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摘 要：运用机构控制理论，对钢筋混凝土一榀两跨三层对称壁式框架模型预设人工塑性铰，通过拟静力试验方法，对其进行了低周反复倒三角形荷载作用下的弹塑性试验，分析壁式框架的破坏型态和滞回曲线。
关键词 壁式框架；人工塑性铰；双控连梁；滞回曲线；连梁抗剪
前言
影响开洞剪力墙延性的环节有墙肢底部，水平施工缝及连系梁。墙肢一般为主要承重构件，一般做法是通过构造措施，尽量避免发生剪切脆性破坏；水平施工缝可以通过构造措施来加强，文献【1】对此有专门研究。因此，影响开洞剪力墙延性的三个重要因素中，连梁成为改善剪力墙延性的关键。
由于连梁是改善剪力墙延性的关键，近几年来，国内外对此进行了许多研究探讨。Paulay【2】沿对角线配筋的构造方式，使得延性和耗能性能得到较大的改善，但因施工困难且受力后期受压斜筋容易失稳，所以应用受到限制。McGill大学Saeed.Mirza【3】研究在单调加载作用下，配置交叉斜筋和常规配筋方式相结合的双肢剪力墙的变形性能，并对不同剪跨比的连梁在交叉配筋情况下的延性作了比较。清华大学【4】引进了开水平缝的构造措施，使深梁变为浅梁，使剪切破坏转变为弯曲破坏。西安冶金建筑学院工程结构研究室王崇昌、王宗泽两教授提出一个新的“钢筋混凝土弹射向抗震结构的机构控制理论”【5】，其主要特点，不是侧重于寻找不可预测的地震及地震结构反应，而是通过构造措施和设计手段对结构加以控制，使之形成最佳耗能机构，以吸收和耗散地震能量。
本文针对一榀两跨三层对称壁式框架模型进行弹塑性试验。通过对其进行低周反复加载试验，对比双控连梁及常规壁式框架的滞回特性、变形行为、破坏形态，从试验方面探究连梁消震作用，研究连梁形成最佳耗能机构的必要条件，并提出壁式框架试用计算方法建议。
一、试验概况
1.1 试件设计
本实验做了一榀两跨三层对称式框架。缩尺比例为1:3，模型总高度3830mm。按照“机构控制”原则，将“人工塑性铰”嵌于梁端和墙根部。连梁截面有两种形式，BL和BR1、3、5为一种，截面尺寸为160x100；BL和BR2、4、6为一种，截面尺寸为250x700；连梁箍筋在塑性铰区加密。混凝土按C30配置。分别给各杆件编号、截面配筋如图1.1。
1.2 试验方案
试验在静力台座上进行。试件基础通过地脚螺栓固定在台座上。三个水平集中荷载由作动器施加；竖向荷载分别由千斤顶通过分载梁作用到墙肢顶部。为防止试件平面外挠曲，试件中部加一水平撑。加载装置如图1.1。
墙肢上施加四个竖向荷载，轴压比为0.2，并保持恒稳；然后低周反复施加三个成倒三角形分布的水平集中荷载。到达结构承载力前，以荷载控制，顶点荷载增量7kN为一级，每级循环一次；超过承载力后，以位移控制，顶点侧移增量5mm为一级，每级循环两次。
1.3 测试内容及仪表布置
钢筋应变片采用2×3mm规格胶基应变片，连梁应变片支在BR1-BR6上各交叉斜筋的弯起点附近以及交叉点附近布置，墙肢钢筋应变片在一层布置；水平位移由电子位移计测量，并经由X-Y函数记录仪绘制P-Δ滞回曲线；连系梁转角及墙肢变形监测仪表布置如图1.1。
二、试件开裂过程及破坏形态描述
连梁BR4首先出现横向微裂缝，接着BL4，BL2，BR2也出现横向裂缝，而后所有连梁均出现横向斜裂缝，接着这些裂缝开展、贯通。到达极限荷载时，最大裂缝宽度可达5mm，最后还出現一些粘结撕裂裂缝。最后，由于结构在一层连梁（BL4、BL5）处发生平面外挠曲，中间墙肢底部混凝土迅速剥落，致使结构性能迅速退化，达到破坏状态。
