钢筋混凝土T形剪力墙现状研究

武广凤, 秦敬平

(枣庄学院 城市与建筑工程学院，山东 枣庄 277160)

0 引言

一字形截面的剪力墙是最为常见的，其受力清晰、便于平面布置，研究成果也十分丰富.然而，在建筑的转角处、周边纵横墙交界处、以及核心筒中，经常会出现两个或多个一字形墙相连形成异形截面墙，例如T形墙、L形墙、C形墙、U形墙等情况.异形墙的截面不一定对称，且一般同时承受两个水平方向的地震剪力和弯矩，受力复杂，其抗震性能和设计方法的研究尚不充分.

钢筋混凝土T形截面剪力墙，其受力特点是：翼缘的出现使得腹板侧受压时的截面抗弯承载力更高，刚度更大；而翼缘侧受压时，由于翼缘宽度大使得受压侧混凝土压应变发展缓慢，墙体的变形能力得到提高.目前国内外关于T形RC墙研究：一是数量少，大尺寸T形墙的试验数据有限；二是，已有的试验研究中，试件多数为低轴压比的墙，针对高层建筑底部高轴压比T形墙的研究非常有限.

本文总结了国内外对钢筋混凝土T形截面剪力墙的相关研究，为进一步研究T形墙的抗震性能和设计方法建立基础.

1 研究现状

1.1 约束边缘构件

在RC剪力墙塑性铰区域的两端设置约束边缘构件，可以有效改善剪力墙的压弯受力性能、提高其延性.对于T形墙而言，可在腹板端部、翼缘两个端部，腹板和翼缘交界处设置约束边缘构件，如图1所示.规范GB50011-2010[1]规定了不同位置的约束边缘构件的长度和配箍要求，如表1所示.

GB50011-2010[1]认为，约束边缘构件的长度受四个因素影响：有无翼缘或端柱、抗震等级、轴压比和墙肢的长度.当墙的某一侧设置翼缘或端柱时，可适当放松对该侧约束边缘构件长度的要求.同时GB50011-2010[1]通过规定配箍特征值λv对约束边缘构件的配箍量提出要求，此外还明确规定各抗震等级的箍筋最小间距.

图1 T形墙约束边缘构件详图

注：1)nd为墙肢设计轴压比，hw为墙肢的长度；

2)剪力墙的翼缘长度小于翼缘墙厚度的3倍或端柱截面边长小于2倍墙厚时，按无翼缘墙、无端柱查表；

3) lc为约束边缘构件沿墙肢的长度.对暗柱不应小于墙厚和400 mm的较大值；有翼墙或端柱时，不应小于翼墙厚度或端柱沿墙肢方向截面高度加300 mm；

4) λv为约束边缘构件的配箍特征值，体积配箍率按ρv≥λvfc/ fyv计算，并可适当计入满足构造要求且在墙端有可靠锚固的水平分布钢筋的截面面积.

美国ACI 318-14同样要求在延性剪力墙端部设置约束边缘构件，约束边缘构件的长度由下式[2]求得：

lc≥max(c-0.1lw,0.5c)

(1)

其中，c为受压区高度，lw为墙肢截面的长度.由公式可知，ACI 318-14由受压区高度大小判定边缘构件的长度，这主要受Wallace等[3]在1992年提出的基于位移的延性设计方法影响.该方法认为，在墙体达到目标位移时，需要对压应变超过0.003的混凝土提供箍筋约束.该设计方法在1999年被ACI 318-99[4]采用.对于配箍量，ACI 318-14要求约束边缘构件的箍筋面积和箍筋间距需满足下式[2]：

(2)

(3)

(4)

式中：Ashx,Ashy是x,y方向箍筋的截面面积；s为箍筋间距；hc,bc是约束区箍筋两个方向的尺寸；b为墙肢厚度；db为纵筋直径；hx为箍筋或拉筋的最大肢距.

2004年，Wallace等[3]对两片T形墙TW1和TW2进行对比试验，其中TW1的约束边缘构件参照一字形截面墙设计，TW2则按照基于位移的延性设计方法进行设计.两个试件主要的参数变化在腹板端部的边缘构件：TW2的边缘构件，其长度是TW1的2.7倍，箍筋间距是TW1的1/2，体积配箍率是TW1的1.5倍.试件破坏时，TW2的位移角达到了2.5%，是TW1的两倍.结果表明，需要增加腹板侧边缘构件的长度和配箍可以保证T形墙的延性和变形能力.

2017年，纪晓东等[5]就GB50011-2010[1]和ACI 318-14[2]对约束边缘构件长度的规定进行了对比，如图2所示.结果显示：在翼缘侧，ACI 318-14没有设置边缘构件，而GB50011-2010设置了一定范围的约束边缘构件；在腹板侧，当设计轴压比超过0.25，ACI要求的边缘构件长度大于GB50011-2010.在此基础上，纪晓东等学者对同一几何尺寸的高轴压比T形墙分别按照GB50011-2010和ACI 318-14进行设计，并采用X-tract程序计算T形墙的荷载-位移曲线，进行抗震性能分析.结果显示：在腹板受压侧，按照GB50011-2010设计的T形墙TWGB，其极限位移角为0.008，没有达到极限位移角不小于0.01的要求.墙体的破坏模式为腹板非约束混凝土压溃，表明约束边缘构件长度不足.按照ACI 318-14设计的T形墙TWACI，其极限位移角到达了0.03，抗震性能良好.在翼缘受压侧，TWGB和TWACI的荷载-位移曲线基本一致，表明在腹板和翼缘交界处设置约束边缘构件意义不大.

