預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能研究進(jìn)展

預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能研究進(jìn)展

結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)預(yù)制鋼筋混凝土墻結(jié)構(gòu)是一種高度工業(yè)化的建筑結(jié)構(gòu)體系。主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省勞動(dòng)力，現(xiàn)場(chǎng)施工高效，勞動(dòng)強(qiáng)度低，重量輕，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形能力優(yōu)于混合結(jié)構(gòu)。預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的研究是預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的重要保證。本文在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)普通預(yù)制裝配式鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)、無(wú)粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)、預(yù)制疊合板式剪力墻結(jié)構(gòu)及其它類(lèi)型的預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了綜述。1無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系預(yù)制裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)較早的形式為預(yù)制裝配式鋼筋混凝土墻板結(jié)構(gòu)(預(yù)制裝配式大板結(jié)構(gòu)),20世紀(jì)60年代該結(jié)構(gòu)體系在歐洲得到迅速發(fā)展,隨后被中國(guó)引進(jìn),然而由于預(yù)制裝配式大板結(jié)構(gòu)體系在地震中表現(xiàn)不佳,其抗震性能有待進(jìn)一步研究提高。20世紀(jì)90年代,美國(guó)和日本的預(yù)制混凝土抗震性能研究項(xiàng)目PRESSS(PrecastSeismicStructuralSystemResearchProgram)提出了無(wú)粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系(unboundedpost-tensionedprecastconcretewallstructure,簡(jiǎn)寫(xiě)為UPPCW結(jié)構(gòu)),該結(jié)構(gòu)體系具有自恢復(fù)中心能力和較好的抗震能力。預(yù)制疊合剪力墻結(jié)構(gòu)是一種半裝配式結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)體系兼?zhèn)洮F(xiàn)澆結(jié)構(gòu)和裝配式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),是現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)向全裝配式結(jié)構(gòu)發(fā)展的必備階段。其它具有新型結(jié)構(gòu)形式的預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系(如預(yù)制圓孔板剪力墻結(jié)構(gòu))同樣具有良好的抗震性能,該類(lèi)預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能正受到研究人員的關(guān)注。2結(jié)構(gòu)體系內(nèi)的斜裂縫CloughRW等、尹之潛等進(jìn)行了預(yù)制裝配式鋼筋混凝土墻板結(jié)構(gòu)(大板結(jié)構(gòu))整體性能的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究及數(shù)值分析。研究表明:大板結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理為墻板之間水平接縫的剪切滑移和墻體的搖擺,豎向接縫主要起耗能作用。大板結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程為:(1)裝配板縫逐漸松動(dòng),底部水平板縫開(kāi)裂,墻體發(fā)生有限的剪切滑移。(2)結(jié)構(gòu)在底部裂通的水平縫以上形成一個(gè)整體質(zhì)量塊,沿水平通縫做搖擺振動(dòng),導(dǎo)致了水平面通縫的抬起和閉合。姜洪斌、陳再現(xiàn)等對(duì)預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)和擬動(dòng)力子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究。研究表明:預(yù)制構(gòu)件之間的變形能力較強(qiáng),在出現(xiàn)可見(jiàn)斜裂縫之前,試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膭偠韧嘶@著。采用的水平接縫連接技術(shù)(預(yù)制混凝土插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接)具有較好的可靠性,在地震作用下能夠保證其連接性能。WilsonJL等利用數(shù)值模擬和能力譜法研究了裝配式大板結(jié)構(gòu)的抗震性能。研究表明:預(yù)制樓板和預(yù)制剪力墻墻片的連接處是結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位,地基的軟硬程度和基礎(chǔ)的埋置深度對(duì)節(jié)點(diǎn)錨固長(zhǎng)度有顯著影響。對(duì)于淺基礎(chǔ)和軟土地基,裝配式結(jié)構(gòu)能夠保證其整體抗震性能。3新型預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)20世紀(jì)90年代,美日聯(lián)合項(xiàng)目PRESSS研究了預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能,此項(xiàng)目促成了一種新型預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)(UPPCW結(jié)構(gòu))。