短肢剪力墙轴压比限值研究(可编辑)

短肢剪力墙轴压比限值研究(可编辑) 短肢剪力墙轴压比限值研究 南京航空航天大学 硕士学位论文 短肢剪力墙轴压比限值的研究 姓名:华新钰 申请学位级别:硕士 专业:结构工程 指导教师:黄东升 20080301南京航空航天大学硕士学位论文 摘 要 短肢剪力墙是近年来在我国兴起的一种新型抗侧力构件,它既保留了异形柱 结构不凸出墙面的优点,同时又克服了异形柱结构抗震性能不理想的缺点,而且 与普通剪力墙相比,又具有质量轻、开洞率大、延性更好等优点,因此短肢剪力 墙已在我国多、高层建筑中得到了广泛的应用。但是由于短肢剪力墙出现得较晚, 目前对它的研究工作还很少,主要的学术论文全部都是国内学者发表的,国外并 没有关于短肢剪力墙方面的论文发表。因此短肢剪力墙的设计和理论还没有形成 一套完整的体系,这给设计工作带来了一定的盲目性,很多设计人员在设计的工 作中不得不尽量避免使用这一结构形式,阻碍了短肢剪力墙结构的进一步推广。 本文在前人的研究基础之上,导出了短肢剪力墙墙肢轴压比限值的理论公 式,并通过模型试验,验证短肢剪力墙在施加了竖向荷载后的破坏形态和延性。 内容包括: 1. 导出了短肢剪力墙墙肢轴压比的计算公式,包括一字形墙肢截面和T形墙肢 截面并给出了各抗震等级下的轴压比的限值;2. 制作了一榀4层对称双肢短肢剪力墙构件,并进行了低周反复水平荷载的试 验,研究了加有竖向荷载的短肢剪力墙的滞回特性、破坏形态。 3. 分析了试验结果提出了短肢剪力墙是一种具有良好的抗震性能的结构形 式。 关键词: 剪力墙,短肢剪力墙,轴压比限值,抗震性能,低周反复荷载i短肢剪力墙轴压比限值的研究 Abstract Short pier sheer wall is a new type component to resistant lateral load acted on buildings, which springing up in China in the recent years. Some excellences of irregular cross-section column frame such as no extrusive columns appeared in the wall or at the corner of the room are reserved. On the other hand, some shortages of them such as the bad performances of seismic resistance are overcome by employing the shear wall with short piers instead of the irregular cross-section column frame in the building constructions.And Compared with ordinary shear wall,short pier sheer wall is more lighter, more higher opening rate and more better ductility. For those reasons the short pier shear walls are widely used in the middle or high-rise buildingsHowever, there are no complete theories available to guide the design of this type of shear walls due to the lack of research on it. Published research papers mainly came from domestic, there is no paper can be found composed by oversea researchers. So many structure designer avoid to use this new type component, and this is an obstacle for short pier sheer wall to be more widely used Based on previous researches,this dissertation is going to do some further research on the aseismic performance of short pier sheer wall. The mechanical behaviors, failure patterns, and dynamic performances of short pier shear walls with vertical load are studied by theoretic analysis of the limit value of axial compression ratio of the pier in short pier sheer wall and experimental