带暗支撑低矮剪力墙抗震性能试验及承载力计算

摘要：本文提出的剪力墙是在普通剪力墙配筋基础上，加配暗支撑纵筋和箍筋，浇捣混凝土后，在剪力墙板中形成钢筋混凝土核芯束，这就是暗支撑。暗支撑的存在，明显地改善了剪力墙的抗震性能，特别是显著提高了剪力墙的抗震耗能能力。

关键词：带暗支撑低矮剪力墙;抗震性能;承载力

短肢剪力墙结构是一种比普通剪力墙结构自重轻、保温好、平面布置灵活、建筑功能良好的结构体系，其发展势头强劲，其抗震性能受到大家关注。振动台试验研究结果表明，短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节是建筑外边缘及角点处的墙肢，部分墙肢、特别是底层一字形墙肢出现了先于连梁的剪切破坏，这种破坏的主要原因是墙肢的抗震能力低。因此提高短肢剪力墙墙肢的抗震性能是亟待解决的问题。

一、试验概况

本文进行了4个双肢短肢剪力墙模型抗震性能试验研究，模型按1/3缩尺，其墙肢为L形截面。试件编号分别为DLSW-6.5、DLSBW-6.5、DLSW-8、DLSBW-8。符号中：DLSW为普通双肢短肢剪力墙，DLSBW为带暗支撑双肢短肢剪力墙，6.5和8为模型的墙肢截面高度与厚度之比。DLSBW-6.5模型的配筋型式同DLSBW-8，其外形尺寸与DLSBW-8的不同处为：墙肢截面高度为520mm、连梁跨度为1040mm，其它几何尺寸相同。DLSW-6.5、DLSW-8模型的配筋为分别在DLSBW-6.5、DLSBW-8的配筋中去掉墙肢中的暗支撑和连梁中的斜向钢筋，DLSW-6.5的外形尺寸与DLSBW-6.5相同、DLSW-8的外形尺寸与DLSBW-8相同。模型采用细石混凝土浇筑，其设计强度等级为C30，实测强度均值为44.2MPa。水平加载点至基础顶面距离为2550mm，并分别在距基础顶面2550mm、1350mm处布置水平位移计。DLSW-6.5、DLSBW-6.5轴向压力为320kN，DLSW-8、DLSBW-8轴向压力为403kN。墙肢轴压比均为0.2。采用低周反复荷载，用IMP数采系统采集钢筋应变、水平位移、水平荷载，并用其绘制滞回曲线，人工测绘裂缝。

二、试验结果及分析

1、承载力实测结果及分析

表1各剪力墙的开裂荷载、明显屈服荷载、极限荷载的实测值

表1为各剪力墙的开裂荷载、明显屈服荷载、极限荷载的实测值。表中：Fc为试件开裂水平荷载，它指首次加载开裂时的荷载;Fy为试件明显屈服水平荷载，正负两向明显屈服荷载接近，Fy取了正、负两向的均值;Fu为试件极限水平荷载，因试验过程中负向加载出现平面外扭转现象，因结构是对称的，故Fu取正向极限值;Lcy=Fc/Fy;Lcu=Fc/Fu;Lyu=Fy/Fu称为屈强比。

表2剪力墙各阶段刚度实测值及其衰减系数

2、刚度实测值及分析

各剪力墙刚度实测值及各阶段刚度衰减系数见表2。表中：K0为试件初始弹性刚度;Kc为试件开裂割线刚度;Ky为试件明显屈服割线刚度;Bc0=Kc/K0，它为从初始弹性到开裂过程中的刚度衰减系数;Byc=Ky/Kc，它为从开裂到明显屈服过程中的刚度衰减系数;By0=Ky/K0，它为从初始弹性到明显屈服过程中的刚度衰减系数。具有相同墙肢截面高厚比的短肢剪力墙的初始弹性刚度非常接近。

3、延性性能分析

各剪力墙位移及延性系数实测值见表3。位移指与水平加载点同一高度处的相应水平位移。其中：uc为与Fc对应的开裂位移;uy为与Fy对应的屈服位移;ud为正向弹塑性最大位移，L=ud/uy是剪力墙的延性系数（本文中ud取正向值计算）。带暗支撑短肢剪力墙的开裂位移比普通短肢剪力墙有所提高，表明暗支撑有延缓开裂的作用。带暗支撑短肢剪力墙的明显屈服位移比普通短肢剪力墙有所提高。

表3各剪力墙位移及延性系数实测值

4、耗能能力试验结果及分析

滞回环所包含的面积的积累反映了结构弹塑性耗能的大小。一般说来，滞回环越饱满，结构的耗能能力越强。本次试验中各试件在负向加载过程出现了平面外扭转现象，考虑到结构是对称的，这里取滞回曲线骨架曲线在第一象限所包含的面积作为比较各试件耗能能力的一个指标。显见它只是总耗能的一部分。按这样的比较指标，实测所得的4个试件的耗能情况见表4。

表4各试件耗能实测值

DLSBW-6.5与DLSW-6.5相比，钢筋用量增加了50.6%，耗能提高了198.3%，耗能提高比例是用钢量提高比例的3.91倍;DLSBW-8与DLSW-8相比，钢筋用量增加了46.1%，耗能提高了183.2%。耗能提高比例是用钢量提高比例的3.97倍。

5、破坏特征

最终破坏时，带暗支撑双肢短肢剪力墙的墙肢与普通双肢短肢剪力墙的墙肢相比，裂缝多且密，裂缝宽度相对较小，裂缝分布于整个墙肢，墙肢上下两端与中部相比裂缝较密。试件DLSW-6.5与DLSW-8相比：DLSW-6.5墙肢的裂缝主要分布在上下两端，DLSW-8墙肢的裂缝分布于整个墙肢;DLSW-6.5墙肢端部裂缝比DLSW-8墙肢端部裂缝走向平缓;这些反映了墙肢高厚比对其受力的影响。试件DLSBW-6.5与DLSBW-8相比：DLSBW-6.5墙肢中部和连梁的裂缝相对较多。

三、承载力计算

试验表明，双肢短肢剪力墙的承载力计算可将两墙肢考虑为偏心受压构件。计算中忽略中部分布钢筋合力影响。极限水平承载力：

式中：n为墙肢总数;Mi为第i个墙肢的肢底截面抵抗弯矩，根据墙肢截面承载力计算模型的受力平衡条件求得;Hi为第i个墙肢反弯点至肢底的高度;Ni为第i个墙肢的轴向压力;e0i为第i个墙肢的偏心距。按钢筋实测屈服强度及混凝土实测抗压强度计算所得四个模型的承载力及其与实测结果的比较见表5

表5极限承载力计算结果与实测结果的比较

四、结论及设计建议

（1）带暗支撑剪力墙与普通剪力墙相比，可显著地改善抗震性能。

（2）设计中暗支撑的配筋比宜控制在0.1～0.3之间。

（3）设计中暗支撑倾角宜控制在45°～60°之间。

（4）带暗支撑剪力墙的暗支撑配筋比在0.1～0.3、倾角在45°～60°之内时，本文试验所得的各实测参数均值与普通剪力墙比较综合如下：承载力比普通剪力墙提高了38.96%;延性系数比普通剪力墙提高了43.68%;屈服刚度比普通剪力墙提高了28.8%;耗能比普通剪力墙提高了176.6%，是用钢量提高比例的6.94倍。

（5）暗支撑明显地改变了剪力墙的裂缝分布，主裂缝角度有向暗支撑倾角逼近的趋势。

参考文献

[1]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）[M]

[2]GB20011-2001建筑抗震设计规范[S]