剪 力 墙 (R1~R2) 试 验 者 : 蒋 欢 军 (1999 年 ) [6] 指 导 教 师 : 吕 西 林 一 试 验 信 息 1 研 究 内 容 : 沿 竖 向 耗 能 的 钢 筋 混 凝 土 剪 力 墙 的 抗 震 性 能 试 验 研 究 2 试 验 目 的 : 研 究 沿 竖 向 耗 能 的 钢 筋 混 凝 土 剪 力 墙 的 破 坏 机 理 和 耗 能 机 理, 从 强 度 刚 度 变 形 和 耗 能 四 个 方 面 综 合 评 价 其 抗 震 性 能, 并 与 普 通 实 体 墙 对 比 3 试 件 设 计 :12 片 1/3 缩 尺 比 单 层 剪 力 墙 ( 高 宽 比 1, 其 中 3 片 实 体 剪 力 墙 SSW 9 片 带 竖 缝 耗 能 剪 力 墙 DSW); 2 片 1/4 缩 尺 比 四 层 高 剪 力 墙 ( 高 宽 比 >2, 其 中 1 片 实 体 剪 力 墙 SSW-T 1 片 带 竖 缝 耗 能 剪 力 墙 DSW-T) 4 加 载 方 式 : 水 平 低 周 反 复 加 载 二 材 料 信 息 2.1 单 层 剪 力 墙 材 料 单 层 剪 力 墙 模 型 全 部 采 用 C3 细 石 混 凝 土, 墙 体 配 筋 用 I 级 钢 耗 能 墙 中 部 开 竖 向 通 缝, 内 填 氯 丁 橡 胶 带, 顶 部 楼 板 位 置 处 有 四 根 钢 筋 穿 过 橡 胶 带 通 长 布 置 为 使 墙 体 顶 部 能 自 由 错 动, 与 原 型 保 持 一 致, 顶 梁 在 竖 缝 处 断 开, 并 在 竖 缝 两 侧 预 埋 镀 锌 光 滑 铁 皮 材 料 的 力 学 性 能 如 表 2-1(a)~ (b) 所 示, 耗 能 剪 力 墙 编 号 为 DSW, 实 体 墙 的 编 号 为 SSW, 编 号 中 含 1 的 剪 力 墙 顶 部 无 轴 压, 含 2 的 轴 压 比 为.1, 含 3 的 轴 压 比 为.2 表 2-1(a) 混 凝 土 力 学 性 能 表 试 件 编 号 SSW-1 SSW-2 SSW-3 DSW-1A DSW-1B DSW-1C DSW-2A DSW-2B DSW-2C DSW-3A DSW-3B DSW-3C f cu ( Mp a ) 27.4 28.5 24.8 24.2 f c ( Mp a ) 18.3 19.1 16.6 16.2 E c ( 1 4 MP a ) 2.92 2.76 2.6 2.82-69-
表 2-1(b) 钢 筋 力 学 性 能 表 规 格 实 际 直 径 (mm) 屈 服 强 度 (MP a ) 极 限 强 度 (MP a ) 弹 性 模 量 (MP a ) Φ6.5 6.24 325 478 2.6 1 5 Φ8 7.92 297 452 1.92 1 5 Φ1 1.1 291 44 2.1 1 5 2.2 四 层 剪 力 墙 材 料 四 层 剪 力 墙 模 型 均 采 用 C3 细 石 混 凝 土 浇 筑, 墙 体 配 筋 采 用 Ⅰ 级 钢 筋 耗 能 墙 中 部 开 竖 向 通 缝, 内 填 邵 氏 硬 度 为 6 的 氯 丁 橡 胶 带, 在 每 层 的 楼 板 高 度 和 中 间 高 度 处 利 用 墙 体 原 有 的 水 平 筋 各 四 根 穿 越 橡 胶 带 加 荷 顶 梁 在 中 间 断 开, 其 构 造 同 前 一 试 验 中 的 试 件 墙 体 两 侧 设 置 暗 柱, 材 料 的 力 学 性 能 如 表 2-2(a)~(b) 所 示 实 体 墙 编 号 为 SSW-T, 耗 能 墙 编 号 为 DSW-T 表 2-2(a) 混 凝 土 力 学 性 能 试 件 编 号 SSW-T DSW-T f cu (Mp a ) 36. 37.2 f c (Mp a ) 24.1 24.9 E c (x1 4 Mp a ) 2.83 2.91 表 2-2(b) 钢 筋 力 学 性 能 规 格 实 际 直 径 (mm) 屈 服 强 度 (MP a ) 极 限 强 度 (MP a ) 弹 性 模 量 (MP a ) Φ6.5 6.32 289 465 2.4 1 5 三 试 件 信 息 3.1 单 层 剪 力 墙 试 件 尺 寸 及 配 筋 52 67 52 1 镀 锌 光 滑 铁 皮 52 67 52 35 773 32 橡 胶 带 1 35 1667 35 15 15 35 827 13 827 35 15 15 35 773 32 1 1 (a) 实 体 墙 (b) 耗 能 墙 图 3.1(a) 试 件 尺 寸 -7-
DSW-1A,DSW-1B,DSW-1C 为 4Φ6.5 DSW-2A,DSW-2B,DSW-2C 为 4Φ8 DSW-3A,DSW-3B,DSW-3C 为 4Φ1 3.2 四 层 剪 力 墙 试 件 尺 寸 及 配 筋 图 3.1(b) 耗 能 剪 力 墙 配 筋 (a) 实 体 墙 (b) 耗 能 墙 图 3.2(a) 试 件 尺 寸 -71-
(a) 实 体 墙 (b) 耗 能 墙 (c) 加 荷 顶 梁 断 面 (d) 底 梁 断 面 Ⅰ (e) 底 梁 断 面 Ⅱ 图 3.2(b) 试 件 配 筋 图 四 加 载 方 式 4.1 加 载 装 置 及 方 案 4.1.1. 单 层 剪 力 墙 加 载 方 案 将 试 件 的 底 梁 固 定 在 试 验 室 台 座 上, 可 近 似 成 固 端 在 加 荷 梁 上 放 置 四 个 同 -72-
