冷彎薄壁型鋼混凝土剪力墻抗震性能研究

冷彎薄壁型鋼混凝土剪力墻抗震性能研究

0鋼筋混凝土剪力墻受剪承載力的計算公式冷彎肌肌腱墻（以下簡稱tsrc墻）將冷彎曲肌肌腱作為垂直鋼，并配置新的水平鋼筋或鋼帶的混凝土墻（圖1）。冷彎薄壁型鋼混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系適用于半裝配式住宅結(jié)構(gòu),具有適合工廠化生產(chǎn)和機械化施工,施工速度快,節(jié)省資源和能源等優(yōu)點。CTSRC剪力墻的受力特性與傳統(tǒng)剪力墻有較大區(qū)別,在水平地震作用下經(jīng)歷整截面墻體受力和分縫墻體受力兩個階段。目前確定鋼筋混凝土剪力墻受剪承載力的計算公式主要有兩種方法:一種是依據(jù)試驗結(jié)果得到的經(jīng)驗公式,一種是基于受剪力學(xué)機制得到的分析模型。各國規(guī)范中計算剪力墻受剪承載力的公式大多基于第一種方法,如中國規(guī)范、美國規(guī)范等。CTSRC剪力墻具有獨特的受力性能和破壞特征,傳統(tǒng)剪力墻的試驗結(jié)果無法參考,且現(xiàn)有的計算理論和計算方法不能反映其受力機理。本文組合應(yīng)用鋼筋混凝土剪力墻的軟化拉壓桿模型與混凝土界面直剪受力的軟化拉壓桿模型,考慮豎向裂縫處短細斜裂縫間混凝土破壞引起的豎向裂縫兩側(cè)混凝土的滑移,建立了反映CTSRC剪力墻受力機理的受剪承載力分析模型,并對比試驗結(jié)果驗證其合理性。1反復(fù)水平荷載作用下的ctsrc剪力墻文獻通過擬靜力試驗,研究了12個剪跨比小于2.0的CTSRC剪力墻受剪性能,結(jié)果表明,CTSRC剪力墻的受力破壞過程分為兩個階段:①在峰值荷載前,CTSRC剪力墻的受力性能與整截面鋼筋混凝土墻相似,但會出現(xiàn)由細微斜裂縫組成、沿豎向鋼骨發(fā)展的裂縫帶,如圖2a所示;由于裂縫帶兩側(cè)混凝土的豎向相對變形很微小(圖3a),墻體呈整截面受力狀態(tài);豎向裂縫帶避免了墻體出現(xiàn)對角斜裂縫,從而防止了脆性剪切破壞。②在峰值荷載時,豎向裂縫帶兩側(cè)的混凝土豎向和水平相對變形突然增大(圖3);隨著墻體位移角的增大,豎向裂縫逐漸貫通,CTSRC剪力墻由整截面墻逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€大高寬比墻柱組成的分縫剪力墻,如圖2b所示,最終破壞模式為豎向裂縫分割的一系列墻柱彎剪破壞,如圖2c所示。CTSRC剪力墻在反復(fù)水平荷載作用下的典型骨架曲線如圖4所示。A點為峰值荷載點,峰值荷載前OA段墻體處于整截面墻受力階段,AB段對應(yīng)墻體由整截面墻轉(zhuǎn)變?yōu)榉挚p墻的階段,BC段為分縫墻的受力階段。因此,CTSRC剪力墻的受力過程和破壞模式與傳統(tǒng)鋼筋混凝土剪力墻(以下簡稱為RC剪力墻)或型鋼混凝土剪力墻顯著不同。CTSRC剪力墻峰值點后的變形能力較RC剪力墻顯著增大,抗震能力提高;同時,峰值點后CTSRC剪力墻的豎向承載能力沒有明顯降低,抗倒塌能力較強。已有試驗研究表明,達到峰值荷載時CTSRC剪力墻的豎向裂縫帶兩側(cè)的混凝土發(fā)生錯動,因此,以這個關(guān)鍵受力狀態(tài)作為承載力計算分析的依據(jù)。2軟化拉壓桿模型拉壓桿模型分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中不符合平截面假定的區(qū)域具有很好的精度,已成為美國規(guī)范和歐洲規(guī)范推薦使用的分析模型,但拉壓桿模型僅滿足力平衡條件。