基于钢筋混凝土框架-钢板剪力墙抗震性能试验研究

作者：李奉阁倪晶

单位：内蒙古科技大学土木工程学院

摘要：为研究钢筋混凝土框架-钢板剪力墙抗震性能,对一榀单跨两层的钢筋混凝土纯框架和一榀单跨两层的钢筋混凝土框架-钢板剪力墙进行低周往复加载试验,比较两者的破坏形态并分析原因。研究结果表明:钢筋混凝土框架-钢板剪力墙的承载力较钢筋混凝土纯框架提高77.2%,初始刚度为钢筋混凝土纯框架的2.67倍;非加载端梁、柱应变值较大,加钢板的混凝土框架节点转角变化量不大,破坏也相对较轻。建议通过加钢板来提高钢筋混凝土框架的承载性能及抗震性能。

关键词：钢筋混凝土框架钢板剪力墙抗震性能转角

作者简介：李奉阁,硕士,副教授,硕士生导师,一级注册结构工程师,Email:766742886@qq.com。
基金： -页码-：116-119，98

0 引言

　　随着建筑物形式和功能的多样化发展,钢筋混凝土框架结构凭借空间构造灵活、整体性能优越、结构自重较轻、用料相对节约等优点被普遍应用于城市高层建筑中。在地震作用下,节点始终处于结构的薄弱部位,节点的破坏会对结构的整体性能造成极大的危害。

　　多次震害证实钢筋混凝土框架中梁柱节点是结构抗震中最易破坏的部位,且在地震作用下梁柱节点核心区水平剪力(为柱剪力的4～6倍) ^[1]非常大,因此在节点核心区发生剪切破坏频繁产生。另外在循环往复荷载作用下,节点核心区很容易发生梁端纵筋粘结滑移破坏,导致节点核心区的抗剪承载力、刚度以及耗能能力迅速下降。节点失去承载能力后会造成楼层部分发生坍塌,甚至整个结构发生倒塌,所以对框架结构进行设计时,要重点对节点核心区进行抗震设计,以满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[2]对钢筋混凝土框架梁柱节点的设计方法和构造要求。

　　新加坡的Li B ^[3]对15个梁柱节点进行了试验,分析梁端加载和柱端加载的差异,研究变轴力是否对节点性能产生影响,并对扁梁节点和大偏心节点在加载时的受力性能进行了研究。吕西林 ^[4]对10个梁柱节点进行的抗震试验研究表明:节点核心区的剪切变形非常大,可能已经超过由梁端塑性铰产生的变形。葛宏亮 ^[5]、王信君 ^[6]和冯长征 ^[7]对配置了HRB500钢筋的中节点、中间层端节点以及顶层层端节点实行了抗震分析。吕西林等 ^[8]进行了4个足尺框架梁柱组合节点试件的低周反复荷载试验,结果表明,提高柱梁抗弯强度比值可以更好地保证梁端率先出现塑性铰,有效减小节点核心区和柱端的破坏程度,进而提高水平地震作用中框架节点的延性。近年来,由于钢框架施工成本较高,钢筋混凝土框架 ^[9,10,11]在我国高层建筑中得到普遍应用,所以钢筋混凝土框架结构节点的研究迫在眉睫。

　　在钢筋混凝土框架中加设钢板 ^[12,13],既可以提高框架的承载力、刚度和耗能能力,又可以改变框架的破坏机制和减小节点优先破坏。所以本文对一榀单跨两层的钢筋混凝土纯框架和一榀单跨两层的钢筋混凝土框架-钢板剪力墙进行了低周往复加载试验,研究加设钢板对框架的承载力、刚度和耗能能力等力学性能指标的影响,为实际工程提供改进建议。

1 试验概况

1.1 试验设计

　　为研究钢筋混凝土框架-钢板剪力墙抗震性能影响,本文共设计了2个试件,一个是单跨两层钢筋混凝土纯框架(SPF-1),一个是单跨两层的钢筋混凝土框架-钢板剪力墙(SPF-2)。试件采用同一强度等级的混凝土(C30)和相同的配筋形式,框架梁的截面尺寸为150×200,框架柱截面尺寸为200×200,纵筋采用HRB400,梁配筋6■12,柱配筋8■12;箍筋需要采用2ϕ8,箍筋间距为100mm,如图1所示,试件SPF-2所用的钢板采用Q345钢材,钢板厚度为1.8mm。其他条件均相同。