首先连梁在端部出现弯曲裂缝的塑性铰，然后强制出现弯剪及剪切裂缝，最后结构破坏以墙肢弯曲压溃破坏形态为标志，形成梁式侧移结构。尽管壁式框架模型的高宽比为1:0.76；剪切变形影响较大，但施加人工塑性铰后，不仅其变形行为得到控制，而且破坏形态，同样可以控制，达到了试验目的。
三、连梁滞回特性分析
3.1 连梁屈服顺序
根据实测钢筋应变可以算出各构件的屈服顺序。最先出现塑形铰的是中间层连梁BR4，然后向上下发展，待上部连梁都出铰后；墙根部出现塑性铰。从第一个连梁出铰到墙肢屈服，中间距离较长，说明连梁出现塑性过早，而墙肢屈服极限强度比值有待进一步的调整。
3.2连梁纵筋应变分析
在达到最大荷载Pm前塑性铰区纵筋已全部屈服，这说明人工塑性铰的形成在墙肢破坏之前。而各层连梁纵向钢筋屈服的强度不一致，一层连梁BR5屈服最早，底部连梁BR6最晚。
纵筋的屈服一般在洞口边缘截面即预控的人工塑性铰处发生，最后向墙肢及梁跨中方向延伸。从实验现象看，当结构破坏时，几乎所有的纵筋在洞口边缘截面，左或右都有粘结撕裂产生，这是由于反复荷载作用下产生粘结裂缝。
3.2连梁交叉筋应变分析
壁式框架实验中由连梁交叉钢筋的P-ε滞回曲线图3.1可以得出，钢筋应变均为正值始终参与受拉工作，尤其在弹塑性变形后期，钢筋表现出很大的塑性，说明裂缝开展使交叉筋也参与抗弯。有些交叉筋已屈服，这是由于塑性铰的抗剪及抗剪切滑移主要靠斜筋来承担，而且在后期斜筋同时承受抗弯、抗剪、抗剪切滑移。交叉屈服意味着剪切滑移出现在铰区，对于结构整体工作不利。表3.1列出了预控设计中的抗剪参数。
5. 结语
（1）本实验试件高宽比为1:0.76，剪切变形影响较大，若将人工塑性铰嵌入连梁两端及墙肢根部，并将连梁开水平缝，能有效地控制连梁塑性铰出现的位置及塑性铰的开展速度，底层墙肢开始时出现一些剪切斜裂缝，但开展较慢，连梁塑性铰出现后，墙肢的玩去变形突出，结构破坏以墙肢底部弯曲压溃为标志，形成梁铰侧移机构。证明机构控制理论对于高宽比较小的壁式框架是适用的。
（2）此次试验中，顶点的位移延性系数为3.7，而连梁的最大延性系数为13.4。由此，可以推知对于高宽比较小的剪力墙结构，由于顶点延性系数较大，对于连梁极限转角及延性的要求很高，在类似的结构设计中，应较为注意。
（3）在反复荷载作用下交叉钢筋应考虑其抗剪和抗剪切滑移，对钢筋的抗剪能力应考虑一定的修正，本文引入β系数，可对类似问题提供理论参考。
参考文献：
[1]T. Paulay And R. Park. Reinforced Concrete Structure[M]
[2]AR Santhakumar. Ductile Behaviour Of Coupled Shear Walls Subjected To Reversed Cyclic Loading[J]
[3]Saeed.Mirza. [J] Reinforced Concrete Structures Subjected To Wind And Earthquake Forces[J].
[4]李国威, 李文明. 反复荷载下钢筋混凝土剪力墙连系梁的强度和延性[C]. 第八届全国高层建筑结构学术交流会论文集, 1984:7-14..
[5]王崇昌, 王宗哲. 钢筋混凝土弹塑性抗震结构的机构控制理论[J]. 西安建筑科技大学学报(自然科学版), 1986(2):4-15.
论文作者:孙立德
论文发表刊物:《防护工程》2017年第10期
论文发表时间:2017/9/7
标签：塑性论文; 延性论文; 荷载论文; 裂缝论文; 结构论文; 钢筋论文; 应变论文; 《防护工程》2017年第10期论文;