步 液 压 千 斤 顶, 使 墙 体 顶 部 产 生 一 均 匀 压 应 力 在 千 斤 顶 与 反 力 架 间 安 装 了 滚 轴, 使 试 件 能 在 水 平 向 自 由 变 形 水 平 反 复 荷 载 由 Schenck 机 施 加 加 载 装 置 如 图 4.1(a) 所 示 试 验 时 先 施 加 竖 向 压 力, 一 次 完 成, 并 在 试 验 中 保 持 不 变 水 平 向 加 载 用 位 移 控 制, 逐 级 施 加, 在 达 到 极 限 荷 载 前 每 级 循 环 一 次, 达 到 极 限 荷 载 后 每 级 循 环 三 次, 直 至 试 件 破 坏 1 2 4 1. 反 力 架 3 4 6 5 5 2. 千 斤 顶 3.Schenck 机 4. 钢 拉 杆 5. 位 移 计 图 4.1(a) 试 验 装 置 4.1.2. 四 层 剪 力 墙 加 载 方 案 在 墙 体 顶 部 加 荷 梁 处 放 置 两 个 倒 置 的 千 斤 顶, 使 墙 体 顶 部 产 生 一 均 匀 压 应 力, 千 斤 顶 通 过 滑 轮 与 反 力 架 连 接, 以 减 小 摩 擦 力 水 平 力 用 一 拉 压 千 斤 顶 通 过 一 分 配 梁 施 加 于 墙 体 顶 部 和 中 间 高 度 处, 并 在 加 载 过 程 中 保 持 墙 顶 荷 载 为 墙 中 部 荷 载 的 2 倍, 以 模 拟 倒 三 角 分 布 的 水 平 地 震 荷 载 为 防 止 墙 体 发 生 平 面 外 失 稳, 一 方 面, 在 加 竖 向 压 力 时, 千 斤 顶 严 格 对 中, 另 一 方 面, 在 墙 体 两 侧 用 一 带 滑 轮 的 钢 架 夹 住 试 件 安 装 如 图 4.1(b) 所 示 试 验 时, 先 在 墙 体 顶 部 施 加 压 力, 并 在 试 验 中 保 持 不 变, 在 本 试 验 中 所 加 压 力 为 kn, 墙 体 的 轴 压 比 在.1 左 右 水 平 加 载 分 为 两 个 阶 段 : 第 一 阶 段 采 用 荷 载 控 制, 先 单 调 逐 级 施 加 至 开 裂, 循 环 一 次, 以 后 各 级 在 墙 体 暗 柱 处 纵 筋 屈 服 前 每 级 循 环 一 次 ; 纵 筋 屈 服 后 采 用 位 移 控 制, 分 别 按 δ y,2δ y, 3δ y 逐 级 施 加, 每 级 循 环 三 次, 直 至 试 件 的 承 载 力 下 降 至 极 限 承 载 力 的 85% 以 下 为 止 图 4.1(b) 试 件 安 装 图 -73-
4.2 测 试 仪 器 布 置 4.2.1. 单 层 剪 力 墙 测 试 内 容 及 仪 器 布 置 1 墙 体 顶 部 水 平 位 移 和 水 平 荷 载 2 局 部 部 位 的 钢 筋 应 变, 为 便 于 对 比, 实 体 墙 中 应 变 片 的 布 置 同 耗 能 墙 3 底 梁 水 平 位 移 和 转 角 为 扣 除 底 梁 滑 移 和 转 动 对 墙 体 位 移 的 影 响, 在 底 梁 端 头 水 平 向 和 竖 向 安 装 了 位 移 计 4.2.2. 四 层 剪 力 墙 测 试 内 容 及 仪 器 布 置 1 墙 体 顶 部 和 中 部 的 侧 移 底 梁 的 滑 移 底 梁 的 转 动, 在 相 应 位 置 共 布 置 了 五 只 位 移 计 2 加 在 试 件 上 的 水 平 荷 载, 由 加 在 拉 压 千 斤 顶 上 的 力 传 感 器 测 读 3 墙 体 中 某 些 部 位 的 钢 筋 应 变 实 体 墙 共 布 置 了 26 片 应 变 片, 耗 能 墙 共 布 置 了 38 片 五 试 验 结 果 及 分 析 5.1 试 验 现 象 及 照 片 5.1.1 单 层 剪 力 墙 破 坏 过 程 (1) SSW-1 第 一 循 环 时, 试 件 处 于 弹 性 阶 段, 通 过 分 析 墙 体 底 部 的 纵 筋 应 变 发 现, 中 和 轴 在 墙 体 中 间 处 第 二 循 环 时, 在 加 载 侧 暗 柱 距 底 部 约 2cm 处 出 现 倾 角 为 2 左 右 的 弯 剪 斜 裂 缝 第 三 循 环 时, 中 间 墙 板 中 部 出 现 45 左 右 的 剪 切 斜 裂 缝, 在 往 复 荷 载 下 能 闭 合, 原 有 弯 剪 斜 裂 缝 向 内 延 伸, 在 其 上 端 出 现 角 度 增 大 的 斜 裂 缝 随 着 荷 载 的 增 加, 有 一 侧 暗 柱 的 纵 筋 底 部 拉 伸 屈 服, 力 反 向 时 压 屈 第 四 循 环 时, 中 部 斜 裂 缝 向 两 端 延 伸, 并 在 其 上 下 各 增 加 了 几 条 斜 裂 缝, 暗 柱 中 部 出 现 几 条 向 内 延 伸 的 剪 切 斜 裂 缝 第 五 循 环 时, 在 墙 体 顶 部 外 侧 出 现 几 条 斜 向 下 发 展 的 3 左 右 的 斜 裂 缝 接 着 因 固 定 安 装 底 梁 的 方 式 不 当, 底 梁 出 现 拉 剪 破 坏, 试 验 停 止 (2) SSW-2 在 前 面 几 个 循 环 中, 裂 缝 的 发 生 发 展 情 况 基 本 同 SSW-1, 由 于 受 压 应 力 影 响, 暗 柱 底 部 纵 筋 的 拉 屈 要 晚 些, 中 部 出 现 的 斜 裂 缝 也 比 SSW-1 稍 陡, 并 大 致 成 两 组 相 互 平 行 的 斜 线 第 五 循 环 时, 墙 体 中 部 的 斜 裂 缝 急 剧 发 展, 外 侧 中 下 部 的 弯 剪 裂 缝 不 断 向 内 发 展, 角 度 变 小, 宽 度 变 大, 穿 越 其 中 的 水 平 筋 拉 屈 第 六 循 环 时, 两 暗 柱 底 部 出 现 竖 向 裂 缝, 混 凝 土 开 始 剥 落, 接 着 底 部 形 成 水 平 通 缝 -74-