Hwang等在其基礎(chǔ)上發(fā)展了軟化拉壓桿模型,該模型滿足平衡條件、變形協(xié)調(diào)和物理方程,用于分析RC剪力墻的受剪承載力獲得了較好的效果;同時用于分析混凝土界面直剪承載力,以及梁、柱節(jié)點強度、深梁抗剪強度等,可獲得較為理想的結(jié)果。本文在已有的軟化拉壓桿模型基礎(chǔ)上,提出針對CTSRC剪力墻的拉壓桿-滑移模型,用于計算剪跨比小于2.0的CTSRC剪力墻的受剪承載力。2.1節(jié)點區(qū)變形參數(shù)采用軟化拉壓桿模型分析剪跨比小于2.0的RC剪力墻受剪承載力的原理如圖5所示。圖5a中的陰影部分為RC剪力墻在水平荷載作用下的壓應(yīng)力流區(qū),圖5b為拉壓桿桁架模型:由主對角混凝土壓桿(AB)、水平鋼筋和豎向鋼筋形成的拉桿(EE′和FF′)以及拉桿帶動的混凝土次壓桿(AE′、BE、AF′、BF)共同組成。傳力機制包括對角傳力機制(圖5c)、水平傳力機制(圖5d)和垂直傳力機制(圖5e)。對角傳力機制為一單獨的對角混凝土壓桿;水平傳力機制包含一個水平拉桿和二個壓桿,水平拉桿由墻體內(nèi)的水平分布鋼筋組成,并假定墻體中部有一半的水平分布鋼筋被充分利用,其余的水平分布鋼筋僅發(fā)揮50%的作用,若水平分布鋼筋均勻布置,則水平拉桿為水平分布鋼筋總量的75%;垂直傳力機制中包含一個垂直拉桿和二個壓桿,垂直拉桿由墻體內(nèi)的豎向鋼筋組成,僅考慮墻中央0.8lw范圍內(nèi)的豎向鋼筋。在圖5b中,桁架所受外力包括Vwh、Vwv和Cd,垂直剪力Vwv由拉力T或者外加軸力提供。由圖5b的平衡關(guān)系可得:Vwh=Cdcosθ(1a)Vwv=Cdsinθ(1b)VwvVwh=Ηlh=tanθ(1c)Vwh=Cdcosθ(1a)Vwv=Cdsinθ(1b)VwvVwh=Hlh=tanθ(1c)式中,θ為對角壓桿AB與水平軸的夾角。水平剪力由對角、水平和垂直傳力機制共同抵抗,則:Vwh=-Dcosθ+Fh+Fvcotθ(2)Vwh=?Dcosθ+Fh+Fvcotθ(2)其中,D為對角壓桿壓力,Fh為水平拉桿拉力,Fv為垂直拉桿拉力,均以拉力為正。水平剪力在三個傳力機制中的分配比例為:-Dcosθ∶Fh∶Fvcotθ=Rd∶Rh∶Rv(3)其中,Rd、Rh、Rv分別為斜向、水平和豎向傳力機制傳遞的水平剪力的比值。Rd=(1-γh)(1-γv)1-γhγv(4a)Rh=γh(1-γv)1-γhγv(4b)Rv=γv(1-γh)1-γhγv(4c)式中:γh為垂直機制不參與受力時,水平拉桿所分配的水平剪力比例;γv為水平機制不參與受力時,垂直拉桿所分配的水平剪力比例。γh=2tanθ-13(0≤γh≤1)(5a)γv=2cotθ-13(0≤γv≤1)(5b)軟化拉壓桿模型的破壞準則為對角壓桿、次壓桿在節(jié)點上的合力超過節(jié)點處混凝土的抗壓強度。壓桿在節(jié)點區(qū)產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力為:σdmax=1Astr{D-cos[θ-tan-1(Η2lh)]cos[tan-1(Η2lh)]Fh-cos[tan-1(2Ηlh)-θ]sin[tan-1(2Ηlh)]Fv}(6)式中,Astr為對角壓桿的有效截面積,Astr=awb,aw為墻體受壓區(qū)高度,可取墻體受彎分析得到的受壓區(qū)高度,也可按式(7)Pauly建議的近似公式估算。aw=[0.25+0.85ΝAwf′c]h(7)式中:b和h分別是剪力墻截面寬度和高度;N為墻體所受軸力;Aw為墻體截面積;f′c為混凝土圓柱體軸心抗壓強度。