research. The main contents are as follows1. Educed the formula of axial compression ratio and the limit value of it, including rectangular section and ‘T’ section pier2. The experiment for one 1/4 scaled 4-story models of short pier sheer wall under the concentrate cyclic lateral load and vertical load at the top of the wall was implemented. According to the experiment result the failure patterns and hysteretic property were analysed3. Gained a conclusion that the short pier sheer wall is a kind of excellent ii 南京航空航天大学硕士学位论文 component to resistant lateral load acted on buildings Key words: sheer wall, short pier sheer wall, limit value of axial compression ratioaseismic performance, cyclic load reversals, iii短肢剪力墙轴压比限值的研究 图表清单 图 2.1双肢对称短肢剪力墙在均布侧向荷载作用下的墙肢弯矩 图.6 图 2.2双肢对称短肢剪力墙在倒三角形侧向荷载作用下的墙肢 弯矩图..7 图 2.3双肢对称短肢剪力墙分析的有限元模型..7 图 2.4 短肢剪力墙组合截面.9 图 2.5 短肢剪力墙组合截面..10 图 3.1 矩形截面短肢剪力墙受压界限破坏简图18 图 3.2 T形截面界限破坏受压区域示意图.21 图 3.3 T形截面短肢剪力墙受压界限破坏简图错误!未定义书 签。 图 4.1 试件立面图26 图 4.2 墙肢横截面图..26 图 4.3 墙肢及连梁配筋图27 图 4.4 加载装置图29 图 4.5 竖向加载装置转动铰详图29 图 4.6 加载.30 图 4.7 试件破坏图32 图 4.8 试件底部破坏图.33 图 4.9 连梁破坏图33 图 4.10 试验滞回曲线36 图 4.11 试件骨架曲线图..37 图 4.12 刚度衰减曲线图..38 图 4.13 试件塑性铰出现顺序38 表 2.1 系 数[, ].8 表 2.2 200mm厚双肢短肢剪力墙肢高厚比最小值[ β ].13vi 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 α短肢剪力墙的整体性系数 ,短肢剪力墙的肢强系数短肢剪力墙组合截面的惯性矩 I I截面二次矩 n 墙肢的截面积 A β墙肢的最小肢高厚比 N 轴力设计值 f混凝土抗压强度设计值 c A墙肢截面分布钢筋 ss 钢筋线密度 Ass ' A、A 受拉、压钢筋面积 s s o ε 混凝土极限压应变 cu o ε 钢筋屈服抗拉应变 y o ξ相对界限受压区高度 b α 受压区混凝土应力图应力值与砼抗压强度设计值的比值 1 o [n ] 矩形截面短肢剪力墙墙肢的轴压比限值的实验值 r [n] 矩形截面短肢剪力墙墙肢的轴压比限值的设计值 r ρ 墙肢截面分布钢筋的配筋率 ss o T形截面短肢剪力墙墙肢的轴压比限值的实验值 [n ] T [n]T形截面短肢剪力墙墙肢的轴压比限值的设计值 T o ζ 未屈服钢筋应力 s 刚度退化值 Kvii承诺书 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用的 内容 外,本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件,允 许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的学位论文在解密后适用本承诺书 作者签名: 日 期:南京航空航天大学硕士学位论文 第一章 绪论 1.1本文的研究目的和意义 短肢剪力墙是我国工程师提出的一种新型结构形式,自上世纪 90年代在广 东被首次应用于工程实践以来,得到了越来越广泛的应用。它既满足了人们对 住宅日益多样化的要求,又缓解了城市建设用地紧张的矛盾。因此,建设部已 将其列为一种新型住宅体系加以推广。 目前建造的 20层以下的住宅大都选用了短肢剪力墙结构体系, 由于短肢剪 力墙构件在几何形状上的多样性,使得采用短肢剪力墙作为受力构件的建筑拥 有令人赏心悦目的平面布置,墙肢可以与填充墙具有相同的厚度,从而可以隐 含于墙体内而不出现凸出的部分,避免了矩形柱凸出墙角的弊端。同时由于短 肢剪力墙的墙肢比普通剪力墙的墙肢短很多,使得建筑立面上可以开设较大的 洞口,给建筑设计立面带来了很大的创作空间,因此与普通剪力墙相比,短肢 剪力墙结构体系布置更灵活,建筑功能容易满足,尤其适用于建造 11至 20层的 住宅,即所谓的小高层住宅,且造价相对于普通的剪力墙结构较低。 