短肢剪力墙抗扭性能的试验研究

易祺 张敏

(广西科技大学土木建筑工程学院，广西 柳州 545006)

短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为4～8的剪力墙［1］，短肢剪力墙的受力性能介于框架柱与剪力墙之间。不少学者［2-5］对短肢剪力墙的抗震能力进行了研究，得出了许多有价值的结论:分析了墙肢高厚比对短肢墙结构基本性能的影响规律，提出了抗震构造措施的若干建议;分析了短肢剪力墙肢强系数、整体性系数、翼缘宽度、连梁配筋对剪力墙结构弹塑性性能的影响，进而通过提高短肢剪力墙延性来提高抗震性能等。

由于结构布置很难做到完全对称，地震作用下或多或少都存在扭转，而短肢剪力墙相对厚度较小，长度较短，故其抗扭转性能就成为一个关注的问题。

1 试验概况

1.1 试验设计

试验依照规范［1，6］设计了 L形、T形短肢剪力墙试件各2个，试件厚度均为100 mm，试件高度均为1.5 m。试件墙体配置的箍筋为HPB300级，直径4 mm;端部纵筋为HRB400级，直径为12 mm;分布纵筋为HRB400级，直径为8 mm。墙体两端设计了2个400 mm×800 mm×1 500 mm的钢筋混凝土支座(图1)。

1.2 材性试验

混凝土采用柳州东方预拌混凝土有限公司生产的商品混凝土。普通施工方式浇筑，自然养护，混凝土浇筑时，做了2组混凝土立方体标准试块，每组3块(共6块)取平均值，见表1。

钢筋采用柳州钢铁股份有限公司生产的热轧带肋钢筋和光圆钢筋，HRB400及HPB300各选取一组进行强度测试，见表2。

轴压比取0.2，按照实测力学指标和截面面积计算轴压力:

表1 混凝土实测力学指标

表2 钢筋实测力学指标

图1 短肢剪力墙试件配筋(单位:mm)

1.3 加载设备

试件加载设备示意图见图2。试件底座用螺栓与地面锚固形成固定端，顶部与作动器及刚性反力架连接，提供试验扭矩。实验过程中竖向荷载由液压稳压器控制的油压千斤顶施加，所需稳压的荷载值事先标定;水平荷载由MTS电液伺服系统控制、采集。

图2 试件加载设备示意图

1.4 测点布置及加载制度

测点布置示意图如图3所示，位移计分别布置在墙体翼缘两端。测试内容为试验过程中的轴向压力和水平力的大小，通过顶部位移计和底部位移计的读数计算相应的扭转角。

图3 位移计布置示意图

加载方式:构件固定好后，将位移计安装在预定位置，然后将位移计的引出线连接到电阻式应变采集仪上，将采集仪全部初始化调零。先施加轴向压力的20%，然后施加扭矩预估极限荷载的5%，检查各试验仪器是否工作正常，直到满足要求并保持恒定后卸载。再分两级施加竖向轴压力到设计值，每级取设计值的50%。分级施加水平扭矩:刚开始每级取极限荷载的10%，施加3级，然后每级取极限荷载的5%施加往复缓慢加至构件开裂。当构件开裂之后，继续取极限荷载的10%施加至极限荷载或者位移计的最大位移超过一定值(如20 mm)。当荷载无法继续增加或者位移计最大位移的增量超过一定值(如20 mm)后，采用等幅位移控制加载。在随后的加载过程中每级按位移计的位移增量△=10 mm进行下去，直到承载力下降到极限承载力的80%时停止加载，认为此时构件已发生破坏。

2 试验结果及分析

试件LW800试验现象如下:

当T＜60 kN·m时，试件呈弹性状态，没有出现肉眼可识别裂缝;当T=60 kN·m时，试件腹板出现首条裂缝，近似呈45°，基本位于腹板长边中点处;继续增加，当T=80 kN·m时，在初裂缝旁产生了一些细微裂缝，同时初裂缝增大;当T增至100 kN·m时，出现较大位移，初裂缝持续增大并伴随声响，由于轴压力的存在，试件并未破坏而能继续承载，此时进入屈服阶段改用位移控制。当扭转角达到0.056 4时，结构剧烈变形，混凝土斜向压碎，此时初裂缝开裂至8 mm，同时多处混凝土脱落，结构扭转破坏。试件破坏裂缝见图4。

图4 试件LW800破坏现象

其他试件试验现象类似。在试验中观察T形，L形短肢剪力墙受扭破坏过程发现，短肢剪力墙的受扭腹板中部混凝土首先开裂，裂缝沿其上部和下部向外侧延伸，随后翼缘顶面中部的混凝土开裂，并向四周延伸，最后中部裂缝处钢筋受拉屈服，某一端混凝土受压而破裂。压扭状态下短肢剪力墙呈现扭转型破坏，实际应用时应考虑增强短肢剪力墙的抗扭性能。

根据试验数据整理的T-θ曲线如图5所示。

开裂扭矩与极限扭矩以及相应的扭转角试验数据见表3。根据弹性力学有切应力正应力σ=由莫尔应力原理，并考虑混凝土的塑性影响可以得到压扭状态开裂扭矩计算公式:

表3 开裂扭矩与极限扭矩以及相应的扭转角试验数据

式中:γ—塑性影响系数。

压扭状态下极限扭矩计算公式为:

短肢剪力墙扭转理论值与试验值比较见表4。

图5 试件T-θ曲线

表4 短肢剪力墙扭转理论值与试验值比较 kN·m

现行规范计算值偏小，结果趋于保守，无法准确估计短肢剪力墙开裂扭矩以及极限扭矩值。

同时无论是理论值还是试验值，延性系数μ均较小，说明短肢剪力墙结构扭转延性较差，实际应用时应尽量避免短肢剪力墙结构承受扭矩。

3 结论

通过分析轴压比为0.2的压扭状态下L形、T形短肢剪力墙试件，得到以下结论:

(1)通过试验现象分析可知，短肢剪力墙在压扭状态下呈扭转型破坏;通过破坏形态分析可知，设计时应加强结构的抗扭设计。

(2)短肢剪力墙抗扭延性较差，应当限制结构的扭转效应。一方面应当避免结构偏心过大导致结构扭转效应增大，即结构布置尽量规则、对称。另一方面应控制结构的抗扭刚度不应太弱，应控制结构扭转为主的第一振动周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比不应过大［1］。

(3)通过对比现行规范推导的开裂扭矩、极限扭矩计算公式与试验值，发现两者有较大差距，说明现行理论基础仍不完善，并不能真实反映短肢剪力墙结构的抗扭能力。

(4)相同轴压比时，构件尺寸越大，则开裂扭矩与极限扭矩也越大。

(5)短肢剪力墙通常处于压、弯、剪、扭复合受力的情况，试验主要分析了压扭状态下的短肢剪力墙破坏形态，其余各种情况未进行分析。

［1］建设部.高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010)［S］.北京:中国标准出版社，2010.

［2］程绍革，陈善阳，刘经伟.高层建筑短肢剪力墙结构振动台试验研究［J］.建筑科学:2000，16(1):12-16.

［3］黄东升，程文襄，彭飞.对称双肢短肢剪力墙的低周反复荷载试验研究［J］.建筑结构学报，2005，26(3):51-56.

［4］周云，刘自力，刘丰，等.一字形短肢剪力墙抗震性能的模型试验研究［J］.建筑结构学报，2008(4):81-88.

［5］姜大海，张敏.L形短肢剪力墙曲率延性分析［J］.广西工学院学报，2013，24(1):64-68.

［6］建设部.混凝土结构设计规范(GB50010-2010)［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［7］梁兴文.混凝土结构原理与设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005:200-207.