當σdmax=-ζf′c時,剪力墻達到承載力,ζ為混凝土的軟化系數(shù),考慮混凝土開裂后的軟化現(xiàn)象,由式(8)確定。ζ=5.8√f′c1√1+400εr≤0.9√1+400εr(8)式中,εr為主軸拉應(yīng)變。對于整個墻體的平均應(yīng)變,軟化拉壓桿模型滿足變形協(xié)調(diào)條件,即墻體達到對角抗壓強度時,墻體水平應(yīng)變εh、豎向應(yīng)變εv、主軸壓應(yīng)變εd和拉應(yīng)變εr滿足:εd+εr=εh+εv(9)墻體水平應(yīng)變εh和豎向應(yīng)變εv可由拉桿拉力求得:Fh=AshEsεh≤Fyh(10a)Fv=AsvEsεv≤Fyv(10b)式中:Fyh和Fyv分別為水平拉桿和豎向拉桿的屈服力;εh和εv的上限分別設(shè)定為水平和豎向分布鋼筋的屈服應(yīng)變εyh和εyv,如果沒有配置水平或豎向分布鋼筋,則分別設(shè)定εh或εv的上限值為0.002。2.2混凝土界面直剪承載力的數(shù)值模型如圖6所示混凝土界面直剪受力情況,一般發(fā)生界面斜裂縫間混凝土壓潰破壞,文獻給出了采用軟化拉壓桿模型計算混凝土界面直剪承載力的方法。由于平行于剪切面的鋼筋對剪切強度基本沒有影響,僅垂直于剪切面的鋼筋發(fā)揮作用,因此混凝土界面的軟化拉壓桿模型不包括水平傳力機制,只有對角和垂直傳力機制,如圖7所示。采用式(1)～(10),可以計算得到混凝土界面直剪承載力。2.3astro角壓桿指標為了方便使用,Hwang等將軟化拉壓桿模型進一步簡化,得到該模型的簡化算法。簡化算法的計算結(jié)果與理論算法非常接近,并偏于保守。下面以RC剪力墻為例描述簡化算法的過程。RC剪力墻的抗剪強度取決于對角壓桿與節(jié)點交接處混凝土的受壓承載力。剪力墻的對角抗壓強度Cd,n定義為:Cd,n=Κζf′cAstr(11)式中:K為拉壓桿指標;Astr為對角壓桿的有效截面積。則剪力墻的承載力為:Vu=Cd,ncosθ=Κζf′cAstrcosθ(12)簡化計算時,混凝土軟化系數(shù)可根據(jù)水平和垂直方向應(yīng)變εh和εv為0.002,混凝土主軸壓應(yīng)變?yōu)棣興為0.001,由式(9)得到其主軸拉應(yīng)變εr=0.005,代入式(8),得到軟化系數(shù)為:ζ=3.35√f′c≤0.52(13)拉壓桿指標K反映剪力墻內(nèi)力傳遞路徑的多少,即:Κ=Κh+Κv-1(14)式中,Kh和Kv分別為水平和垂直拉桿指標,定義如下:Κh=1+(ˉΚh-1)FyhˉFh≤ˉΚh(15a)Κv=1+(ˉΚv-1)FyvˉFv≤ˉΚv(15b)式中,ˉΚh和ˉΚv分別為彈性水平拉桿和彈性垂直拉桿指標,定義為:ˉΚh=11-0.2(γh+γ2h)(16a)ˉΚv=11-0.2(γv+γ2v)(16b)ˉFh和ˉFv分別為水平拉桿和垂直拉桿的平衡拉力值,表示當拉桿屈服時混凝土壓桿同時達到抗壓強度的平衡拉桿力,定義為:ˉFh=γhˉΚhζf′cAstrcosθ(17a)ˉFv=γvˉΚvζf′cAstrsinθ(17b)2.4拉壓桿-滑移模型的簡化組合CTSRC剪力墻在水平荷載作用下,沿冷彎薄壁型鋼的宏觀豎向裂縫處的短細斜裂縫把混凝土分割成許多小的斜向短柱(圖8),在峰值荷載時宏觀豎向裂縫兩側(cè)混凝土發(fā)生豎向滑移,斜向短柱在斜向壓力作用下,表面混凝土逐漸突起、掉渣,進而壓潰破壞(圖9)?