　　图1 试件尺寸及配筋

1.2 材料性能

　　钢板、钢筋材性根据《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》(GB/T 228.1—2010) ^[14]进行检测,试验结果如表1所示。按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002) ^[15]的规定,对150×150×150的立方体以及150×150×300棱柱体试块进行试验,混凝土龄期为50d,实测28d混凝土立方体抗压强度f_cu,28为33.1N/mm²,弹性模量E_c,28为2.98×10⁴N/mm²,试验时混凝土的立方体抗压强度f_cu,test为37.7 N/mm²,弹性模量E_c,test为3.12×10⁴N/mm²。

　　 钢材材性试验结果表1

钢材	屈服强度 /MPa	极限强度 /MPa	弹性模量 /(×10⁵N/mm²)	伸长率 /%	泊松比
ϕ8	392	596	2.03	24	0.27
■12	316	455	1.96	24	0.26
■20	431	594	2.01	25	0.25
1.8mm厚钢板	284	340	2.01	25	0.27

1.3 试验加载方案及量测

　　试验采取拟静力加载,加载装置如图2所示。加载由电液伺服阀控制,并且对荷载值和位移值进行实时采集,在试验过程中实时显示P-Δ曲线,以监控试件的加载进度。通过固定铰支座把作动器安装在反力架上,另一端与试件顶部的预埋螺杆相连,柱顶的恒定压力(轴压比0.25)由液压千斤顶来提供。试件加载方式为P-Δ控制,试件屈服前由荷载控制加载,以每级10kN递增,每次循环两次,试件屈服后为位移控制加载,以每级0.25倍屈服位移递增,每次循环3次,直至试件破坏。

　　图2 试验加载装置示意及实景

2 试验结果及分析

2.1 试件破坏形态

　　图4 试件节点破坏状态

　　以加载端为西,非加载端一侧为东。西侧二层节点为1号,一层节点为2号,柱根部节点为3号;东侧二层节点为4号,一层节点为5号,柱根部节点为6号。试件整体破坏如图3所示,节点破坏如图4所示。对于SPF-1,当水平荷载加载至55kN时,2号节点和5号节点首先出现细微裂缝;当控制位移加载至1.0Δ_y时,2号、5号节点裂缝逐渐向梁中部延展;当控制位移加载至1.25Δ_y时,1号、4号节点也开始出现裂缝,3号、6号节点柱根部出现裂缝;当控制位移加载至2.75Δ_y时,2号、5号节点混凝土出现轻微脱落,1号、4号柱端出现3条竖向裂缝,3号、6号节点所在柱根部裂缝不断扩张;当控制位移加载至3.5Δ_y时(即峰值荷载),2号、5号混凝土脱落严重,1号、4号柱端裂缝不断延长,3号、6号柱根部混凝土出现脱落。

　　图3 试件整体破坏图

　　相比于SPF-1,SPF-2加载前期框架无明显现象,在最初加载到94kN时出现“轰”的一声,每次循环加载也均伴随有此声,当加载至148kN时,2号、5号节点梁端出现竖向裂缝;当控制位移加载至1.0Δ_y时,钢板沿对角线方向屈取,形成拉力带,2号、5号节点裂缝贯穿,1号、4号节点出现裂缝;当控制位移加载至1.5Δ_y时,5号节点处连接钢板预埋件的连接件断裂,混凝土脱落,1号和4号出现裂缝向梁中部延展,3号和6号节点并未产生破坏严重的现象。