UPPCW結(jié)構(gòu)通過(guò)后張拉穿過(guò)預(yù)制剪力墻墻板及其水平接縫的鋼筋或鋼絞線(xiàn)而構(gòu)成,其特點(diǎn)為在地震作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生較大位移,但結(jié)構(gòu)的損傷和殘余位移沒(méi)有或很少,即該結(jié)構(gòu)具有自恢復(fù)中心能力。UPPCW結(jié)構(gòu)的最大缺陷在于耗能能力不足。3.1結(jié)構(gòu)自恢復(fù)中心能力在UPPCW結(jié)構(gòu)中增加與混凝土有粘結(jié)的軟鋼,形成部分無(wú)粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)(PartialUnboundedPost-tensionedPrecastConcreteWallStructure,簡(jiǎn)寫(xiě)為PUPPCW結(jié)構(gòu)),PUPPCW結(jié)構(gòu)的示意如圖1所示(文獻(xiàn))。圖2為現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)、UPPCW結(jié)構(gòu)、PUPPCW結(jié)構(gòu)在往復(fù)水平荷載作用下的滯回曲線(xiàn)。從圖2中可以看出,UPPCW結(jié)構(gòu)的耗能能力較差,現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)和PUPPCW結(jié)構(gòu)的耗能能力較好,PUPPCW結(jié)構(gòu)的滯回曲線(xiàn)成對(duì)稱(chēng)的旗子形,卸載后結(jié)構(gòu)的殘余位移較少。文獻(xiàn)進(jìn)行了傳統(tǒng)剪力墻結(jié)構(gòu)和UPPCW結(jié)構(gòu)的擬靜力試驗(yàn)對(duì)比研究(文獻(xiàn))。研究表明:層間位移角達(dá)到2.5%時(shí),傳統(tǒng)剪力墻結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯損傷,UPPCW結(jié)構(gòu)完好無(wú)損,傳統(tǒng)預(yù)制剪力墻延性性能和耗能能力優(yōu)于UPPCW結(jié)構(gòu);層間位移角達(dá)到3%時(shí),UPPCW結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯的損傷,而傳統(tǒng)剪力墻則發(fā)生嚴(yán)重破壞。HenryRS等在UPPCW結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了不同大小、不同布置方式的圓形和橢圓形軟鋼耗能剪力鍵,利用軟鋼的屈服耗能增加結(jié)構(gòu)的耗能能力。研究表明:橢圓型剪力鍵的耗能能力優(yōu)于其它形狀的剪力鍵,利用其彎曲屈服能夠有效增加結(jié)構(gòu)的耗能能力,控制結(jié)構(gòu)在荷載作用下的極限位移。KuramaYC在UPPCW結(jié)構(gòu)中設(shè)置粘滯阻尼器和軟鋼阻尼器,降低結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)向位移。MarriottDJ等進(jìn)行了設(shè)置有軟鋼阻尼器、粘滯阻尼器的UPPCW結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。研究表明:軟鋼阻尼器和粘滯阻尼器有效提高了結(jié)構(gòu)的耗能能力,降低了結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移。大震作用下,結(jié)構(gòu)的損傷主要集中于軟鋼阻尼器和粘滯阻尼器,結(jié)構(gòu)的其它構(gòu)件損傷較小。呂西林等認(rèn)為,UPPCW結(jié)構(gòu)的自恢復(fù)中心能力與預(yù)應(yīng)力、豎向自重荷載、結(jié)構(gòu)墻體端部的構(gòu)造措施、耗能軟鋼的含量比例有關(guān)。ErkmenB等認(rèn)為,若能保證預(yù)應(yīng)力筋不受壓,初始預(yù)應(yīng)力和最大的豎向軸力荷載對(duì)自恢復(fù)中心能力影響不大,但端部鋼筋錨固細(xì)節(jié)對(duì)結(jié)構(gòu)的滯回耗能和自恢復(fù)中心能力影響較大;預(yù)應(yīng)力筋分布在預(yù)制剪力墻墻體的邊緣時(shí),結(jié)構(gòu)的自恢復(fù)中心能力達(dá)到最優(yōu)。同時(shí)認(rèn)為,后張拉預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度和滯回耗能影響較大。無(wú)粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力預(yù)制連梁(unbondedposttensionedprecastconcretecouplingbeams,簡(jiǎn)稱(chēng)為UP-PC連梁)通過(guò)后張拉穿過(guò)UPPC連梁和預(yù)制剪力墻墻肢的預(yù)應(yīng)力筋,將UPPC連梁和預(yù)制剪力墻墻肢連接在一起(圖3)。WeldonBD等研究了UPPC連梁在單調(diào)荷載作用下的非線(xiàn)性行為。研究表明:UP-PC連梁有以下優(yōu)點(diǎn):(1)在水平荷載作用下,UPPC連梁的非線(xiàn)性變形首先發(fā)生在UPPC連梁和預(yù)制剪力墻墻肢的交界面處,隨著荷載增加,連接角鋼屈服耗能,結(jié)構(gòu)受到的損傷較小。(2)UPPC連梁具有自恢復(fù)中心能力,地震作用后,UPPC連梁的殘余位移較小。WeldonBD等進(jìn)行了UPPC連梁在低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)研究。研究表明:水平荷載作用下,UPPC連梁的非線(xiàn)性位移由連梁端部的開(kāi)口大小決定。UPPC連梁的水平剛度,強(qiáng)度、延性和耗能跟角鋼的性能密切相關(guān)。3.2uppcw結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法KuramaY等提出限制PUPPCW結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的基于性能抗震設(shè)計(jì)方法,該方法能使PUPPCW結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)地震水準(zhǔn)作用下不發(fā)生破壞,在大震作用下發(fā)生損傷但不倒塌。