；谶@種受力特點,本文將鋼筋混凝土剪力墻的軟化拉壓桿模型與混凝土界面直剪受力的軟化拉壓桿模型相結(jié)合,建立反映CTSRC剪力墻受力機理的分析模型;分析模型考慮豎向裂縫處短細斜裂縫間混凝土破壞引起的豎向裂縫兩側(cè)混凝土的滑移,稱為“拉壓桿-滑移模型”(softenedstrut-and-slipmodel),用于計算剪跨比小于2.0的CTSRC剪力墻的受剪承載力。拉壓桿-滑移模型的傳力機制如圖10所示,其整體受力模型為前述軟化拉壓桿模型。由于墻板中宏觀豎向裂縫處短細斜裂縫間混凝土?xí)簼⑵茐?圖10a),故將模型中的對角壓桿簡化為圖10b帶剪切滑移界面的混凝土壓桿。斜壓桿壓力D的水平和豎向分力分別為Dh、Dv,平行于冷彎薄壁型鋼的分力Dv會引起滑移面的剪切破壞。采用拉壓桿-滑移模型計算CTSRC剪力墻的受剪承載力分為兩步:首先由軟化拉壓桿模型計算整截面墻混凝土壓桿的壓力和截面積,確定壓桿上宏觀豎向裂縫處的剪切面面積和受力;然后采用軟化拉壓桿模型計算宏觀豎向裂縫處剪切面的受剪承載力,并據(jù)此確定墻體受剪承載力。在計算宏觀豎向裂縫處剪切面的受剪承載力時,水平拉桿拉力(平行于滑移面)為0,軟化拉壓桿模型只包括對角和垂直傳力機制。垂直拉桿拉力由混凝土壓桿范圍內(nèi)的墻體的水平分布鋼筋提供。根據(jù)試驗觀察結(jié)果,豎向裂縫處的短細斜裂縫傾角與墻體斜裂縫傾角基本相同,因此假定剪切面斜裂縫方向與整截面墻混凝土壓桿方向相同。冷彎薄壁型鋼腹板將豎向裂縫處的混凝土分隔開,因此計算豎向裂縫處剪切面的受剪承載力時,受力面積不包括冷彎薄壁型鋼腹板鋼材與混凝土的接觸面積。冷彎薄壁型鋼腹板與混凝土接觸面會產(chǎn)生摩擦力抵抗滑移。根據(jù)表面銹蝕程度不同,鋼板與混凝土間的摩擦系數(shù)的變化范圍為0.20～0.60,其中無銹鋼材表面與混凝土的摩擦系數(shù)約為0.20～0.25,本文中取為0.20。如果冷彎薄壁型鋼對墻體混凝土截面的削弱作用較小,或者墻體剪跨比、水平分布鋼筋配筋率發(fā)生變化,峰值荷載時CTSRC剪力墻宏觀豎向裂縫處混凝土可能不發(fā)生破壞,采用軟化拉壓桿模型計算的整截面墻的受剪承載力會小于拉壓桿-滑移模型的計算結(jié)果,此時取較小的計算結(jié)果作為CTSRC剪力墻的受剪承載力。拉壓桿-滑移模型計算CTSRC剪力墻受剪承載力的流程如下:(1)設(shè)定計算起始承載力值V1,采用軟化拉壓桿模型計算整截面墻混凝土壓桿壓力D和截面積;(2)計算壓桿壓力D在剪切面上的水平和豎向分力Dh和Dv(圖10);(3)按照軟化拉壓桿模型計算剪切面是否達到受剪承載力,如果剪切面沒有達到受剪承載力,則V1=V1+ΔV1,轉(zhuǎn)到步驟(1)繼續(xù)計算,否則輸出結(jié)果;(4)計算剪切面上型鋼腹板與混凝土間的摩擦力,得到克服摩擦力所需的墻體水平作用力V2;(5)計算CTSRC剪力墻沿豎向裂縫發(fā)生滑移時的受剪承載力Vwh2;(6)計算無豎向滑移面的整截面墻的受剪承載力Vwh1;(7)取步驟(5)和(6)的較小值作為CTSRC剪力墻受剪承載力計算值。3拉壓桿-滑移模型的受剪承載力本課題組進行了15片CTSRC剪力墻受力性能試驗,其中12片發(fā)生剪切破壞;試件的參數(shù)、承載力試驗值和采用拉壓桿-滑移模型的計算值見表1。由于W4-W1R1為斜拉破壞,所以表1中列出11個墻體的信息,軟化拉壓桿模型采用簡化算法計算。圖11顯示了試驗值和計算值的比較。由表1和圖11可知,試件的承載力試驗值與本文建議的模型計算值的比值的平均數(shù)為1.068,標準差為0.083,說明拉壓桿-滑移模型能夠較為準確地評估CTSRC剪力墻的受剪承載力。除W2-W0R1外,其余墻體的承載力試驗值都大于計算值,表明采用拉壓桿-滑移模型計算配有水平分布鋼筋的CTSRC剪力墻承載力計算結(jié)果偏于保守。表1中的W3-