短肢剪力墙抗震性能影响分析与设计

2022-09-11

短肢剪力墙结构是指结构的竖向受力构件为T、L、十形等截面形式、肢宽厚比为5~8的墙, 肢厚通常为t=200mm~250mm, 肢长l=1000mm~2500mm。短肢剪力墙结构在宅工程中发展很快, 是一种介于宽肢异形框架柱结构和普通剪力墙结构之间的体系, 它较前者适用于层数更多的楼房, 一般为10~25层, 又较之后者节省材料, 减轻自重节约造价, 故短肢剪力墙结构的发展具有较为广阔的前景。

由于短肢剪力墙截面的不规则, 其在横向荷载作用下的内力分布十分复杂, 其抗震性能受许多因素的影响很严重, 需要对其进行深入的分析和研究。

1 短肢剪力墙抗震性能的影响分析

1.1 剪滞效应的影响

剪滞效应指在横向荷载作用下, L形及T形短肢剪力墙翼板处截面正应力非均匀分布, 如图1所示, 翼板存在正应力集中, 影响构件正截面承载力的充分发挥, 进而引起构件抗侧刚度的折减, 极大地影响结构体系的抗震延性和刚度[1]。

剪滞效应的影响因素主要如下:

荷载:纯弯荷载、45度荷载作用于L形时在截面内均不产生剪滞效应。只有当剪力流的分布形态具有在某一墙肢上产生集中力的条件时, 构件才表现出剪滞效应。

截面形式:荷载作用方向相同时, 构件截面的剪力流分布形态取决于构件的截面形式, 如十字形截面短肢剪力墙剪滞效应不明显, 而T形、L形两种截面具有明显的剪滞效应。

墙肢高厚比:墙肢高厚比越大, 剪滞效应越明显。

1.2 不同截面形式、肢宽厚比对短肢剪力墙抗震性能的影响

图2和图3分别为短肢剪力墙在低周反复加载条件下, 屈服荷载和破坏荷载与肢宽厚比及截面形式之间的关系曲线。图中S曲线对应的是一字型截面构件, F S曲线对应的是T字型截面构件。

由图2可知, 屈服荷载与肢宽厚比之间并非直线的关系。对于屈服荷载, 随着肢宽厚比的加大而减小。其中, 一形和T形截面的数值相差不大, 但T形截面 (有翼墙) 随肢宽厚比的变化更剧烈, 这可能和T形截面的剪滞效应有关。

由图3可知, 破坏荷载与肢宽厚比之间近似于抛物线关系, 其顶点都在肢宽厚比为6.5处, 这说明该肢宽厚比时, 构件可获得最佳承载力。肢宽厚比过小, 会因受力截面小而使承载力较小;肢宽厚比过大, 会因剪滞效应使承载力反而降低。设计时, 应使截面肢宽厚比尽量靠近最佳值 (6.5) 。另外, 由图3还可看出一形截面的承载力数值较大, 即对于无翼墙的墙体, 更能充份发挥其承载能力。这是由于翼墙在结构受力时主要负担外加弯矩, 而剪力则主要由墙肢腹板来承担。

但有翼墙墙体的延性系数都达到了3.5以上, 其耗能能力较一形无翼短肢墙好得多。因此, 工程中尽量避免使用截面型式为一字型的短肢剪力墙。

1.3 不同配筋形式对抗震性能的分析

根据近年来进行的大量不同配筋形式下各种剪力墙的抗震性能试验研究, 可以给出如下几点结论: (1) 短肢剪力墙按柱 (带暗柱) 配筋比按墙配筋 (无暗柱) 时抗剪承载力、耗能能力都有所提高, 后期强度储备大 (屈强比小) , 有利于抗震; (2) 短肢剪力墙内配置斜向暗撑时, 将明显提高墙体的承载力、刚度、延性。

2 短肢剪力墙设计时尚应考虑的几个问题

2.1 考虑剪滞效应的设计方法

由于剪滞效应, 翼板不能在全部宽度范围内均匀分担截面的弯曲正应力, 其工作状态不是充分有效的, 故短肢剪力墙的配筋设计亦应考虑剪滞效应对构件受力的不利影响。

进行考虑L、T形短肢剪力墙剪滞效应的配筋设计时, 可以采用翼板的有效宽度来反映剪滞效应对墙体构件正截面工作性能和抗侧刚度的不利影响, 如图4中L e即为图1中T形长为L的翼墙有效宽度。有效宽度的计算原则为等效后的正应力分布必须满足弯矩等效和法向力等效。表2给出了几种长度的短肢剪力墙考虑剪滞效应的有效宽度系数 (L e/L) 计算结果, 可作为设计时的参考。

另外, 由于剪滞效应导致翼缘与腹板之间的正应力和剪应力很大, 故应加强各肢间的连接, 使其具有更好的强度和延性。

2.2 短肢剪力墙的配筋方式

短肢剪力墙的配筋方式一般有三种, 如图5所示。第一种为按照柱配筋方式, 即纵筋基本均匀分布在周边, 如图5 (a) ;第二种为按剪力墙的配筋方式, 即在墙端部设暗柱, 纵筋主要配置在暗柱处, 如图5 (b) ;第三种为按柱配筋方式, 但纵筋参照剪力墙布筋方式, 主要配置在暗柱位置, 如图5 (c) 。

由上节可知, 如果能在墙中增加布置斜向暗撑, 则能更好地承受剪应力。但一般由于施工较为复杂, 这种配筋方式尚未普遍应用。故笔者认为第三种配筋方式既可充分发挥端部纵筋的作用, 又可使剪力墙端部有较多有抵抗剪应力的钢筋, 是一种较好的短肢剪力墙的配筋方式。