第 七 循 环 时, 墙 体 底 部 发 生 剪 切 滑 移 破 坏, 混 凝 土 大 片 剥 落, 有 明 显 的 剥 落 声, 距 底 部 1cm 处 被 剪 通, 形 成 一 混 凝 土 碎 裂 带, 破 坏 为 脆 性 的, 接 着 墙 体 发 生 出 平 面 失 稳 (3) SSW-3 第 二 循 环 时, 中 间 墙 板 中 下 部 出 现 一 条 角 度 在 5 ~6 之 间 的 剪 切 斜 裂 缝, 反 映 了 压 应 力 的 影 响, 穿 过 斜 裂 缝 的 水 平 筋 应 力 达 6MPa, 在 反 复 荷 载 作 用 下 裂 缝 能 闭 合 第 三 循 环 时, 两 侧 暗 柱 下 部 出 现 弯 剪 斜 裂 缝, 接 着 底 部 出 现 近 水 平 裂 缝 第 四 循 环 时, 底 部 弯 剪 裂 缝 变 宽, 暗 柱 处 竖 向 筋 拉 屈, 力 反 向 时 压 屈, 墙 体 中 部 斜 裂 缝 增 多, 基 本 相 互 平 行 第 五 循 环 时, 从 墙 体 顶 部 外 侧 向 内 向 下 出 现 几 条 斜 裂 缝, 底 部 两 端 的 弯 剪 斜 裂 缝 不 断 向 内 延 伸 第 六 七 循 环 时, 墙 体 中 下 部 的 斜 裂 缝 变 宽, 穿 过 斜 裂 缝 的 几 根 水 平 筋 相 继 屈 服 第 八 循 环 时, 两 暗 柱 底 部 出 现 很 短 的 竖 向 裂 缝, 混 凝 土 开 始 剥 落, 同 时 底 部 被 一 水 平 缝 贯 通, 墙 体 中 间 的 竖 向 筋 也 被 拉 屈 第 九 循 环 时, 底 部 发 生 剪 切 滑 移 破 坏, 在 距 底 部 18cm 处 形 成 一 贯 通 的 混 凝 土 碎 裂 带, 后 承 载 力 急 剧 下 降 (4) DSW-1A 第 二 循 环 时, 在 距 一 暗 柱 底 部 8cm 处 出 现 一 倾 角 很 小 的 弯 曲 裂 缝, 接 着 其 中 一 墙 肢 的 中 间 墙 板 中 部 出 现 一 倾 角 为 45 左 右 的 剪 切 斜 裂 缝, 穿 过 裂 缝 的 水 平 筋 应 力 突 变 至 8MPa, 顶 部 竖 缝 旁 穿 越 橡 胶 带 的 钢 筋 两 侧 出 现 近 水 平 向 劈 裂 裂 缝 第 三 循 环 时, 随 着 底 部 裂 缝 的 加 宽, 一 暗 柱 底 部 纵 筋 拉 屈 第 四 循 环 时, 一 墙 肢 内 侧 底 部 紧 靠 橡 胶 带 处 也 出 现 一 弯 曲 水 平 缝, 接 着 此 处 的 纵 筋 拉 屈 在 原 有 的 弯 曲 水 平 缝 上 又 出 现 了 几 条 弯 剪 斜 裂 缝, 在 暗 柱 处 角 度 很 小, 向 内 向 下 发 展 时 角 度 变 大, 随 着 力 的 反 向, 原 先 拉 屈 的 纵 筋 又 被 压 屈 第 五 循 环 时, 墙 体 中 下 部 的 斜 裂 缝 增 多, 中 间 斜 裂 缝 向 两 端 延 伸, 接 近 暗 柱 时 角 度 变 小, 顶 梁 竖 缝 两 侧 有 混 凝 土 开 始 剥 落, 两 墙 肢 的 错 动 十 分 明 显 第 六 七 循 环 时, 各 墙 肢 的 斜 裂 缝 急 剧 增 多, 墙 体 上 部 的 斜 裂 缝 也 明 显 增 多, 但 并 没 有 出 现 临 界 斜 裂 缝 各 墙 肢 底 部 受 拉 侧 的 水 平 缝 向 内 急 剧 延 伸 加 宽, 受 压 侧 暗 柱 底 部 出 现 竖 向 短 缝, 混 凝 土 压 碎 剥 落, 试 件 达 到 极 限 承 载 力 同 一 位 移 下 循 环 三 次, 强 度 和 刚 度 明 显 退 化, 墙 肢 底 部 混 凝 土 压 碎 区 域 向 内 不 断 扩 展, 墙 体 中 的 几 条 主 斜 裂 缝 进 一 步 加 宽, 穿 越 其 中 的 水 平 筋 拉 屈 位 移 再 增 加 一 级 时, 墙 肢 内 侧 底 部 靠 橡 胶 带 的 混 凝 土 也 在 剪 压 作 用 下 酥 松 剥 落, 承 载 力 逐 渐 下 降 在 接 着 几 个 循 环 中, 各 墙 肢 两 侧 的 混 凝 土 压 碎 区 不 断 向 内 延 伸, 最 后 相 接, 在 距 底 部 12cm 处 出 现 一 贯 通 的 混 凝 土 碎 裂 带, 试 验 停 止 (5) 其 它 试 件 DSW-1B 的 破 坏 过 程 与 DSW-1A 基 本 相 似, 墙 体 中 部 斜 裂 缝 的 倾 角 更 大 -75-