PUPPCW結(jié)構(gòu)中,軟鋼和后張預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼筋共同抵抗彎矩,軟鋼屈服耗能,后張拉預(yù)應(yīng)力提供自恢復(fù)中心能力。KuramaY通過(guò)非線(xiàn)性靜力方法和非線(xiàn)性時(shí)程分析方法驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的有效性。研究表明:由于自恢復(fù)中心能力的存在,與常規(guī)軟鋼耗能結(jié)構(gòu)相比,PUPPCW結(jié)構(gòu)的軟鋼需求量較少。RestrepoJI等給出了在基礎(chǔ)底部發(fā)生搖擺的UPPCW結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法,通過(guò)擬靜力試驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的有效性。研究表明:利用該方法設(shè)計(jì)的墻片發(fā)生3%的側(cè)向位移角時(shí),墻體仍然具有側(cè)向承載力及自恢復(fù)中心能力。PerezFJ等對(duì)帶有豎縫的UPPCW結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,提出了基于設(shè)計(jì)目標(biāo)的簡(jiǎn)化分析模型,并利用試驗(yàn)研究和纖維模型的分析結(jié)果,驗(yàn)證了簡(jiǎn)化模型計(jì)算的有效性。SriramA等指出,由于應(yīng)變相容在UPPCW結(jié)構(gòu)的截面上并不成立,傳統(tǒng)的截面設(shè)計(jì)方法并不能用于該類(lèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。SriramA提出了UPPCW結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化分析方法,并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法。研究表明:該方法不僅考慮了墻體主要側(cè)向反應(yīng)的特點(diǎn),同時(shí)也可以精確量化墻體的中和軸位置、后張拉鋼筋的伸長(zhǎng)量以及連接鍵的變形特性。SaqanEI等改進(jìn)PRESSS提供的設(shè)計(jì)方法,提出了無(wú)因次設(shè)計(jì)方法,該設(shè)計(jì)方法可以對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行一系列的優(yōu)化。SaqanEI通過(guò)實(shí)際計(jì)算,比較了PRESSS設(shè)計(jì)方法和無(wú)因次設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性。PerezFJ等研究了豎縫連接為延性連接器的UPPCW結(jié)構(gòu)的抗震性能,提出了基于基底剪力需求的抗震設(shè)計(jì)方法。豎縫連接為延性連接器的UPPCW結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)屈服過(guò)程為:(1)基底壓力的增加;(2)延性連接器的屈服耗能;(3)墻和基礎(chǔ)開(kāi)裂導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的下降;(4)預(yù)應(yīng)力筋的屈服。研究表明:帶有豎向連接鍵的UPPCW結(jié)構(gòu)的性能,跟預(yù)應(yīng)力筋的配筋率、初始預(yù)應(yīng)力和豎向連接鍵的總剪切屈服力相關(guān)。4剪力墻性能研究潘陵娣等、連星等進(jìn)行了預(yù)制疊合板式剪力墻(圖4)的擬靜力試驗(yàn)研究和非線(xiàn)性有限元分析。研究表明:預(yù)制疊合板式剪力墻的受力變形過(guò)程、破壞形態(tài)與普通鋼筋混凝土剪力墻相似。預(yù)制疊合板式剪力墻的極限承載能力、變形能力和延性低于普通鋼筋混凝土剪力墻。設(shè)置不同邊緣約束構(gòu)造措施的預(yù)制疊合板式剪力墻的耗能能力、粘滯阻尼系數(shù)無(wú)明顯差異。BenayouneA等研究了預(yù)制疊合板墻體在軸心荷載作用下的性能。研究表明:在軸心荷載作用下,所有的疊合板墻體均作為一個(gè)整體進(jìn)行工作,直至破壞,預(yù)制疊合墻板體的極限承載力隨著疊合板長(zhǎng)細(xì)比的增加而非線(xiàn)性減小。LeeBJ等利用非線(xiàn)性有限元分析了預(yù)制3層空心板剪力墻的受力性能,提出預(yù)制3層空心板剪力墻可以提高剪力墻的保溫性能和受力性能。研究表明:預(yù)制3層空心板剪力墻可以利用現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì),但需同時(shí)考慮預(yù)制3層空心板剪力墻墻端所引起的應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響。5節(jié)點(diǎn)性能試驗(yàn)研究張微敬等進(jìn)行了單片和雙片預(yù)制圓孔板剪力墻的擬靜力試驗(yàn)和非線(xiàn)性有限元分析。研究表明:在低周反復(fù)荷載作用下,單片和雙片預(yù)制圓孔板剪力墻墻體與基礎(chǔ)梁之間出現(xiàn)貫通的水平裂縫,墻體的邊緣構(gòu)件幾乎沿全高出現(xiàn)水平裂縫。單片和雙片預(yù)制圓孔板剪力墻的破壞形態(tài)為彎剪破壞。朱張峰等對(duì)全預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)(圖5,NPC體系)節(jié)點(diǎn)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元分析,對(duì)比研究了預(yù)制裝配式節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的承載力、耗能、延性及滯回性能。結(jié)果表明:全預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)可以達(dá)到與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相同或相近的承載能力以及抗震耗能能力。HamidNH等進(jìn)行了多片預(yù)制空心板剪力墻(圖6)共同作用的擬靜力試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶?片預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻,其中2片預(yù)制剪力墻是承重構(gòu)件,通過(guò)無(wú)粘結(jié)螺紋鋼筋與基礎(chǔ)相連,其它4片預(yù)制空心板剪力墻作為裝飾墻板,不用于承重;相鄰預(yù)制剪力墻之間通過(guò)橡膠墊或硅樹(shù)脂填充劑連接。試驗(yàn)表明:層間位移達(dá)到2%時(shí),結(jié)構(gòu)沒(méi)有破壞,承重墻和裝飾墻上均沒(méi)有出現(xiàn)裂紋;層間位移達(dá)到3%時(shí),僅有少量的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞;層間位移達(dá)到3.5%時(shí),結(jié)構(gòu)的損傷發(fā)生在相鄰剪力墻的連接處,即橡膠墊或硅樹(shù)脂填充劑。6混凝土結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的基本規(guī)范和方法新西蘭混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(NZS3101)詳細(xì)介紹了UPPCW結(jié)構(gòu)基于塑性性能的抗震設(shè)計(jì)方法,該方法考慮了UPPCW結(jié)構(gòu)彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系的應(yīng)變不相容性及UPPCW結(jié)構(gòu)豎向接縫之間的耗能連接。日本的預(yù)制混凝土建筑體系設(shè)計(jì)、制作和施工的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范較完善,主要體現(xiàn)在預(yù)制混凝土規(guī)范《預(yù)制混凝土建造規(guī)程》(JASS10)和《幕墻建造規(guī)程》(JASS14)。美國(guó)混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范(ACI318)對(duì)預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹,對(duì)其設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了一定的規(guī)定。LeeHJ指出,現(xiàn)行ACI318規(guī)范低估了樓板對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)受力性能的影響,并且實(shí)際荷載的傳力路徑不同于現(xiàn)行規(guī)范。LeeHJ給出了考慮樓板影響的混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)需求。Cleland認(rèn)為,ACI318的設(shè)計(jì)方法旨在提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度,但忽視了冗余約束對(duì)結(jié)構(gòu)的不良影響,有必要就此對(duì)該類(lèi)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行修訂。中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱建筑技術(shù)規(guī)程》對(duì)建筑高度不超過(guò)60m、抗震設(shè)防烈度不超過(guò)8度的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地土矩形柱網(wǎng)的整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱建筑進(jìn)行了介紹。深圳市《預(yù)制裝配整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》對(duì)豎向構(gòu)件(墻、柱)為現(xiàn)澆,水平構(gòu)件為預(yù)制裝配式疊合梁、疊合板,外墻為預(yù)制外掛墻板的裝配整體式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工、制作進(jìn)行了規(guī)定。江蘇省《預(yù)制裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系技術(shù)規(guī)程》對(duì)水平構(gòu)件采用疊合梁、疊合板,豎向構(gòu)件為預(yù)制剪力墻,采用漿錨連接的裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹。安徽省《疊合板式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對(duì)疊合板式剪力墻的設(shè)計(jì)、計(jì)算、施工等進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。黑龍江省《預(yù)制裝配整體式房屋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》對(duì)一種新型預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、計(jì)算、施工進(jìn)行了規(guī)定。該規(guī)范中,新型預(yù)制剪力墻的豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件為預(yù)制混凝土剪力墻,水平構(gòu)件為預(yù)制混凝土疊合梁、疊合板,樓梯為預(yù)制混凝土樓梯,鋼筋的豎向連接為插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接連接,鋼筋的水平連接方式為插銷(xiāo)式焊接環(huán)連接。7預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系的研究介紹了預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻構(gòu)結(jié)構(gòu)抗震性能研究的最新進(jìn)展,所介紹的結(jié)構(gòu)包括常規(guī)預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)、無(wú)粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)、預(yù)制疊合剪力墻結(jié)構(gòu)以及其它新型的預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu);綜述了國(guó)內(nèi)外預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范以及設(shè)計(jì)方