图2 T形墙水平荷载-位移关系曲线[5]

2017年，史庆轩等[6]对5个带翼缘剪力墙进行了拟静力试验，结果表明：增加腹板约束边缘构件的长度和配箍率，可以提高墙体的变形能力，使承载力下降平缓，抗震性能得到改善；另外，在腹板和翼缘的交界处设置约束边缘构件对试件的抗震性能影响不大.

1.2 轴压比

轴压比是RC剪力墙抗震设计中一个重要参数，对RC墙的承载力、刚度和延性都有影响.随着轴压比提高，RC墙的压弯承载力和刚度会有所提升，而延性会变差.因此，为了避免脆性破坏，改善RC墙的抗震性能，各个国家的规范都会对轴压比进行限制.GB 50011-2010[1]规定抗震等级为一级、设防烈度为8度时的剪力墙，其轴压比上限为0.50；UBC[7]和Eurocode 8[8]规定延性剪力墙的轴压比上限为0.35.

表2统计了部分已有T形墙试验研究的试件数据.由表中数据可以看出，T形墙的极限位移角与轴压比有关，随着轴压比提高，墙体的极限位移角变小，延性变差.这主要是由于轴压比会直接影响截面受压区高度和受压区混凝土的压应变大小，轴压比越高，边缘混凝土越容易达到极限压应变.由表1.2还可以看出，以往学者对T形RC墙的试验研究多数是在低轴压比下进行的，表中10个试件中轴压比试验值不超过0.10的占80%，高轴压比T形墙的试验数据较为缺乏.

表2 以往学者T形墙试验研究的轴压比与极限位移角

图3 以往学者T形墙研究的滞回曲线

1.3 加载方向

对于T形墙而言，常见的加载方向有沿腹板方向加载、沿翼缘方向加载和45°斜向加载.加载方向的不同，墙体的受力特性和抗震性能也不同.表2中的四位学者都对T形墙沿腹板方向加载进行了研究，试验得到的滞回曲线如图3所示：

当沿腹板方向对T形墙进行加载时，两个方向呈现不同的受力特征.翼缘侧受压时，承载力较低，达到峰值后承载力下降缓慢，墙体塑性变形能力强，延性好；腹板侧受压时，承载力较高，达到峰值后承载力下降迅速，墙体变形能力弱，延性较差.翼缘侧和腹板侧边缘构件内纵筋量的差异是造成两个方向承载力不同的主要原因.翼缘侧受压的变形能力强，得益于翼缘墙肢的宽度，这使得翼缘内混凝土应变发展缓慢，不易达到极限压应变.破坏形态一般多为腹板侧约束边缘构件的破坏，表现为约束混凝土压溃和纵筋受压屈曲.

Bruggen等[9]和史庆轩等[6]对T形墙沿翼缘方向加载进行了试验研究.结果表明，T形墙在沿翼缘方向加载时，两个方向的受力特征基本一致，类似于普通一字形剪力墙.另外，沿翼缘方向加载并不会对腹板方向的受力特征产生影响，这主要是因为沿翼缘方向加载时，腹板处在中和轴位置，损伤很小.

李冰等[10]对两组T形RC墙进行了试验研究，两组T形墙分别沿腹板方向加载和沿45°斜向加载.结果表明，T形墙在45°斜向加载下，正反两个方向的受力特征非常接近，破坏位移角也基本一样.相比于沿腹板方向加载，45°斜向加载的的试件表现出了更好的延性，最后的破坏状态多为墙肢平面外屈曲.

1.4 截面应变分布

吕西林等[11]对3个T形钢骨混凝土(SRC)剪力墙进行了试验研究，并采集了剪力墙底部截面的应变分布.结果表明：翼缘侧受压时，截面中性轴位于翼缘内，受压应变小，此处约束边缘构件的要求可适当放宽；腹板侧受压时，截面中性轴位于截面中间位置，造成腹板侧受压应变可达到0.02，因此腹板端的约束边缘构件需要进行合理设计.同时研究还发现，在试件的钢筋屈服前，截面应变分布与平截面假定基本一致，而在钢筋屈服后，截面应变分布不再符合平截面假定.

图4 Beyer等[12]的C形墙受力简图与底截面应变分布应变对比

Beyer等[12]对两片C形墙进行试验研究，发现在双向加载下，墙底部截面的应变分布与平截面假定计算的应变分布有较大差别.其受力简图与底截面应变分布对比图如图4所示.其中，图a为试验受力简图，图b为试验量测的应变分布，图c为平截面假定计算得到的应变分布.经过比较，发现在翼缘和腹板相交的两处地方，计算得到的应变与实际结果相差较大.可见，双向加载下，通过平截面假定计算截面的应变分布并不安全.李冰等[错误！未定义书签.]在T形墙45°斜向加载的研究中也发现了这一点.目前对T形墙双向加载的研究很少，尚且没有发现双向加载下的应变分布规律.