些, 裂 缝 宽 度 也 大 一 些, 水 平 筋 屈 服 的 范 围 更 广, 最 后 底 部 混 凝 土 压 碎 区 连 成 一 片, 承 载 力 急 剧 下 降 DSW-1C 的 开 裂 部 位 与 DSW-1A 类 似, 但 开 裂 明 显 推 迟, 中 间 的 斜 裂 缝 角 度 比 DSW-1B 还 大, 在 5 ~6 之 间 最 后 当 中 间 墙 肢 下 部 与 斜 裂 缝 相 交 处 的 混 凝 土 酥 松 剥 落 后, 试 件 发 生 出 平 面 失 稳 破 坏 另 外 两 组 带 缝 墙 的 破 坏 过 程 与 第 一 组 基 本 类 似, 顶 部 穿 越 橡 胶 带 的 钢 筋 面 积 的 变 化 对 破 坏 过 程 和 破 坏 形 态 并 没 有 影 响, 这 里 不 再 赘 述 其 中 轴 压 比 都 为.1 的 编 号 为 SSW-2 的 实 体 墙 和 编 号 为 DSW-1B 的 破 坏 形 态 分 别 如 图 5.1(a)~5.1(b) 所 示 各 试 件 开 裂 点 极 限 点 的 荷 载 和 位 移 如 表 5-1 所 示 表 5-1 各 试 件 加 载 特 征 点 结 果 试 件 编 号 垂 直 压 力 (KN) 轴 压 比 开 裂 荷 载 (KN) 开 裂 位 移 (mm) 极 限 荷 载 (KN) 极 限 荷 载 对 应 位 移 (mm) SSW 1. 112.4.37 SSW 2.1 18.1.48 521.8 6.14 SSW 3 4.2 29.6.54 587.2 7.38 DSW 1A. 17.8.29 316.3 7.45 DSW 1B.1 17.6.45 399.5 8.83 DSW 1C 4.2 27.9.43 487.9 8.13 DSW 2A. 99.3.33 37.3 7.42 DSW 2B.1 177.7.48 381.1 6.23 DSW 2C 4.2 21.2.5 469.1 6.2 DSW 3A. 94.5.34 37.7 5.97 DSW 3B.1 15.8.43 393.6 5.36 DSW 3C 4.2 181.3.47 473. 6.13 注 :SSW-1 因 底 梁 安 装 不 当, 在 加 载 后 期 发 生 拉 剪 破 坏, 没 有 得 到 极 限 荷 载 图 5.1(a) SSW-2 破 坏 形 态 -76-
图 5.1(b) DSW-1B 破 坏 形 态 5.1.2 四 层 剪 力 墙 破 坏 过 程 (1) 实 体 墙 SSW-T 在 第 一 循 环 中 (F max =5kN), 当 水 平 力 达 到 5kN 时, 在 距 墙 体 受 拉 侧 暗 柱 底 部 约 3cm 处 出 现 一 近 水 平 微 裂 缝, 力 反 向 时 能 闭 合, 另 一 侧 无 可 见 裂 缝 第 二 循 环 时 (F max =8kN), 原 有 水 平 裂 缝 变 粗 并 向 内 延 伸, 力 反 向 时 墙 体 另 一 外 侧 底 部 出 现 水 平 缝 第 三 循 环 时 (F max =1kN), 在 原 有 裂 缝 的 上 下 又 出 现 三 条 近 水 平 缝, 与 原 有 裂 缝 的 间 距 在 5cm 左 右, 原 有 裂 缝 进 一 步 加 粗, 当 两 方 向 的 水 平 力 各 达 到 1kN 时, 两 侧 暗 柱 底 部 纵 筋 均 达 到 拉 伸 屈 服, 而 此 时 水 平 抗 剪 筋 的 最 大 应 变 只 有 243 微 应 变, 后 改 为 位 移 控 制, 每 级 循 环 三 次 第 四 五 六 次 循 环 时, 墙 体 两 外 侧 下 部 弯 曲 水 平 缝 急 剧 增 多, 距 暗 柱 底 部 约 9cm 部 位 亦 出 现 近 水 平 缝, 并 随 着 高 度 的 增 加, 倾 角 增 加, 但 都 在 2 以 内, 底 部 两 侧 水 平 缝 已 基 本 贯 通, 在 暗 柱 以 内 的 两 根 纵 筋 亦 拉 伸 屈 服 增 加 一 级 位 移, 在 第 七 八 九 次 循 环 时, 分 别 在 两 侧 距 底 部 4cm 12cm 处 形 成 两 条 主 裂 缝, 墙 体 中 心 处 的 竖 向 筋 拉 屈 第 十 十 一 十 二 次 循 环 时, 两 侧 暗 柱 底 部 混 凝 土 压 碎, 纵 筋 压 屈, 墙 体 两 外 侧 下 部 弯 曲 裂 缝 继 续 增 多, 但 趋 势 变 缓 第 十 三 十 四 十 五 次 循 环 时, 底 部 混 凝 土 压 碎 区 向 内 扩 展, 底 部 水 平 缝 进 一 步 加 宽, 在 墙 体 两 外 侧 距 底 部 1.2m 处 也 出 现 弯 曲 裂 缝 第 十 六 十 七 十 八 循 环 时, 水 平 力 下 降 到 极 限 荷 载 的 85 % 左 右, 试 验 停 止, 所 有 纵 筋 底 部 均 屈 服, 而 水 平 筋 无 一 屈 服 试 件 的 最 后 破 坏 形 态 如 图 5.1(c) 所 示 (2) 耗 能 墙 DSW-T 在 第 一 循 环 中 (F max =5kN), 水 平 力 达 到 45kN 时, 在 一 侧 暗 柱 距 底 部 约 5cm 处 出 现 一 水 平 可 见 裂 缝, 力 反 向 达 到 5kN 时, 另 一 侧 暗 柱 底 部 亦 出 现 一 水 平 裂 -77-
