摘 要:依据试验资料论述钢筋混凝土有边框剪力墙的工作机理和强度性能,综合分析剪跨比、配筋率、混凝土强度等因素对剪力墙抗剪强度的影响。
关键词:剪力墙;剪跨比;抗剪强度;混凝土;钢筋
随着国民经济的发展,框架剪力墙是高层建筑中经常采用的结构体系。一般剪力墙可分悬臂剪力墙、开口剪力墙、带边框剪力墙等,见图l。有边框剪力墙是指在框剪结构中,剪力墙往往和梁柱结合在一起的形式。剪力墙形式选择要结合实际工程、施工条件和受力要求等综合考虑。
(a)悬臂剪力墙 (b)开洞剪力墙 (c)带边框剪力墙
图1 剪力墙形式带有边框剪力墙
的抗剪机理目前尚未完全清楚,日本规范所采用的计算公式只是大致接近其水平抗剪力,忽略了许多与抗剪强度有关的重要因素的影响。各因素所起的作用,主要的取决于受力状况和各因素之间量的相对比值。取两组试件,试验结果如下:第一组混凝土标号略大于第二组,而截面形式和配筋均相同,但柱子上所加轴力荷载第一组是64kn,第二组为128kn,结果前者为弯曲破坏,后者为剪切破坏。这主要是由于柱子上的轴向力阻碍了弯曲屈服所致。故剪力墙所受轴向荷载的大小,会影响破坏形式;不同破坏形式,各因素所起的作用就不同。各因素量的相对比值,同样会影响各因素的作用。如调整抗弯和抗剪钢筋量的比值,可以控制剪力墙的破坏形式。如同样尺寸的剪力墙增加抗弯钢筋会促使剪力墙发生剪切破坏,对抗剪强度影响较大的诸因素作用就更明显。至于影响抗剪强度各因素量相对比值的改变,对抗剪强度影响到底有多大,目前尚无足够资料加以说明,但可以得到定性的分析。
一、应力对剪力墙的影响
1.剪跨比的影响
随着剪跨比的增大,最大承载力和屈服承载力就减小,极限变形能力就上升,但剪跨比对抗剪强度的影响有一定的界限。当剪跨比小时,类似深梁,剪跨比的作用较大;当剪跨比较大时,类似浅梁,剪跨比影响不大。我国《高层建筑设计规程》jgj3一91规定偏心受压的抗剪强度,承载力验算公式如下(当偏心受拉时取“一”号):无地震作用组合时
v≤1λ-0•5(0•5f1bwhw0+0•13nawa)+fyhashshw。有地震作用组合时
v≤vs1γre1λ-0•5(0•4f1bwhw0+0•1nawa)+0•8fyhashshw0
式中:v—地震作用组合的剪力墙墙肢底部加强部位截面的剪力设计值;
a—剪力墙截面面积;
λ—计算截面处的剪跨比。计算时,当小于1.5时应取1.5,当>2.2时应取2.2,当计算截面与
墙底之间的距离小于0.5hw0时,λ应按距离墙底0.5hw0处的弯矩值与剪力值计算;aw—i形或t形截面剪力墙腹板面积,矩形截面时取a;
n—剪力墙的轴向压力设计值,抗震设计时,应考虑地震作用效应组合;当n>0•2fcbwhw时,则
取0•2fcbwhw;fyh—剪力墙水平钢筋抗拉强度设计值;ash—配置在同一截面内水平钢筋各肢面积总和;s—剪力墙水平钢筋间距;γre—承载力抗震调整系数;hw0—剪力墙腹板的净高度。
我国同日本、美国等国家对剪跨比的考虑还不同,从中可以看出人们对剪跨比对剪力墙抗剪强度的影响还不够清楚。考虑一根梁剪跨比的影响,实际上就是要考虑双向正应力间翅,如图2所示。梁内一微元体,除考虑x向正应力外,还要考虑y向正应力,与微元体上的剪应力组合成斜向主压应力,形成所谓拱的作用。采用双向应力形式,造成计算上的复杂。习惯上,就采用剪跨比λ的统计公式来考虑其影响,统计对象的不同,必然会造成统计结果的差异。
2•轴向压力的作用
试验证明,带边框剪力墙,随着轴向压应力增
加,抗剪强度将提高,剪力墙的最终破坏取决于受压侧柱斜裂缝的出现,受压侧柱增加适当数量的压应力将会推迟斜裂缝的出现从而提高了抗剪强度。对于墙板来说,在出现交叉裂缝以后,见图3,棱形小块间如增加适当数量的压应力,又在边框约束下,同样会提高抗剪强度。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》中已考虑了轴向压力对抗剪强度的提高。
二、混凝土强度及边框对抗剪强度的影响
1•混凝土强度的作用
在墙板面出现剪切裂缝后,有边框裹紧的剪力墙,混凝土的抗剪作用目前还有许多问题没有解决,从各国的抗剪强度公式中可以看出混凝土对抗剪强度有影响,但各国所考虑的方法和表达形式上各有差异。从试件的最终破坏形式上看,当试件的边框柱出现斜向裂缝时,几乎同时出现墙角压碎,强度下降。无论是边框柱的斜向裂缝,还是墙角压碎,这都与混凝土强度有关。对于高层剪力墙,抗剪作用主要靠受压区混凝土,混凝土标号会提高剪力墙的抗剪强度。
