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剪力墙结构抗震性能优越且造价合理,广泛用于抗震烈度高的地区。剪力墙构件作为主要抗侧构件,既要承受上部结构传下来的竖向荷载,又要承受地震及风引起的水平作用。近年来,高性能材料在土木工程中得到了广泛应用,其在提高结构性能、减轻自重及节约成本方面发挥巨大优势。其中,高强钢筋作为一种较常用的高性能材料,可减小混凝土结构的配筋率,节约钢筋用量,且可以增加钢筋间距,防止局部位置配筋过密,便于施工。600MPa级钢筋是我国自主研发的新型高强钢筋,具有较为明显的屈服平台及良好的延性,具有广阔的应用前景,但是,目前设计规范中未涵盖此类钢筋。因此,为推广600 MPa级钢筋在剪力墙中应用,本文进行了系列试验研究及理论分析,主要完成的工作如下:
(1) 进行了4片一字形及3片T形剪力墙的拟静力试验,各试件的剪跨比均为 2,主要研究参数包括钢筋强度(600 MPa vs. 400 MPa),轴压比 (0.2 vs. 0.1 vs. 0.05),破坏模式(弯曲破坏vs.剪切破坏),截面形式(一字形vs. T形)以及加载方向(45o方向加载vs.腹板长度方向加载)等,通过对各试件的裂缝形式、破坏模式、滞回曲线、刚度退化、耗能、延性及钢筋应变等方面对比分析,明晰了试件的抗震性能以及破坏特征,获得了600MPa级钢筋作为抗弯及抗剪钢筋在混凝土剪力墙中的性能表现。
(2) 建立了600MPa级钢筋混凝土一字形及T形剪力墙精细有限元分析模型,获得其在低周往复荷载作用下的力-位移滞回曲线,并与试验滞回曲线进行对比,然后基于已被试验验证的有限元模型,分析高强钢筋类型,轴压比以及混凝土强度等参数对剪力墙滞回性能的影响,扩充试验结论。
(3) 建立了T形与I形剪力墙剪滞效应的统一计算方法。将截面的纵向位移简化成由剪滞翘曲位移、平面弯曲位移及轴力作用位移等三部分组成,并假定剪滞翘曲位移为二次抛物线。以剪滞效应产生的附加挠度为广义位移,利用最小势能原理建立剪滞效应计算方法,并结合试验获得的数据及数值算例对其计算准确性进行评估。
(4) 在对试验获得的弯曲破坏剪力墙刚度退化曲线研究的基础上,将试件刚度退化曲线简化为以开裂点,屈服点,峰值点以及极限点为特征点的四折线模型,建立了各特征点的计算方法,并利用文中及相关文献中的试验数据对其计算准确性进行评估。该刚度退化模型可获得剪力墙在不同位移下的刚度值,可为剪力墙弹塑性分析的刚度折减提供参考。
(5) 利用文中及相关文献中配置高强钢筋剪力墙的试验数据,对JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中剪力墙抗弯承载力计算公式的准确性及可靠性进行评估,其中参于评估的剪力墙试件的纵筋屈服强度在 617~1044MPa 之间。基于修正压力场及拱抗剪理论,建立了配置高强钢筋剪力墙抗剪承载力的桁架-拱计算方法,并基于试验获得的数据以及相关文献中的试验数据对其准确性及可靠性进行评估,其中参于评估的剪力墙试件的抗剪钢筋屈服强度在498~849MPa之间。
(6) 采用将骨架曲线与滞回规则结合的方法,建立了发生弯曲破坏的配置高强钢筋一字形及T形剪力墙的力-位移滞回曲线计算方法。其中,力-位移骨架曲线是采用将其简化为以开裂点,屈服点,峰值点以及极限点为特征点的折线模型进行建立,而滞回规则是基于Park恢复力模型的滞回规则,最后利用试验获得滞回曲线数据对该方法的准确性进行评估。
(7) 将发生剪切破坏的配置高强钢筋剪力墙的力-位移骨架曲线简化为以开裂点,峰值点以及极限点为特征点的三折线模型,然后通过获得各特征点值来建立力-位移骨架曲线计算方法,并用试验获得的数据与相关文献中试验数据对该三折线模型的准确性进行评估。
(1) 进行了4片一字形及3片T形剪力墙的拟静力试验,各试件的剪跨比均为 2,主要研究参数包括钢筋强度(600 MPa vs. 400 MPa),轴压比 (0.2 vs. 0.1 vs. 0.05),破坏模式(弯曲破坏vs.剪切破坏),截面形式(一字形vs. T形)以及加载方向(45o方向加载vs.腹板长度方向加载)等,通过对各试件的裂缝形式、破坏模式、滞回曲线、刚度退化、耗能、延性及钢筋应变等方面对比分析,明晰了试件的抗震性能以及破坏特征,获得了600MPa级钢筋作为抗弯及抗剪钢筋在混凝土剪力墙中的性能表现。
(2) 建立了600MPa级钢筋混凝土一字形及T形剪力墙精细有限元分析模型,获得其在低周往复荷载作用下的力-位移滞回曲线,并与试验滞回曲线进行对比,然后基于已被试验验证的有限元模型,分析高强钢筋类型,轴压比以及混凝土强度等参数对剪力墙滞回性能的影响,扩充试验结论。
(3) 建立了T形与I形剪力墙剪滞效应的统一计算方法。将截面的纵向位移简化成由剪滞翘曲位移、平面弯曲位移及轴力作用位移等三部分组成,并假定剪滞翘曲位移为二次抛物线。以剪滞效应产生的附加挠度为广义位移,利用最小势能原理建立剪滞效应计算方法,并结合试验获得的数据及数值算例对其计算准确性进行评估。
(4) 在对试验获得的弯曲破坏剪力墙刚度退化曲线研究的基础上,将试件刚度退化曲线简化为以开裂点,屈服点,峰值点以及极限点为特征点的四折线模型,建立了各特征点的计算方法,并利用文中及相关文献中的试验数据对其计算准确性进行评估。该刚度退化模型可获得剪力墙在不同位移下的刚度值,可为剪力墙弹塑性分析的刚度折减提供参考。
(5) 利用文中及相关文献中配置高强钢筋剪力墙的试验数据,对JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中剪力墙抗弯承载力计算公式的准确性及可靠性进行评估,其中参于评估的剪力墙试件的纵筋屈服强度在 617~1044MPa 之间。基于修正压力场及拱抗剪理论,建立了配置高强钢筋剪力墙抗剪承载力的桁架-拱计算方法,并基于试验获得的数据以及相关文献中的试验数据对其准确性及可靠性进行评估,其中参于评估的剪力墙试件的抗剪钢筋屈服强度在498~849MPa之间。
(6) 采用将骨架曲线与滞回规则结合的方法,建立了发生弯曲破坏的配置高强钢筋一字形及T形剪力墙的力-位移滞回曲线计算方法。其中,力-位移骨架曲线是采用将其简化为以开裂点,屈服点,峰值点以及极限点为特征点的折线模型进行建立,而滞回规则是基于Park恢复力模型的滞回规则,最后利用试验获得滞回曲线数据对该方法的准确性进行评估。
(7) 将发生剪切破坏的配置高强钢筋剪力墙的力-位移骨架曲线简化为以开裂点,峰值点以及极限点为特征点的三折线模型,然后通过获得各特征点值来建立力-位移骨架曲线计算方法,并用试验获得的数据与相关文献中试验数据对该三折线模型的准确性进行评估。