缝 第 二 循 环 时 (F max =8kN), 原 有 裂 缝 向 内 延 伸 扩 展, 并 在 其 上 下 各 出 现 两 条 水 平 弯 曲 缝, 中 间 橡 胶 带 开 始 摩 擦 错 动 ; 水 平 力 达 到 55kN 时, 在 竖 缝 两 侧 一 二 层 高 度 处 ( 即 穿 越 橡 胶 带 的 钢 筋 处 ) 出 现 很 细 微 的 水 平 缝 ; 水 平 力 达 到 6kN 时, 中 间 缝 一 侧 底 部 出 现 近 水 平 缝, 力 反 向 时, 另 一 侧 底 部 也 出 现 一 近 水 平 缝 ; 水 平 力 达 到 65kN 时, 一 二 层 高 度 处 穿 越 橡 胶 带 的 钢 筋 屈 服 ; 水 平 力 达 到 75kN 时, 三 四 层 高 度 处 穿 越 橡 胶 带 的 钢 筋 屈 服 ; 水 平 力 达 到 8kN 时, 两 侧 暗 柱 底 部 纵 筋 拉 屈 后 改 为 位 移 控 制, 每 级 循 环 三 次 第 三 四 五 次 循 环 时, 原 有 裂 缝 继 续 变 粗 并 向 内 延 伸, 两 侧 暗 柱 下 部 的 水 平 弯 曲 裂 缝 急 剧 增 多, 距 底 部 1m 处 也 出 现 水 平 缝, 缝 两 侧 底 部 纵 筋 拉 屈, 一 二 层 竖 缝 旁 穿 越 橡 胶 带 的 钢 筋 两 侧 的 混 凝 土 开 始 酥 裂 剥 落 第 六 七 八 次 循 环 时, 三 四 层 竖 缝 旁 穿 越 橡 胶 带 的 钢 筋 两 侧 的 混 凝 土 开 始 酥 裂 剥 落, 接 着 两 暗 柱 底 部 出 现 竖 向 裂 缝, 混 凝 土 压 碎, 纵 筋 压 屈, 试 件 达 到 极 限 承 载 力 第 九 十 十 一 次 循 环 时, 两 侧 暗 柱 距 底 部 1.6m 处 也 出 现 水 平 缝, 缝 两 侧 底 部 混 凝 土 压 碎, 各 层 穿 越 橡 胶 带 的 钢 筋 两 侧 混 凝 土 剥 落 的 区 域 扩 大 第 十 二 十 三 十 四 次 循 环 时, 各 墙 肢 两 侧 底 部 混 凝 土 压 碎 区 域 不 断 扩 大, 底 部 水 平 缝 已 贯 通, 除 底 部 裂 缝 较 粗 外, 其 余 均 为 细 裂 缝 第 十 五 十 六 十 七 次 循 环 时, 裂 缝 变 化 情 况 较 小, 底 部 和 竖 缝 处 穿 越 橡 胶 带 的 钢 筋 两 侧 的 破 坏 进 一 步 加 剧, 水 平 力 减 小 到 极 限 承 载 力 的 85% 左 右, 试 验 停 止 与 实 体 墙 相 比, 耗 能 墙 的 破 坏 区 域 更 分 散, 底 部 的 破 坏 要 轻 些, 试 件 的 最 后 破 坏 形 态 如 图 5.1(d) 所 示 图 5.1(c) 实 体 墙 破 坏 形 态 图 5.1(d) 耗 能 墙 破 坏 形 态 5.2 试 验 结 果 分 析 5.2.1 单 层 剪 力 墙 试 验 结 果 分 析 -78-
同 济 大 学 土 木 工 程 防 灾 国 家 重 点 实 验 室 构 件 及 节 点 静 力 试 验 数 据 库 剪 力 墙 R1~R2( 蒋 欢 军 ) (1). 荷 载 位 移 滞 回 曲 线 单 层 剪 力 墙 各 试 件 的 荷 载 - 位 移 滞 回 曲 线 如 图 5.2(a) 所 示, 有 如 下 特 点 : 墙 体 开 裂 前, 滞 回 曲 线 近 似 于 直 线, 加 载 和 卸 载 曲 线 基 本 重 合, 滞 回 环 面 积 很 小, 试 件 基 本 处 于 弹 性 阶 段 开 裂 后 初 期, 刚 度 退 化, 滞 回 环 明 显 弯 曲, 卸 载 后 有 残 余 变 形, 滞 回 环 面 积 逐 渐 增 大, 但 滞 回 环 处 于 稳 定 发 展 阶 段, 试 件 进 入 弹 塑 性 当 暗 柱 底 部 纵 筋 屈 服 并 发 生 较 大 非 线 性 变 形 后, 滞 回 环 明 显 增 大 在 同 一 位 移 下 循 环, 刚 度 强 度 均 产 生 明 显 退 化, 形 状 呈 反 S 形, 处 于 不 稳 定 发 展 阶 段 到 达 极 限 荷 载 后, 实 体 墙 均 发 生 脆 性 剪 切 破 坏, 承 载 力 突 然 下 降, 滞 回 曲 线 基 本 无 下 降 段 ; 而 耗 能 墙 在 无 轴 压 和 轴 压 比.1 时, 承 载 力 下 降 缓 慢, 滞 回 曲 线 平 缓 下 降, 表 现 出 良 好 的 延 性, 在 轴 压 比 为.2 时, 下 降 变 陡, 但 仍 显 示 出 一 定 的 延 性 各 试 件 在 接 近 极 限 荷 载 开 始, 都 表 现 出 滑 移 效 应, 曲 线 向 原 点 捏 拢 原 因 在 于 : 在 反 向 加 载 初 期, 由 于 正 向 加 载 产 生 的 裂 缝 尚 未 闭 合, 抗 剪 刚 度 主 要 由 钢 筋 骨 架 提 供, 刚 度 很 小, 在 反 向 加 载 后 期, 裂 缝 逐 渐 闭 合, 混 凝 土 参 与 受 力, 刚 度 增 大 由 于 捏 拢 现 象 的 存 在, 卸 载 接 近 零 载 时, 刚 度 急 剧 减 小, 有 利 于 试 件 残 余 变 形 的 恢 复 同 时, 零 载 刚 度 的 退 化 也 比 较 明 显 4 3 1 - -3-4 -5-6 -8-6 -4-2 2 4 6 7 6 5 4 3 1 - -3-4 -5-6 -7-1 -8-6 -4-2 2 4 6 8 1 (a) SSW-2 (b) SSW-3 4 4 3 3 1 1 - - -3-3 -2-15 -1-5 5 1 15 2-4 -15-1 -5 5 1 15 2 (c) DSW-1A (d) DSW-1B -79-