　　总之,在低周循环往复荷载作用下,SPF-1一层梁端和柱根部破坏严重,SPF-2仅一层梁端混凝土脱落,且是因为预埋件突然断裂造成钢板翘曲,从而混凝土脱落。

2.2 滞回性能

　　图5为试件整体滞回曲线。其中Δ为水平位移,P为水平荷载,SPF-1的最大水平承载力为91.8kN,SPF-2最大水平承载力为162.7kN,较SPF-1提高了77.2%;SPF-1的最大水平位移为79.2mm,SPF-2最大水平位移为25.6mm,是SPF-1的1/3。由图6试件的骨架曲线可知:SPF-2初始刚度为SPF-1的2.67倍。SPF-1产生滞回曲线的捏拢现象是由钢筋滑移和裂缝造成的,而SPF-2钢板连接件断裂和剪切失稳是造成捏缩效应的主要原因,但是钢板本身并没有破坏,在钢板剪力墙中,钢板作为第一道防线,在钢板没有破坏的情况下,混凝土框架不会破坏;从混凝土的开裂程度来看,SPF-2的裂缝较少,说明SPF-2的变形能力较好。

　　图5 滞回曲线

　　图6 骨架曲线

　　 节点转角/(×10^-3rad) 表2

试件编号		屈服荷载下节点转角			极限荷载下节点转角			破坏荷载下节点转角
试件编号		推	拉	均值	推	拉	均值	推	拉	均值
SPF-1	1号节点	0.2	0.4	0.3	0.3	0.9	0.5	0.3	0.8	0.5
	2号节点	0.6	0.42	0.51	0.76	0.32	0.54	0.79	0.33	0.56
	4号节点	1.03	2.3	1.67	3.1	0.84	1.97	3.12	0.84	1.98
	5号节点	1.7	0.99	1.39	1.27	3.1	4.37	1.29	3.08	2.19
SPF-2	1号节点	0.11	0	0.055	0.11	1.37	0.74	0.11	0.86	0.485
	2号节点	0.01	0.04	0.025	0	0.02	0.01	0	0.02	0.01
	4号节点	0.02	0.08	0.05	0.04	0.03	0.035	0.04	0.04	0.04
	5号节点	0.17	0	0.085	0.03	0.01	0.02	0.03	0	0.015

　　注:由于3,6号为柱脚节点,破坏不是很明显,未测其转角。

2.3 节点转角

　　节点转角如表2所示。SPF-1一层转角比二层转角大,说明在低周往复荷载作用下,框架结构一层梁端塑性铰比二层的大,所以一层梁端破坏严重,试验结论也是如此。相比于SPF-2来说,无论是一层梁端还是二层梁端,转角均不是很大,钢板限制了整个框架的变形,并且对梁端并没有产生很大的破坏,柱端也没有出现裂缝,说明加钢板可以改变框架结构的破坏机制。

3 结论

　　 (1)从试件的破坏形态来看,加钢板的钢筋混凝土框架的梁端节点只出现微小裂缝,达到峰值后柱端也相继出现裂缝。相比于钢筋混凝土纯框架,一层梁端节点破坏严重,甚至出现露筋现象,二层梁端裂缝较宽,而柱端混凝土也严重脱落。

　　 (2)从试件的滞回曲线来看,SPF-2的初始刚度为SPF-1的2.67倍,承载力较SPF-1提高77.2%,水平位移为SPF-1的1/3,说明加钢板可提高钢筋混凝土框架刚度、承载力。

　　 (3)从节点转角来看,SPF-2的节点转角均较小,而SPF-1的一层梁端节点转角较大,说明加钢板限制了钢筋混凝土框架结构的变形。

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Research on seismic performance of reinforced concrete frame-steel plate shear wall

Li Fengge Ni Jing

(School of Civil Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology)

Abstract: In order to study the seismic performance of reinforced concrete frame-steel plate shear wall, a low-cycle load test was carried out on a reinforced concrete frame with a single span two lagers and a reinforced concrete frame-steel plate shear wall with a single span two layers. The from and reason of the failure of the two structures was analyzed. The results show that the load-bearing capacity of reinforced concrete frame-steel plate shear wall is 77.2% higher than that of reinforced concrete frame, and the initial stiffness is 2.67 times that of reinforced concrete frame. The non-loading end beam and the column strain value are larger, the change of the rotation angle of the concrete frame node with steel plate is small, and the damage is relatively light. It is recommended to increase the bearing performance and seismic performance of reinforced concrete frame by adding steel plate.

Keywords: reinforced concrete frame; steel plate shear wall; seismic performance; rotation angle

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