 且且且! ! ! ! !
11、! ! ! ! ! (a )连梁屈服强度较低(b )连梁屈服强度适中(C)连梁屈服强度较高图2连梁强度与整体结构耗能的关系( a)带一条缝墙(b)带二 条缝墙图1新提出的带缝剪力墙设 计因此,连梁的屈服强度及 延性能力是连梁设计的关键因素,关 系 到带缝剪力墙的 整体性能。所以对连梁的分析是极其必要 的二、连梁性能的试验研究作者作了跨高比为0.0 5一0.2 0的钢 筋硷连梁在剪切荷载下的试验巨2,揭示 了 连梁的一些基本性能:人P才了L, 甘, 口卜,毛山争P产为尸a尸卜户一J气/洲七.,y幽卫1.冲劝 二子奋,月2决月谧P 欣 f xP户(1 )在弹性阶段,连梁和普通连肢梁类似,连梁的端部
12、纵向钢筋一端受拉,一端受压。(2)连梁大约在1/ 5至1/ 3破坏荷载时开裂。当连梁承受单调荷载作用时,两条受拉主裂缝在梁墙连结处(受拉侧)出现。随着剪切荷载 的增加,裂缝沿和梁轴线成 5 0一7 0。方向发展,在连梁上形成对角斜向受压块,受压块的压力的纵向分量抵抗外部剪力,而横向分量使连梁两端的墙体有错动分开的趋势,从而使连梁内部的所有纵向钢筋受拉,连梁的最后破坏是由斜压块的压坏引起,连梁内的钢筋的屈服与否和配筋率有直接关系。图3 ( a )给出了典型的连梁裂缝开 展情况。(3 )连梁在承受反复荷载下的情况 和其承受单调荷载 下的情况类似,破坏亦由斜压块的破坏而致,连梁内钢筋 的屈服情况 和
13、其配筋率有关。图3( b )给出了反复荷载下连梁中的裂缝开 展情况。试验表明,连梁开裂后,其性能明显异于一般钢筋硷梁。述的析架机构极为类似,所以软化析架理论应可用于连梁的分析。本文中,作者即尝试基于该理论而同时考虑连梁自身条件的连梁非线性全过程分析方法。图4(a)给出一个典型的受剪连梁,当开裂后,由裂缝分隔的硷受压块形成,该硷块斜向受压,而其中的钢筋作为受拉连结件,从而形成析架机构,见图4(b)。为便于分析,建立整体坐标系x一y及裂缝开 展方向坐标系d一r,两坐标系夹角a,亦即斜压块 的方向。沿二一y坐标系的应力 为人,几y,而 沿d一二坐标系的应力由。d,。r,:d r表示。(a)受剪的连梁
14、( b )析架机构图4连梁分析模型仅考虑钢筋轴向应力,假定钢筋是理想弹塑性材料,则 纵向及横向钢筋的应力一应变关系可表示为:、产、于、 . J了1 12气了、了Xyf f一一7牡一一Es二r | 衬 ltr |之 |、一一一一( a )单调荷载下( b ) 反复荷载下图3连梁 的裂缝开展情况f syEsyf sy(。二(。sy)(。x)。:y)(。y镇。y)(。y)。sy)三、连梁的理论分析通过作者所作的连梁试验观察结果,说明连梁的全过程分析问题不能由通常分析普通梁的方法和途径解决;由于连梁极小的跨高比;总的来说,连梁的性能由受剪控制,这显然要比受弯构件更难于分析。受剪构件的分析方法问题一直是
15、理论上的研究难点,近年来,软化衔架理论应 用于受剪构件难点 的分析 颇为有效 3 。由试验观察,短连梁的破坏机构 和软化析架理论中描式中,f x、几为纵 向及横 向钢筋轴向应力,E,、f s v及。sy分别是钢筋杨氏模量、屈服应力及屈服应变。斜压块 的应力一应变关系由d一:坐标系方向 确 定,选用Ve cc hi o等的软 化硷 模型4,在d方向上硷的正应力为:当。d镇 乒。时,。d=汀c2(。d/ 乒。)一(。d/ 乒。)2(3a)当。d)乒。时,-,r,f甸/ 乒。一1 “d=彭。1一架污誓匕一 (3b),cL一、2/ 夸一1/J式中,f。及:。为硷抗压 强度及相应应变;g为软化系数,与硷
16、泊桑比产有关,并可 由下式确定:。r=一。dt扩a将上式代入式(4),有(14)1一万示万万万而(4,沿r方 向硷正应力实质上是跨裂缝拉应力,计算中,忽略开裂后硷拉应力,即有。r=0(5)由于各应变分量应满足莫尔圆,故得以下相容条件:。二=:dCos Z。+。rsinZ。(6)。,=。dsin Za+。reos Za(7)7xy二2(。d一。r)sinae o sa(s)同样,由应力分量满足应力莫尔圆,叠加砖及钢筋应力,可得以下应力相容条件:。、=。deo s Z。+。声in Za+户xf x(9)。,=adsi矛a+。:e o护a+。yf、(10):二y=(ad一。:)sina eo sa(11)其中,p、及p,分别为纵向及横向配筋率。在式 (l )一(11 )中共有1 4个未知变量,所有的变量均可表示为跟三个独立变量。d、:。及a有关的关系式,因此,实质上 只有三个未知变量需要求解