同 济 大 学 土 木 工 程 防 灾 国 家 重 点 实 验 室 构 件 及 节 点 静 力 试 验 数 据 库 剪 力 墙 R1~R2( 蒋 欢 军 ) 5 4 3 1 - -3-4 -5-15 -1-5 5 1 15 4 3 1 - -3 (e) DSW-1C -4-15 -1-5 5 1 15 2 4 (g) DSW-2B 4 3 1 - -3-25 -2-15 -1-5 5 1 15 2 5 4 3 1 - -3-4 (f) DSW-2A -5-1 -8-6 -4-2 2 4 6 8 1 12 4 (h) DSW-2C 3 3 1 1 - - -3-3 -15-1 -5 5 1 15-4 -2-15 -1-5 5 1 15 2 (i) DSW-3A (j) DSW-3B -8-
同 济 大 学 土 木 工 程 防 灾 国 家 重 点 实 验 室 构 件 及 节 点 静 力 试 验 数 据 库 剪 力 墙 R1~R2( 蒋 欢 军 ) 5 4 3 1 - -3-4 -5-15 -1-5 5 1 (k) DSW-3C 图 5.2(a) 荷 载 - 位 移 滞 回 曲 线 (2). 破 坏 机 理 对 于 实 体 墙, 当 轴 压 比 较 小 时, 首 先 在 墙 体 中 下 部 产 生 弯 剪 裂 缝, 接 着 在 墙 体 中 部 由 于 剪 力 引 起 的 主 拉 应 力 超 过 抗 拉 强 度 产 生 斜 裂 缝 当 轴 压 比 增 大 时, 最 大 主 拉 应 力 出 现 在 墙 体 中 部, 因 而 先 出 现 的 是 墙 体 中 部 的 剪 切 斜 裂 缝, 然 后 在 两 侧 出 现 弯 剪 裂 缝 随 着 剪 切 斜 裂 缝 的 变 宽, 穿 越 斜 裂 缝 的 水 平 抗 剪 钢 筋 屈 服 最 后 由 于 底 部 裂 缝 的 贯 通 加 宽, 混 凝 土 的 咬 合 抗 剪 作 用 大 大 减 小, 而 且 暗 柱 的 尺 寸 较 小, 不 能 对 墙 体 产 生 有 效 的 约 束 作 用, 暗 柱 的 纵 筋 也 少, 纵 筋 的 销 栓 作 用 提 供 的 抗 剪 能 力 不 强, 因 而 往 往 在 达 到 极 限 荷 载 后, 混 凝 土 的 骨 料 咬 合 遭 到 破 坏, 墙 体 抗 剪 能 力 降 低 而 造 成 脆 性 的 底 部 剪 切 滑 移 破 坏 耗 能 墙 在 加 载 初 始, 通 过 分 析 所 测 得 的 墙 底 截 面 纵 筋 应 变 发 现, 若 扣 除 顶 部 压 应 力 的 影 响, 各 墙 肢 内 外 两 侧 底 部 纵 筋 的 应 变 符 号 相 反, 且 内 侧 为 外 侧 的 1/4~1/3 左 右, 中 和 轴 一 直 在 墙 内 侧 附 近 移 动, 可 见 底 部 截 面 应 变 同 时 受 整 体 弯 曲 和 局 部 弯 曲 的 影 响, 两 墙 肢 介 于 整 体 墙 与 独 立 墙 之 间, 且 偏 向 于 整 体 墙 初 裂 受 墙 体 弯 曲 效 应 增 加 的 影 响, 先 出 现 的 是 暗 柱 下 部 的 弯 曲 裂 缝 随 着 荷 载 的 增 加, 水 平 缝 斜 向 下 发 展 成 弯 剪 裂 缝, 接 着 出 现 的 是 墙 体 中 部 的 剪 切 斜 裂 缝, 不 久 由 于 两 墙 肢 的 错 动 引 起 竖 缝 旁 穿 越 橡 胶 带 的 钢 筋 两 侧 出 现 水 平 劈 裂 裂 缝 接 着, 内 侧 墙 肢 下 部 也 出 现 了 弯 曲 裂 缝, 并 发 展 成 弯 剪 斜 裂 缝 随 着 荷 载 的 增 加, 竖 缝 旁 穿 越 橡 胶 带 的 钢 筋 两 侧 混 凝 土 压 碎 剥 落 后 墙 体 中 部 的 斜 裂 缝 发 展 成 几 条 伸 入 底 部 受 压 区 的 主 裂 缝, 虽 然 裂 缝 宽 度 不 大, 但 穿 越 其 中 的 水 平 筋 达 到 屈 服 由 于 底 部 水 平 裂 缝 向 内 延 伸, 压 区 高 度 减 小, 暗 柱 底 部 混 凝 土 压 碎, 试 件 达 到 极 限 承 载 力, 接 着 底 部 竖 缝 两 侧 混 凝 土 也 被 压 碎 随 着 循 环 次 数 的 增 多, 各 墙 肢 两 侧 的 混 凝 土 压 碎 区 向 中 间 延 伸 并 最 终 形 成 一 贯 通 的 混 凝 土 碎 裂 带, 试 件 破 坏 (3). 加 载 特 征 点 的 确 定 和 比 较 -81-