由于短肢剪力墙开洞大,使得建筑物的侧移刚度较小,结构自重比较轻,地 震作用也就相应的减小,从而使得结构构件的截面和配筋量有所减小。短肢剪 力墙是高剪力墙,故水平荷载作用下墙体的破坏一般都呈弯曲型。同时连梁截 面的跨高比大,故连梁的破坏也呈弯曲型。研究表明在地震作用 下短肢剪力墙 具有良好的延性和耗能能力。 由于这种结构的出现较晚,所以目前对它的研究还不够充分。由文献检索知, 国外还没有关于短肢剪力墙的文献和工程报导,国内发表的论文已只有 300多 篇。但大多数只是从工程应用的角度介绍了短肢剪力墙的应用,只有为数不多 的几篇从理论或试验上对短肢剪力墙的力学性能、动力特性等几个方面进行了 分析,对工程设计有一定的指导意义。 我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)规定,短肢剪力墙是指 墙肢截面的高度与厚度之比为 5到 8的剪力墙。但由于缺少研究,仅对短肢剪 力墙的布置、抗震等级以及轴压比等比普通的剪力墙采取了更严格的限制。而 1短肢剪力墙轴压比限值的研究 对短肢剪力墙的计算模型、适用高度、构造措施等没有作明确的说明。因此, 有必要对短肢剪力墙进行系统的研究工作,对短肢剪力墙结构的定义、力学性 能、破坏形态、动力特性以及设计方法等进行系统的研究,形成一套完整的设 计理论,从而可以丰富和完善我国的相关和规程,使得短肢剪力墙的设计 做到有据可依、经济合理。从而对进一步推广短肢剪力墙的应用作出一定的贡 献。1.2 国内外研究现状 国外没有关于短肢剪力墙的研究和工程应用,但是近些年来国内已有若干 关于短肢剪力墙的方面的文章被EI、ISTP、CSA检索,可见国外对短肢剪力墙的 研究是较为重视的。 短肢剪力墙结构是我国工程师提出的一种结构体系。容柏生院士最早指出 短肢剪力墙结构体系的概念,并阐述了短肢剪力墙结构体系布置的一般原则和 结构特点,讨论了结构设计中的楼盖形式,结构转换层以及结构分析的墙元模 型等问题,概述了短肢剪力墙结构在广东省的工程实际应用情况。 我国现行《高层建筑混凝土结构技术规程》(JDGJ3-2002)将短肢剪力墙 定义为:短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比(即肢高厚比)为5~8 的剪 力墙。即短肢剪力墙应满足5 ? h b ? 8,其中,h为墙肢截面的高度,b 为墙 c w c w 肢截面厚度,但是规范没有说明其定义的意义。东南大学程文?教授综合考虑 了整体小开口墙、联肢墙和壁式框架的受力性能,从经济和安全的角度出发, 提出应将短肢剪力墙设计成联肢墙。并提出以联肢墙的整体性系数α和另一个 表征墙肢强弱的系数即肢强系数,来界定短肢剪力墙。指出,短肢剪力墙是满 足条件α 10,I I ? [, ]的联肢墙。其中,I为剪力墙对组合截面形心的惯性 n 矩, I 为各墙肢截面面积对组合截面形心二次矩之和。文献[6]根据上述思想, n 进一步阐明了短肢剪力墙的判别公式,指出界定短肢剪力墙墙肢截面高度的主 要因素是楼层高度、楼层层数、肢距和连梁高度。并指明短肢剪 力墙是介于联 肢墙与异形框架柱之间属于联肢墙的一种界限情况。与一般的联肢墙相比,它 的墙肢截面高度要短些,但它仍属于剪力墙的范畴,就像界限配筋梁也属于适 筋梁的范畴一样。 近年来,国内许多高校和科研院所的研究人员针对短肢剪力墙结构进行了 2 南京航空航天大学硕士学位论文 大量的理论分析与试验研究,许多工程师也从工程实践的角度对短肢剪力墙的 设计提出了大量的建议。 [5] 黄东升 等基于等代框架法的有限元模型,应用带刚域的弹塑性杆单元来模 拟短肢剪力墙的连梁,并考虑剪切变形影响,对肢强系数、整体性系数、翼缘 宽度和连梁配筋率等参数不同的短肢剪力墙进行了弹塑性分析,研究了这些参 数对短肢剪力墙弹塑性性能的影响.结果表明,在墙肢截面和配筋率一定时, 随着肢强系数的增加、整体性系数的减小和连梁配筋率的降低, 短肢剪力墙的 承载能力降低,延性增加;而随着墙肢翼缘宽度的增加,短肢墙的承载力和延 性都增加。 [6] 2004年,武汉理工大学高湛 等对2组6个短肢剪力墙SLW试件进行了低周 反复荷载作用下的试验研究, 同时利用有限元软件ANSYS对上述试验进行非线 性有限元分析,结果表明:无翼墙试件和有翼墙试件在单调荷载下的荷载-位移 曲线存在一定的差别。无翼墙试件的曲线线型变化较陡。延性较有翼墙试件差。 说明无翼墙短肢剪力墙结构的抗震性能较差。 [7] 2005年,南京航空航天大学黄东升 教授采用半解析法导出了任意肢数短肢 剪力墙结构的侧移刚度矩阵。所用方法在推导短肢剪力墙侧移刚度矩阵时,考 虑了所有楼层之间的相互影响,因而得到的结果比传统的剪切型模型更能反映 结构的实际状况。通过对一榀双肢对称短肢剪力墙的分析表明, 该方法所得出 的结果与有限元法的结果能较好地吻合。 [8] 1998年,天津大学建筑设计研究院丁永军 建立了短肢剪力墙结构层间侧移 计算力学模型??带刚域的十字形梁柱组合单元,在考虑了梁、柱弯曲、剪切 变形影响的基础上,推导出了层间屈服侧移、极限侧移及层延性的计算公式。 [9] 2004年,西安建筑大学张军谋 等通过对短肢剪力墙受力分析与研究,考虑 了翼板的“剪力滞后”效应,构造了新的纵向位移函数,利用能量变分原理导 出了考虑剪滞效应和剪切变形的控制方程和边界条件,并以控制方程的解析解 为形函数,利用边界条件和刚度法建立了异形截面短肢剪力墙的统一单元刚度 矩阵,并利用空间变换原理建立了空间分析刚度矩阵。通过算例并和其它分析 模型比较,结果表明其方法能求得较满意的结果。 近年来的大量研究使国内学术界对于短肢剪力墙结构的受力、变 形、抗震 性能取得了一定的共识。3短肢剪力墙轴压比限值的研究 1.3 主要研究内容和方法 本文主要在以下几个方面进行研究: 1.短肢剪力墙墙肢轴压比限值; 为了确保短肢剪力墙的受力破坏时延性破坏,根据柱轴压比的计算方法推出 了短肢剪力墙墙肢轴压比的计算公式并给出了轴压比的限值。 2.有竖向荷载的短肢剪力墙的拟静力实验; 目前国内对短肢剪力墙的实验研究已经做了很多,然而关于墙肢轴压比的实 验研究还未见报道。本文将就这方面进行试验研究。通过实验,进一步研究短 肢剪力墙的受力性能。进行了一榀4层1/4缩尺的对称双肢短肢剪力墙的拟静力 实验,研究了加有竖向荷载的短肢剪力墙的滞回特性、破坏形态。 3.分析了实验结果提出了短肢剪力墙是一种具有良好的抗震性能的结构形 式。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章 短肢剪力墙的定义 2.1 引言 如前所述我国现行《高层建筑混凝土结构技术规程》(JDGJ3-2002) 将短 肢剪力墙定义为:短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比(即肢高厚比)为5~ 8 的剪力墙,但是并没有给出这样定义短肢剪力墙的理由,所以明确短肢剪力 墙的定义是今后理论研究的基础。 通过对8层、10层和 12层双肢对称联肢墙在水平均布荷载和倒三角形分布 荷载作用下的弹性有限元分析,依据只在少数楼层的墙肢中出现反弯点的规则, 补充了整体性系数 时的系数 。进而导出了短肢剪力墙的最小肢高厚比公 α 10 , 式,并给出了墙厚为 200mm时最小肢高厚比设计表格。最后研究了翼缘的宽度 对墙肢弯矩、应力和墙体侧移的影响。结果表明,翼缘的宽度对短肢剪力墙在 侧向荷载作用下的墙肢弯矩、墙肢截面的水平剪应力影响较小。当翼宽翼厚比 不大于12时,墙肢横截面的法向应力和墙体的侧移随翼宽的改变而显著变化, 而当翼宽翼厚比大于12时这种变化不显著。 2.2 短肢剪力墙的定义 剪力墙按其高度与宽度的比值可分为低剪力墙、中高剪力墙和高剪力墙三 种,本文研究的短肢剪力墙只限于后两种。 具有规则洞口的剪力墙,其受力性能与洞口的形状和大小密切相关。而洞口 的大小直接关系结构的经济指标。洞口面积大,耗材少,经济性好。文献[10] 按照两个参数 、,,把这种剪力墙分为三类:整体小开口墙、联肢墙和壁式框 α 架。其中,系数α是反映连梁对墙肢总约束刚度的参数,称为整体性系数,系数 , 反映了墙肢相对于组合截面的强弱,称为肢强系数。当α ? 10,, ? [, ]时为整体 小开口墙;当 , 时为联肢墙;当 , 时为壁式框架。整体 α 10 , [, ] α 10 , [, ] 小开口剪力墙力学性能接近整截面墙,水平力作用下,墙体变形以整体弯曲为 主,大多数楼层墙肢没有反弯点,侧向刚度大,但洞口面积小,经 济指标差些。5短肢剪力墙轴压比限值的研究 壁式框架的连梁约束刚度很大,墙肢相对较弱,在侧向荷载作用下墙肢以 局部弯曲为主,几乎每层墙肢都有反弯点,力学性能接近框架。而联肢墙在水 平荷载作用下,以整体弯曲为主,大多数楼层没有反弯点,侧向刚度比框架的 侧向刚度大得多。因此,文献[10]从经济与安全的角度出发,建议将短肢剪力墙 设计成联肢墙的界限情况,即它的墙肢截面高度应尽可能小,直到再小就成为 框架了。因此,短肢剪力墙实际上是联肢墙中墙肢截面高度与墙厚的比值为最 小的一种联肢墙。由于其墙肢高度小,故称之为短肢剪力墙。 2.3 短肢剪力墙的参数, 2.3.1 对参数,的补充 许多文献都给出了α ? 10时的系数[, ]值。而短肢剪力墙的整体性系数α小 于10,没有现成的[, ]值。为了弥补这种不足,以便定量地给出短肢剪力墙墙肢 截面肢高厚比的最小值,文献[11]采用了文献[13]中求[, ]值的方法,通过有限元 法对 154片α、ξ各不相同的 8层、10层、12层对称双肢剪力墙进行了弹性分 析,按只在少数楼层出现反弯点的要求,得出了 4 ? α 10时的系数[, ]值, 见表 2.1。其中,α 10时的[, ]值取自文献[13],有限元模型见图 2.3。分析过程中 分别考虑水平均布荷载和倒三角形分布荷载两种情况,将墙肢混凝土视为均质弹 性。 22.4 28.0 33.6 30.8 25.2 19.628.0 22.4 16.8 25.2 19.6 1 α4.0 ,0.967 1 α4.0,0.97722.4 1 α4.1 ,0.905 14.0 2 α6.1 ,0.931 2 α6.1,0.958 16.8 2 α6.0 ,0.880 19.6 3 α8.0 ,0.918 3 α8.1,0.952 11.2 3 α8.0 ,0.850 14.016.8 14.0 11.2 8.4 11.28.4 2 5.6 8.4 1 1 1 5.6 5.62.8 2 2.8 3 2.8 2 3 30.0 0.0 0.