浅谈RC剪力墙构件与结构抗震性能改善方法

荣先亮 西安建筑科技大学 陕西西安 710055

引 言

RC剪力墙作为RC框剪、剪力墙等结构的主要抗侧力构件，广泛应用于现代高层建筑结构中。在水平地震作用下，不同剪跨比RC剪力墙常表现为弯曲，弯剪及剪切破坏状态。然而需要指出的是：弯剪与剪切破坏时，RC剪力墙塑性铰区域损伤严重，破坏突然，抗震性能较差。鉴于此，本文通过在RC剪力墙构件塑性铰区采用纤维增强混凝土替代普通混凝土以及采用多塑性铰剪力墙结构，以减小剪力墙结构与构件在罕遇地震作用下的内力，提高结构抗震性能，降低震后修复费用。

1 RC剪力墙抗震性能试验研究

近年来，国内外学者就RC剪力墙抗震性能开展了大量研究且大部分学者均使用位移控制或位移与荷载混合控制的拟静力加载方法得到剪力墙构件在水平作用力下的墙顶水平荷载-位移关系。通过研究分析墙体荷载-位移关系，得出：较低剪跨比RC剪力墙在水平地震作用下整个破坏过程通常表现为：墙体脚部外侧纵向受拉钢筋屈服→受压区混凝土压碎剥落→箍筋逐渐屈服发展→核心区混凝土逐步压酥→个别纵向钢筋压屈→箍筋弯钩拉直张开→纵向钢筋压屈呈“灯笼状”，最终因承载力迅速下降，构件宣告破坏。由整个破坏过程可见：剪力墙构件变形性能及抗震性能较差，呈典型的弯剪或剪切破坏。

2 纤维增强混凝土优点

纤维增强混凝土是一种高韧性的延性混凝土，现有研究表明：1) FRC具有超高的受拉应变-硬化性能及受压应变能力，故可用于高剪应力作用下的受弯构件和受剪为主的构件，部分减少甚至替代抗震构件中约束钢筋的数量；2) FRC可增大受剪及受弯RC构件的变形能力、损伤容限以及受剪强度，即使在无横向钢筋或横向钢筋很少时，RC构件仍具有较高的变形能力、损伤容限以及受剪强度。

此外，FRC已逐渐走上绿色化道路（用工业废料粉煤灰部分替代水泥），经活性掺合料与纤维的有效复合，界面结构的优化与强化、界面粘结和界面效应的发挥与提高，提高了普通混凝土材料各项关键性能；同时，大幅度提升了RC结构的耐久性及建筑结构的服役寿命。此外，节约了大量的资源和能源，保护了生态环境。

3 RC剪力墙构件与结构抗震性能改善方法

RC剪力墙在水平地震作用下，通常其底部截面剪力及弯矩最大，为墙体危险部位。考虑RC剪力墙的抗震特点，结合FRC的力学性能优点，采用在RC剪力墙潜在塑性郊区使用纤维增强混凝土替代普通混凝土以改善RC结构与构件的损伤容限，承载能力，变形能力，抗剪性能以及抗震性能，从而减轻由地震所造成的RC结构与构件的破坏，便于震后修复，震后修复费用。

此外，我国规范推荐使用以第一振型为主的振型分解反应谱法（忽略高阶振型的影响）确定结构的内力和位移。而现有研究表明：在高烈度区，按照振型分解反应谱法设计即只在底部设置塑性铰区的剪力墙结构受到高阶振型影响较大，从而显著增加剪力墙结构地震反应。此时，为保证剪力墙结构在罕遇地震下安全可靠，满足抗震设防要求，同时使结构上部保持弹性，需要增加结构的截面配筋率，尤其是水平分布筋及箍筋配筋率，但随之带来的是梁柱节点处钢筋过密与经济性差的缺点。

随着剪力墙结构高度的不断增加，保证其上部处于弹性状态变的十分困难。鉴于此，Panagiotou等通过对结构进行数值分析，提出剪力墙结构双塑性铰区设计理论，即在剪力墙底部和H/2处分别设置塑性铰区即可显著降低高阶振型的影响。梁兴文等基于Panagiotou等的思路，应用PERFORM-3D软件，分别建立20层和40层钢筋混凝土框架-核心筒结构非线性纤维模型，通过对比罕遇地震作用下塑性铰数量和布置位置对结构体系地震反应的影响，提出当塑形郊区数量超过3个时，结构的地震内力基本保持不变，且沿高度方向均匀布置3个塑性铰可显著减小结构在罕遇地震下的内力及相应，使结构受高阶振型影响最小，提高结构的抗震性能。

4 结论

（1）FRC替代普通混凝土，可显著改善RC结构与构件的损伤容限与抗震性能，从而减轻由地震所造成的RC结构与构件的破坏，便于震后修复，减小地震后的修复费用。但纤维的分散效果，增韧性及纤维造价有待于改善。

（2）剪力墙结构均匀布置多塑性铰区可显著减小高阶振型的影响，大幅度降低地震反应，提高建筑结构的安全性能，提高建筑结构的经济效益。但不同高度剪力墙结构具体布置几个塑性铰区才能使结构抗震性能达到最优化有待于进一步讨论。