本 文 以 荷 载 - 位 移 骨 架 曲 线 上 的 第 一 个 比 较 明 显 的 拐 点 作 为 开 裂 点 ; 用 图 解 法 确 定 屈 服 点 ; 对 于 呈 脆 性 破 坏 的 实 体 墙 可 定 义 极 限 荷 载 点 即 为 破 坏 点, 对 于 有 屈 服 的 耗 能 墙, 本 文 取 荷 载 - 位 移 曲 线 下 降 段 中.85P u 对 应 的 点 为 破 坏 点 实 体 墙 和 耗 能 墙 的 特 征 点 对 比 情 况 如 表 5-2(a) 所 示, 延 性 系 数 如 表 5-2(b) 所 示 从 表 中 可 以 看 出 耗 能 墙 的 延 性 系 数 比 实 体 墙 有 显 著 提 高 在.1 的 轴 压 比 下, 耗 能 墙 为 实 体 墙 的 2.6 倍, 在 轴 压 比 为.2 时 为 1.8 倍 在 低 轴 压 比 下, 轴 压 比 对 耗 能 墙 的 延 性 影 响 不 大, 而 轴 压 比 为.2 时 有 明 显 下 降, 但 与 实 体 墙 相 比 仍 有 较 好 的 延 性 轴 压 比 实 体 墙 P cr1 (KN) 表 5-2(a) 开 裂 荷 载 和 极 限 荷 载 比 较 耗 能 墙 P cr2 (KN) P cr2 / P cr1 (%) 实 体 墙 P u1 (KN) 耗 能 墙 P u2 (KN) P u2 / P u1 (%). 112.4 1.5 89.4 31.4.1 18.1 166.4 92.4 521.8 391.4 75..2 29.6 196.8 93.9 587.2 476.7 81.2 注 : 耗 能 墙 的 荷 载 值 为 各 组 的 平 均 值 表 5-2(b) 延 性 系 数 试 件 编 号 屈 服 位 移 Δ y (mm) 极 限 位 移 Δ u (mm) 延 性 系 数 Δ u /Δ y SSW SSW DSW DSW -2-3 -1A -1B DSW DSW DSW -1C -2A -2B DSW DSW DSW -2C -3A -3B DSW -3C 2.26 2.17 1.72 1.75 1.7 1.92 1.7 1.65 2.1 2. 1.6 6.14 7.38 14.6 14.6 11.51 11.96 11.11 9.12 1.46 11.9 8.9 2.7 3.4 8.2 8.3 6.8 6.2 6.5 5.5 5. 5.5 5.1 (4). 耗 能 机 理 及 耗 能 计 算 各 试 件 从 开 始 加 载 到 到 达 极 限 状 态 时 的 耗 能 值 和 极 限 位 移 时 等 效 阻 尼 比 如 表 5-2(c) 所 示 从 表 中 可 以 看 出, 在 相 同 轴 压 比 下, 耗 能 墙 的 耗 能 要 明 显 大 于 实 体 墙 在 轴 压 比 为.1 时, 耗 能 墙 的 耗 能 值 平 均 为 实 体 墙 的 2.8 倍, 在 轴 压 比 为.2 时, 耗 能 墙 的 耗 能 值 平 均 为 实 体 墙 的 1.6 倍 表 5-2(c) 滞 回 耗 能 和 阻 尼 比 墙 体 编 号 SSW- SSW- DSW- DSW- DSW- DSW- DSW- DSW- DSW- DSW- DSW- 2 3 1A 1B 1C 2A 2B 2C 3A 3B 3C 滞 回 耗 能 (KN.m) 8.54 1.24 17.42 2.25 15.49 19.67 25.79 17.31 18.2 24.63 16.47 阻 尼 比 (%) 14.6 15.8 21.7 21.4 19.9 22.3 22.5 2.2 17.1 21.9 24.1-82-
同 济 大 学 土 木 工 程 防 灾 国 家 重 点 实 验 室 构 件 及 节 点 静 力 试 验 数 据 库 剪 力 墙 R1~R2( 蒋 欢 军 ) 5.2.2 高 层 剪 力 墙 试 验 结 果 分 析 (1). 荷 载 位 移 滞 回 曲 线 两 试 件 的 荷 载 - 位 移 滞 回 曲 线 如 图 5.2(b) 所 示, 有 如 下 共 性 : 在 开 裂 后 屈 服 前, 滞 回 环 处 于 稳 定 发 展 阶 段, 卸 载 后 残 余 变 形 很 小, 滞 回 环 面 积 也 小, 耗 能 较 少 ; 屈 服 后, 滞 回 环 面 积 明 显 增 大, 耗 能 也 增 加, 在 同 一 位 移 下 循 环 三 次, 后 两 次 与 第 一 次 相 比, 强 度 和 加 载 刚 度 均 有 明 显 退 化, 而 卸 载 刚 度 的 退 化 不 明 显, 后 两 次 循 环 间 强 度 和 刚 度 退 化 减 小, 表 明 在 该 位 移 下 试 件 的 受 力 和 变 形 已 基 本 达 到 稳 定 ; 滞 回 环 比 较 饱 满, 呈 梭 型, 表 明 了 良 好 的 耗 能 能 力 ; 达 到 极 限 承 载 力 后, 承 载 力 下 降 缓 慢, 滞 回 曲 线 平 缓 下 降, 表 现 出 良 好 的 延 性 耗 能 墙 的 变 形 能 力 比 实 体 墙 更 强, 达 到 极 限 承 载 力 后, 承 载 力 下 降 更 趋 缓 慢, 显 示 出 更 好 的 延 性 15 1 5 15 1 5-5 -15-5 5 1 (a) 实 体 墙 -5-15 -5 5 1 (b) 耗 能 墙 图 5.2(b) 荷 载 - 位 移 滞 回 曲 线 (2). 