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0-0.500.5 -8 -7 -6 -5-4-3 -2 -1 0 1-14 -12-10 -8 -6 -4 -2 02 3 3 Moments X10 KN. m 3 Moments X10 KN.m Moments X10 KN.m a 8层短肢剪力墙 b 10层短肢剪力墙 c 12层短肢剪力墙 图 2.1双肢对称短肢剪力墙在均布侧向荷载作用下的墙肢弯矩 图 6 Hight of wall m Hight of wall m Hight of wall m 南京航空航天大学硕士学位论文 22.4 28.0 33.6 30.8 25.219.6 28.0 22.416.8 25.2 19.6 22.4 1α4.0 ,0.994 14.0 1α4.0 ,0.988 16.8 2α6.0 ,0.969 19.6 1α6.0 ,0.985 2α6.1 ,0.9643α8.1 ,0.952 2α8.0 ,0.978 11.2 16.8 14.0 3α8.0 ,0.931 14.011.2 8.4 11.2 8.41 5.6 8.4 5.6 1 5.61 2.8 3 2 2 2.8 2 2.83 0.0 0.0 0.0 -10 -8 -6 -4 -2 02 -4.5 -3-2 -1 0 1 -12-10 -8-6 -4 -2 0 2 3 3 3 Moments X10 KN.m Moments X10 m Monents X10 KN.m a 8层短肢剪力墙 b 10层短肢剪力墙 c 12层短肢剪力墙 图 2.2双肢对称短肢剪力墙在倒三角形侧向荷载作用下的墙肢弯矩图 a 均布荷载 b 倒三角形荷载 图 2.3双肢对称短肢剪力墙分析的有限元模型 取模型层高为 2.8m,墙厚为 0.2m,墙肢截面为矩形,所用的分析程序为 SAP2000。 图 2.1、图 2.2分别给出了均布荷载和倒三角形荷载作用下α、 [, ]分别等于表2.1 中的数值的墙肢弯矩图。图中,弯矩值为零的点就是墙肢上的反弯点。由图可以 看出反弯点大多出现在六至八层,且随着α值的增大出现反弯点 的楼层将上移。7 Hight of wall m Hight of wall m Hight of wall m 短肢剪力墙轴压比限值的研究 表2.1系 数[, ] 层 数 均布荷载 倒三角形荷载 α 8 10 12 8 10 12 4 0.905 0.967 0.977 0.988 0.994 1.000 6 0.880 0.931 0.958 0.964 0.969 0.985 8 0.850 0.918 0.951 0.931 0.952 0.978 10 0.832 0.897 0.945 0.887 0.938 0.974 2.3.2 参数,的物理意义 I n 短肢剪力墙应满足判别式:α 10, ,。这里,α是剪力墙的整 体性 I 系数,它反映了连梁与墙肢总的抗弯线刚度的比值。α大,肢弱梁 强,连梁对 墙肢的约束弯矩大,整体性好;α小,肢强梁弱,连梁对墙肢的约 束弯矩小, 整体性差。 这里的弱肢强梁或强肢弱梁只是墙肢与连梁两者之间相对而言的,因此弱 肢强梁中包括了两种情况: 1.墙肢是比较弱的,连梁则比墙肢强些,即真正的弱肢强梁; 2.墙肢是比较强的,连梁则比墙肢更强。 为了明确墙肢的强弱,就需要对参数,进行研究,程文?教授对参数ξ的物 理意义进行了比较深入的研究,建议将其称为肢强系数。本文根据程先生的思 想,对参数,的物理意义做了进一步的说明,并依旧称其为肢强系数。 现以图2.4所示的矩形截面双肢剪力墙的组合截面来说明其物理意义。图中, O是组合截面的形心,O、O分别是墙肢1、2的截面形心,I是组合截面的惯 1 2 2 性矩,I I + I ,I A r ,I I ,故 ? ? n j n ji ji j ji I 1 n (2-1)I I ? ji 1+ 2 A r ? ji ji 在组合截面高度一定的情况下,开洞较大时,墙肢截面高度较小, 墙肢弱,r大, ji I I I n n ? ji 比值 小,故 值大;相反,开洞小,墙肢强, 值小;当墙肢是矩形截 面 2 I I A r ? ji ji 8 南京航空航天大学硕士学位论文 rr 1 2 A1 O1 O O2 A2 w1 bn w2 h l h 图 2.4 短肢剪力墙组合截面 I n 且没有洞口时, 达到最小值0.75。 I I I I n n n 可见,能用 值来鉴别墙肢的强弱。当 时,墙肢较强,而当 时, , , I I I 墙肢较弱。故可称判别系数,为肢强系数。,值与楼层数、荷载 形式及α值有关, ,值越小,墙肢越强;反之,,越大,墙肢越弱。 I n 因此,整体小开口剪力墙满足α ? 10, ,属于强肢梁更强的情 况;联 , I I n 肢墙,包括短肢剪力墙,满足α 10, ,属于强肢弱梁型;壁式框 架,包 , I I n 括异型柱框架满足α ? 10, ,属于弱肢强梁型。 , I 2.4 短肢剪力墙肢高厚比的最小限值 如前所述,满足条件α 10,且 的是短肢剪力墙,而满足α 10, I /I ? , n 但不满足 的是壁式框架,两者的受力性能,特别是抗震性能有很 大差别。 I /I ? , n 条件 可用肢高厚比 的最小限值 来表达。这样短肢剪力 I /I ? , β h +b /b [β ] n 1 w w 墙的最小肢高厚比应满足 ,影响[β ]值的主要因素是楼层数、翼缘宽度、 β ? [β ] 肢距和连梁高度。 下面讨论在小高层住宅中常遇到的墙肢截面为 T形或 L形的对称的双肢短 肢剪力墙,其墙肢截面的一半如图 2.5 所示。图中肋高 h nb ,翼缘宽 1 w b mb ,b 为墙厚。取短肢墙组合截面的对称轴为坐标轴,墙肢截面形心到坐 f w w 标轴的距离为x,洞口宽度为 2a 。连梁高度为 h。把两墙肢翼缘形心间的距 0 b 离称为肢距,记作l。按此可得截面的几何特征: 9 bw短肢剪力墙轴压比限值的研究 a T型截面 b L型截面 图 2.5 短肢剪力墙组合截面 一个墙肢的截面面积2 Α m +nb 2-2 w 墙肢截面形心到坐标轴的距离 1 1 h a + h + b l 1 0 1 f 2 22-3 x h +b 1 f 一个墙肢截面的惯性矩 2 h +b b hb 1 3 3 1 w f 1 w 2-4 Ι + + b b h b j f w 1 w i 12 4h +b 1 f 2 短肢剪力墙组合截面的惯性矩 ,即 I 2I + 2Ax ji 1 1 2 2 2b [h a + h + b l] w 1 0 1 f h +b b h b 1 3 3 1 w f 1 w 2 22-5 I + b b +h b + f w 1 w h +b 6 2h +b 1 f 1 f 故 1 1 2 2b [h a + h + b l] w 1 0 1 f 2 2 2-6 I I2I n j i h +b 1 f 2I I 1 ji n 于是短肢剪力墙应满足的条件 ,即 也可表达为 ? , ? ?1 I I , n 2 h +b hb b 1 1 w 1 f w 3 3 b b +h b + f w 1 w 6 2h +b 1 1 f 2-7 ? ?1 1 1 , 2 2[h a + h + b l] b 1 0 1 f w 2 2 h +b 1 f 10 南京航空航天大学硕士学位论文 由上式可以导出短肢剪力墙墙肢截面的最小肢高厚比允许值 [β ]的表达式。 为便于应用,本文由式2-7导出了允许肢高厚比允 许值[β]的近似表达 ' ' 式。在(2-7)式中,令k 1/, ?1,b δl,h β l,b λh λ β l则(2-7) w 1 f 1 式可近似的表达为 1 ' 3 ' 3 ' ' ' 2 ' ' [λβ lδl + β l δl]β l + λβ l + β l + δl β lλβ lδl 3 (2-8) ?k ' ' ' 2 2 [β llδlβ l + λβ l ] δl 化简后得 '2 ' 2 1 1 + 4λβ + 6λδβ + 3δ λ + λδ 1 + λ (2-9) ?k '2 ' 2 3 β21δ + λβ + 1δ + λ ' 观察上式,可以看出该不等式中的变量为 β,则式(2-9)可表示 为 '2 ' 2 2 21 + 4λ3kβ + [6λδ + 6k1δ + λ]β + 3δ λ + λδ 1 + λ + 3k1δ + λ ? 0 (2-10) ' 上式为关于 β的一元二次不等式,可以解得 2 2 2 [3λδ + 3k1?δ + λ]1+ 4λ3k[λδ λ + 43k1?δ + λ ] ' β ? 1+ 4λ3k 3λδ + 3k1? δ + λ (2-11) 1+ 4λ3k ' ' ' h +b β l +b β l β 1 w w 因 β 1+ 1+ b b b δ w w w 则可以得到对称双肢短肢剪力墙的肢高比 β限值的表达式为 2 2 2 [3λδ + 3k1?δ + λ]1+ 4λ3k[λδ λ + 43k1?δ + λ ][β ] 1+ δ 1+ 4λ3k 3λδ + 3k1? δ + λ(2-12) δ 1+ 4λ3k I n 这样,判别式 ? ,便可以用 β ? [β ]来表达。为便于工程应用,本文依据 I 式(2-12),并结合目前我国的隔墙大多采用 190mm空心砌块,取b 200mm制 w 成了短肢剪力墙肢截面的允许最小肢高厚比值[β ]的表格,见本章附表2.2。 由附表2.2可以看出短肢剪力墙墙肢截面的墙肢高厚比值大多集中在5到8 之间,这与《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)中关于短肢剪力墙 11短肢剪力墙轴压比限值的研究 的规定是基本一致的。选定了短肢剪力墙墙肢的截面高度,就可算出墙肢间的 洞口宽度 2a 。 