图5 T形墙翼缘剪力滞后现象

T形墙在翼缘受拉时，沿翼缘方向会出现应变中间高两边低分布不均的现象，这种现象称作翼缘剪力滞后.Wallace等[3]、Bruggen等[9]和李冰等[10]均发现了这一现象，如图5所示.各位学者的观点略有不同：Wallace认为翼缘的剪力滞后主要发生在加载后期；而Bruggen和李冰认为，在翼缘钢筋屈服时，就已经发生了剪力滞后.

吕西林等[11]针对T形SRC剪力墙的轴压比和翼缘剪力滞后关系进行了研究.结果表明，轴压比越小，翼缘剪力滞后的现象会越明显.同时研究还发现，在翼缘受压方向的加载后期，翼缘的应力分布呈现两边大中间小的分布形状.李冰等[10]在T形RC剪力墙的研究中也发现了翼缘受压时的剪力滞后现象，不过与吕西林的研究相反，李冰发现：在翼缘受压时，翼缘中间的压应变大于翼缘端部.吕西林认为是混凝土的裂面效应导致翼缘两端承受的压力大于翼缘中部，而李冰没有针对这一现象给出分析.

2 总结

通过对T形墙的研究调研，并重点分析了约束边缘构件、轴压比、加载方向等方面，得出如下结论：

(1)约束边缘构件的长度和配箍将直接影响T形墙的延性.在对比GB50011-2010[1]和ACI 318-14[2]后，发现两本规范对约束边缘构件的规定有不同之处.GB50011-2010在翼缘与腹板交界处设置约束边缘构件的要求可能过于保守，而在腹板侧的约束边缘构件的要求可能不足.相关规定的合理性有待验证.

(2)轴压比也会影响T形墙的延性.已有T形墙的试验研究都针对轴压比不超过0.10的低轴压比试件.T形墙在高轴压比下的受力和抗震性能缺乏相关的试验研究.

(3)T形墙的三种加载方向中，沿腹板方向加载和斜向加载比较有研究价值.目前来看，沿腹板方向加载的研究相对多一些，但仍不成熟；斜向加载的试验则更少，相关数据和成果更加匮乏，这主要与斜向加载需要更为复杂的加载与量测装置有关.

(4)平截面假定是计算截面承载力和应变分布的常用假定.已经有学者认为，在斜向加载下T形墙的应变分布不符合平截面假定.单向加载的情况下，有的学者认为平截面假定在一定程度上依然成立.

(5)翼缘剪力滞后是T形墙中常见的应力分布不均的现象.在翼缘受拉时，中间的钢筋受力最大，造成沿翼缘方向中间的应力比两边大.但关于此现象出现的阶段，目前存在不同观点.在翼缘受压时，已有学者发现剪力滞后现象，但关于应力集中在翼缘中部还是翼缘端部，目前也是存在不同观点.

综上，有必要对高轴压比的T形墙抗震性能进行深入研究，重点关注约束边缘构件的影响和截面的应变分布，这对T形墙的抗震设计非常重要.

[1] GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[2] ACI 318-14 Code requirements for structural concrete and commentary[C]. Farmington Hills, MI: American Concrete Institute, 2014.

[3] Wallace J W, Moehle J P. Ductility and detailing requirements of bearing wall buildings[J]. Journal of Structural Engineering, 1992, 118(6): 1625-1644.

[4] ACI 318-99 Code requirements for structural concrete and commentary[C]. Farmington Hills, MI: American Concrete Institute, 1999.

[5] Ji X, Liu D, Qian J. Improved design of special boundary elements for T-shaped reinforced concrete walls[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2017, 16(1): 83-95.

[6] 史庆轩, 王斌, 何伟锋, 等. 带翼缘钢筋混凝土剪力墙抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2017, 38(1): 106-115.

[7] Uniform Building Code 1997. Washington, D.C[C].International Conference of Building Official. April 1997.

[8] Eurocode 8 Design of structures for earthquake resistance. Brussels[C]. European Committee for Standardization, 2001.

[9] Brueggen B L. Performance of t-shaped reinforced concrete structural walls under multi-directional loadind[D]. Minneapolis, MN: University of Minnesota, 2009.

[10] Zhang Z, Li B. Seismic performance assessment of slender t-shaped reinforced concrete walls. Journal of Earthquake Engineering[J].2016, 20(8): 1342-1369.

[11] 吕西林, 阳菊华, 蒋欢军. 型钢混凝土T形截面剪力墙抗震性能试验研究[J].建筑结构学报, 2014, 35(3): 46-52.

[12] Beyer K, Dazio A, Priestley M J N. Quasi-static cyclic tests of two U-shaped reinforced concrete walls[J].Journal of Earthquake Engineering, 2008, 12(7): 1023-1053.