破 坏 机 理 和 耗 能 计 算 对 于 实 体 墙, 首 先 在 墙 体 底 部 产 生 弯 曲 裂 缝, 随 着 弯 曲 裂 缝 的 延 伸 变 宽, 穿 越 其 中 的 纵 筋 拉 伸 屈 服, 接 着 由 于 底 部 受 压 区 的 减 小, 压 区 混 凝 土 压 碎, 纵 筋 压 屈, 试 件 达 到 极 限 承 载 力, 其 受 力 性 能 类 似 于 一 根 悬 臂 梁 对 于 耗 能 墙, 在 弹 性 阶 段 受 力 性 能 类 似 于 实 体 墙, 初 裂 与 实 体 墙 类 似 ; 接 着 由 于 两 墙 肢 的 错 动 在 竖 缝 处 穿 越 橡 胶 带 的 钢 筋 两 侧 产 生 水 平 劈 裂 裂 缝, 橡 胶 带 发 生 摩 擦 错 动, 试 件 的 抗 侧 刚 度 下 降 ; 随 着 两 墙 肢 错 动 的 加 剧, 竖 缝 处 的 耗 能 装 置 发 生 破 坏, 两 墙 肢 的 独 立 性 进 一 步 增 强, 最 后 两 墙 肢 也 都 发 生 了 弯 曲 破 坏 从 最 后 的 破 坏 形 态 看, 实 体 墙 底 部 的 破 坏 比 耗 能 墙 要 严 重, 耗 能 墙 的 破 坏 比 较 分 散, 沿 竖 缝 两 侧 也 产 生 了 破 坏, 耗 能 墙 比 实 体 墙 多 一 道 防 线 加 载 各 特 征 阶 段 的 等 效 阻 尼 比, 如 表 5-2(d) 所 示 从 表 中 可 以 看 出, 在 加 载 各 阶 段 中, 耗 能 墙 的 等 效 阻 尼 比 比 实 体 墙 有 明 显 的 提 高, 特 别 在 开 裂 阶 段 和 屈 服 -83-
阶 段, 增 幅 更 明 显, 分 别 达 62% 和 119% 表 5-2(d) 阻 尼 比 比 较 试 件 实 体 墙 耗 能 墙 耗 能 墙 / 实 体 墙 开 裂 时 阻 尼 比 5.% 8.1% 1.62 屈 服 时 阻 尼 比 7.2% 15.8% 2.19 极 限 状 态 时 阻 尼 比 24.8% 27.9% 1.13 (3). 加 载 特 征 点 延 性 及 刚 度 表 5-2(e) 加 载 特 征 点 延 性 刚 度 对 比 试 件 开 裂 荷 载 开 裂 位 移 屈 服 荷 载 屈 服 位 移 极 限 荷 载 极 限 位 移 位 移 延 性 弹 性 刚 度 (kn) (mm) (kn) (mm) (kn) (mm) d u /d y kn/mm 实 体 墙 52.12 2.17 99.48 9.21 124.65 57.6 6.2 24.4 耗 能 墙 44.27 2.56 79.33 1.38 9.4 87.2 8.4 17.29 5.3 小 结 1. 两 次 试 验 表 明, 无 论 是 低 墙 还 是 高 墙, 在 弹 性 阶 段, 耗 能 墙 的 抗 侧 刚 度 均 降 低 不 多, 两 墙 肢 基 本 处 于 整 体 工 作 这 样 可 实 现 小 震 时, 耗 能 墙 有 足 够 的 抗 侧 刚 度, 使 侧 移 得 到 控 制, 满 足 了 抗 震 设 防 第 一 水 准 的 要 求 2. 位 于 耗 能 剪 力 墙 中 部 的 耗 能 装 置, 在 加 载 过 程 中 依 靠 橡 胶 带 的 粘 弹 性 变 形 接 触 面 的 摩 擦 和 穿 越 橡 胶 带 的 钢 筋 的 反 复 屈 服 消 耗 了 大 部 份 能 量 另 外 耗 能 墙 的 开 裂 范 围 广, 能 充 分 利 用 墙 体 本 身 材 料 耗 能 试 验 表 明, 耗 能 墙 在 加 载 各 阶 段 的 阻 尼 和 耗 能 均 比 实 体 墙 有 明 显 提 高 3. 对 于 单 层 低 剪 力 墙, 开 裂 后, 耗 能 墙 的 各 墙 肢 独 立 性 增 强, 由 于 高 宽 比 的 改 变 使 剪 力 墙 从 实 体 时 的 脆 性 剪 切 破 坏 转 变 为 带 缝 时 的 延 性 弯 剪 破 坏, 使 剪 力 墙 的 变 形 能 力 增 加, 延 性 系 数 提 高 一 倍 左 右 ; 对 于 四 层 高 剪 力 墙, 耗 能 墙 的 延 性 系 数 比 实 体 墙 增 加 了 36%, 虽 然 最 后 墙 体 底 部 都 发 生 了 弯 曲 破 坏, 但 由 于 耗 能 装 置 的 率 先 屈 服 破 坏, 延 缓 和 减 小 了 墙 体 底 部 的 破 坏, 并 使 墙 体 的 破 坏 区 域 分 散, 更 有 利 于 震 后 修 复 4. 虽 然 耗 能 墙 的 极 限 承 载 力 平 均 比 实 体 墙 下 降 了 2% 左 右, 但 由 于 大 震 时, 耗 能 墙 因 各 墙 肢 独 立 性 的 增 强, 刚 度 减 小, 自 振 周 期 加 大, 会 避 开 地 面 运 动 的 卓 越 周 期, 从 而 减 小 地 震 作 用, 减 轻 地 震 灾 害, 因 此, 耗 能 墙 的 承 载 力 仍 能 满 足 抗 震 设 计 的 要 求 5. 随 着 轴 压 比 的 增 加, 耗 能 墙 的 承 载 能 力 有 明 显 提 高, 比 实 体 墙 更 为 显 著 在 低 轴 压 比 的 情 况 下, 轴 压 比 对 耗 能 墙 的 延 性 变 形 耗 能 等 抗 震 性 能 影 响 很 小 在 中 等 轴 压 比.2 时, 轴 压 比 会 减 小 耗 能 墙 的 延 性, 但 减 小 不 多, 与 实 体 墙 相 比, 仍 有 较 好 的 抗 震 性 能 -84-
6. 随 着 竖 缝 中 穿 越 橡 胶 带 的 钢 筋 面 积 的 增 加, 耗 能 墙 的 延 性 和 变 形 能 力 有 一 定 降 低, 承 载 力 和 弹 性 抗 侧 刚 度 的 增 加 不 明 显, 这 主 要 是 由 于 加 荷 顶 梁 断 开 处 存 在 着 一 定 的 摩 擦 和 约 束, 给 试 验 结 果 带 来 了 一 定 的 误 差, 减 弱 了 穿 越 橡 胶 带 的 钢 筋 面 积 对 竖 缝 处 剪 力 联 结 面 刚 度 和 强 度 的 影 响 -85-