l2n +1b 0 w 12 南京航空航天大学硕士学位论文 表2.2 200mm厚双肢短肢剪力墙肢高厚比最小值[ β ] 连梁高度h m b 楼层数 m 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 肢距lm4.00 4.505.005.205.60 6.00 6.30 6.80 7.254.50 4.505.005.205.55 5.90 6.30 6.65 7.005.00 4.505.005.205.60 5.90 6.25 6.60 7.002 5.505.005.255.60 5.95 6.25 6.60 6.906.00 5.205.605.95 6.30 6.60 6.906.50 5.605.95 6.30 6.65 6.957.005.95 6.30 6.65 6.954.00 4.504.805.105.50 5.90 6.25 6.70 7.154.50 4.504.805.155.50 5.80 6.15 6.50 6.855.004.805.155.50 5.80 6.10 6.45 6.803 5.50 5.155.505.85 6.15 6.45 6.806.00 5.505.85 6.15 6.45 6.806.505.85 6.15 6.45 6.807.00 6.15 6.45 6.80 8 4.00 4.504.805.155.50 5.90 6.25 6.70 7.254.50 4.504.805.155.45 5.80 6.15 6.45 6.805.004.855.155.45 5.80 6.10 6.40 6.754 5.50 5.105.455.80 6.10 6.40 6.706.00 5.455.80 6.10 6.40 6.706.505.75 6.10 6.40 6.707.00 6.05 6.40 6.705 4.00 4.504.805.15 5.55 5.90 6.30 6.75 4.50 4.504.805.155.50 5.80 6.15 6.50 6.855.004.805.155.50 5.80 6.10 6.40 6.755.50 5.105.505.80 6.10 6.40 6.706.00 5.405.80 6.10 6.40 6.70 13短肢剪力墙轴压比限值的研究 连梁高度h m b 楼层数 m 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 肢距lm 6.505.70 6.10 6.40 6.70 8 7.00 6.05 6.40 6.70 4.00 4.354.805.105.455.705.904.50 4.304.755.205.55 5.85 6.15 6.40 6.60 5.00 4.204.705.155.55 6.00 6.30 6.55 6.80 7.00 5.50 4.655.105.556.00 6.40 6.70 7.00 7.2510 2 6.00 4.605.055.505.95 6.35 6.75 7.10 7.40 6.505.055.505.90 6.35 6.70 7.10 7.50 7.00 5.405.856.30 6.70 7.10 7.45 7.50 5.756.25 6.65 7.05 7.45 8.00 5.756.20 6.60 7.00 7.404.00 4.304.755.105.405.655.90 6.05 4.50 4.254.705.105.50 5.80 6.05 6.30 6.505.00 4.204.655.105.50 5.90 6.20 6.45 6.70 6.90 5.50 4.555.005.455.85 6.25 6.60 6.85 7.10 3 6.004.955.405.85 6.20 6.60 7.00 7.25 6.50 5.355.756.20 6.60 6.95 7.30 7.00 5.255.706.10 6.55 6.90 7.30 7.50 5.706.05 6.45 6.90 7.25 8.006.05 6.40 6.80 7.25 4 4.00 4.304.755.105.405.655.90 6.05 4.50 4.254.655.105.50 5.80 6.05 6.30 6.505.00 4.605.055.455.85 6.15 6.45 6.70 6.90 5.50 4.505.005.405.80 6.20 6.55 6.80 7.05 6.004.955.355.75 6.15 6.55 6.90 7.20 6.50 5.255.706.10 6.50 6.90 7.25 7.00 5.606.05 6.45 6.85 7.20 14 南京航空航天大学硕士学位论文 连梁高度h m b 楼层数 m 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 肢距lm 7.506.00 6.40 6.80 7.15 8.005.95 6.35 6.75 7.10 4.00 4.304.755.155.505.755.95 6.15 4.50 4.204.705.105.50 5.85 6.10 6.35 6.55 6.70 5.00 4.605.055.455.85 6.20 6.45 6.70 6.95 5.505.005.405.80 6.20 6.55 6.85 7.05 5 6.004.905.305.75 6.15 6.50 6.90 7.20 6.50 5.305.656.05 6.50 6.85 7.20 7.00 5.656.00 6.40 