2•边框作用
建研院结构所曾经对有边框剪力墙的受力性能作过实验,认为剪力墙在每层楼面设置框架梁,
其刚度及抗剪强度稍有提高,剪切破坏后的后期性能有些改善
图4 横梁作用
日本结构实验证明,当边框不强时,墙板发生剪切裂缝,剪力墙所承担的剪力降低,由于剪力重
分配,可引起柱子端部的破坏;当框架刚度较大时,墙板在发生滑动状或斜向压破之前,还能承受不断增加的水平剪力。所以在日本规范中,对边框梁、柱的截面及边长尺寸有所要求,墙板发生剪切裂缝成为不等向柱,而向四周变形,边框对此提供约束,促使墙板全部面上产生剪切裂缝,吸收一定量的剪切应变能。从两国对剪力墙的研究结果中可以看出:水平横梁对多层剪力墙会提高墙体的极限强度,对高层剪力墙未必有用。我们所提到的横梁的作用仅指对强度的提高而言。在剪跨比大的梁中,能见到剪拉破坏,而在日本的《建筑构造部件的耐震强度解析》所做的实验中末发现有剪拉破坏,可能是由于横梁的存在,从而防止了剪拉破坏。在实际工程中经常遇见剪力墙上开洞情况,而且开的洞很不规则。如果在上下洞口之间加设横梁,对垂直力的传递有良好作用,如图4。我们从一些试件试验结果的分析中得知加大边框柱面积会提高剪力墙的抗剪强度。通过日本对多个剪力墙试件破坏型式统计结果表明:矩形截面剪力墙没有一个发生剪切开裂,而带边框剪力墙有68%发生剪切开裂。矩形截面的剪力墙有60%发生弯曲
破坏,而带边框剪力墙仅有20%发生弯曲破坏。
三、钢筋对剪强度影响
1•纵向钢筋的作用
从试验结果可见:开裂荷载与柱子主筋量无关。剪力墙的承载力随柱子纵筋量的增加而提高,
极限变形可减少。这主要是销栓作用限制变形发展,而通常剪切变形占总变形相当大的一部分。纵向钢筋对抗剪提供的强度,主要是销栓作用。剪力墙承受外力时,最大弯矩发生在柱根,而通过边框柱的剪切裂缝则在上部如图5所示,故边框柱的纵向钢筋销栓作用不削弱剪力墙的抗弯强度而充分发挥。
2•墙板钢筋的作用
按日本资料中介绍:如果边框截面和墙厚一定,墙板的钢筋比逐渐增加,可以认为剪力墙的抗
剪强度也随钢筋比的提高而提高,如按图4所做的
图5 剪切裂缝位置
试验可得出墙筋的配筋量几乎不影响强度和韧性。对于剪跨比较小的试件,拱的作用在抗剪强度中起主要作用。因此,抗剪强度主要取决于混凝土的强度,墙板钢筋不能完全发挥其作用,深梁的抗剪强度随着腰筋的增加而稍有提高,但提高有限。
3•边框柱箍筋的作用
板墙的剪切裂缝我们认为是主拉应力引起的,实际上虽然墙板也承受垂直荷载,但裂缝方向几乎沿45°方向倾斜。这一事实,在震害中的剪力墙也能见到。两条裂缝间的混凝土柱体,两端作用着主压应力,这种主压力对边框杆产生剪力,如图6。从实验结果中看出,边框梁柱端都是墙板裂缝易于贯通破坏的部位,为此该部位应在构造上给予加强。另外,从日本实验研究中可以认为柱子的箍筋量是造成破坏的重要因素。对边框梁,柱端部除构造要求外,在剪力计算公式中还体现了边框柱箍筋所提供的抗剪强度。该公式考虑柱子的抗剪强度包括受拉区柱和受压侧柱的抗剪强度。从剪力墙破坏特征看来,受拉侧柱出现水平裂缝,方向与箍筋平行,又因裂缝沿整个柱截面展开,则受拉侧柱箍筋量和混凝土无从提供抗剪强度。这种算法只是强度在数值上的替代,并非是实际的受力机理。
图6 压力对边框的影响
由此可见,影响抗剪强度的因素很多,各因素间还有相互作用,这使问题复杂化,现在我们只能
做定性认识。
四、结论
1•边框横梁对于小剪跨比的多层剪力墙结构的抗剪强度将有所提高,从中日两国试验结果看,
抗剪强度提高的程度将随横梁间距的加密而提高。即横梁间距越密,提高越多。横梁对剪力墙能防止墙体的剪拉破坏。
2•受拉侧柱的纵向钢筋,因为销栓作用,可提高剪力墙的抗剪强度,并可减少剪力墙的剪切变
形。加大边框柱截面,可提高抗剪强度。
3•对于高墙来说,墙筋可提供抗剪强度,但对于矮墙,墙筋可能全面屈服。这就是说,随着剪跨
比的减小,墙筋所提供的抗剪强度应有所折减。
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