6.80 7.15 7.506.00 6.35 6.75 7.15 8.00 6.25 6.70 7.05 4.00 4.10 4.354.504.65 4.50 4.204.504.755.005.055.00 4.204.605.005.105.305.45 5.55 2 5.50 4.204.605.005.25 5.45 5.70 5.85 6.00 6.00 4.154.555.005.35 5.65 5.85 6.05 6.25 6.40 6.50 4.554.955.355.75 6.00 6.20 6.40 6.6512 7.004.955.355.75 6.10 6.40 6.60 6.80 7.504.905.305.75 6.10 6.45 6.75 7.008.00 5.305.656.10 6.45 6.80 7.10 4.00 4.104.354.504.65 3 4.50 4.154.504.704.905.055.00 4.104.554.855.055.305.45 5.55 5.50 4.104.504.905.20 5.45 5.65 5.80 5.95 6.053 6.00 4.504.905.255.55 5.80 6.00 6.20 6.306.50 4.504.905.255.60 5.90 6.15 6.35 6.557.004.855.255.65 6.00 6.30 6.50 6.70 15短肢剪力墙轴压比限值的研究 连梁高度h m b 楼层数 m 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 肢距lm 7.50 5.255.606.00 6.30 6.65 6.858.00 5.155.556.00 6.30 6.65 7.004.00 4.154.354.604.7012 4.50 4.154.504.754.955.055.15 5.00 4.154.504.905.105.305.45 5.555.50 4.104.554.905.25 5.45 5.65 5.85 5.95 6.054 6.00 4.504.855.255.60 5.80 6.00 6.15 6.306.504.855.205.60 6.00 6.15 6.35 6.507.004.855.205.55 5.90 6.25 6.50 6.707.50 5.205.555.90 6.25 6.60 6.808.00 5.555.90 6.25 6.60 6.904.00 4.204.404.654.75 4.50 4.154.554.805.005.155.25 5.00 4.154.554.905.15 5.35 5.50 5.60 5.755.50 4.504.905.255.50 5.70 5.90 6.00 6.10 5 6.00 4.504.905.255.60 5.80 6.00 6.20 6.35 6.504.855.205.60 5.90 6.15 6.35 6.55 7.00 5.155.555.90 6.25 6.50 6.70 7.50 5.155.505.85 6.25 6.55 6.80 8.00 5.505.85 6.25 6.55 6.85 16 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章 短肢剪力墙墙肢的轴压比限值 3.1 引言 由于轴压比是控制竖向受力构件延性的一个重要指标,所以为了 研究短肢 剪力墙的抗震性能就必须给定短肢剪力墙墙肢轴压比的限值。 短肢剪力墙的轴压比是指短肢剪力墙在轴力设计值作用下产生的轴力设计 值N与墙肢截面面积A和混凝土抗压强度设计值 f 的乘积 f A之比值。为了给 c c 出墙肢轴压比的限值,首先要推导出墙肢轴压比的计算公式,其基本定义如前 所述。控制轴压比的目的是为了保证墙肢具有较好的延性,破坏时避免出现小 偏心受压脆性破坏。短肢剪力墙的轴压比限值由偏心受压短肢剪力墙正截面的 界限破坏条件确定。 文中上角码“O”表示内力、应力和应变的试验值。计算时忽略受拉区混凝 土的拉应力。 3.2 对称配筋矩形截面短肢剪力墙墙肢轴压比限值 对称配筋矩形截面短肢剪力墙墙肢轴压比的研究方法同对称配筋矩形截面 柱相似,不同之处在于,由于柱的截面高度与宽度相差不大,高宽比一般不超 过2,异形柱也不会超过4,所以在计算轴力N 时可以忽略分布钢筋中屈服钢筋 u 对轴力的贡献,而在短肢剪力墙中,由于墙肢截面的高宽比比较大,通常都在 6 以上,所以不能忽略分布钢筋中屈服钢筋对轴力的影响。 短肢剪力墙墙肢截面上的分布钢筋是均匀分布的,而且属于同一等级,直 径也相同,其总截面面积为A 。为计算方便,将分布钢筋近似看做线形分布的 ss A ss 钢筋,线密度为A ,见图3.1a。 ss 2 h ?a o s 由文献[34]可知,竖向构件在抗震设计中需要避免出现小偏心受压破坏这 种脆性破坏;而大偏心受压破坏形态属于延性破坏类型,因此在短肢剪力墙的 抗震设计中应保证其破坏属于大偏心受压破坏形态。17 短肢剪力墙轴压比限值的研究 要使短肢剪力墙结构体系具有较好的抗震性能,应使其最终的破 坏形式是 延性破坏而不是脆性破坏。因此