CN110469011A - 一种防压溃剪力墙的构造方法及防压溃剪力墙 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种防压溃剪力墙的构造方法及防压溃剪力墙，所述防压溃剪力墙的构造方法包括依据剪力墙的设计剪跨比和轴压比确定ECC混凝土层占剪力墙全高的比例，然后设置竖向模板先构造位于下方的ECC混凝土层，再构造位于上方的普通混凝土层，ECC混凝土层和普通混凝土层无缝连接；ECC混凝土层占剪力墙全高比例的确定标准如下：若剪跨比倒数与轴压比之和大于1.2，则ECC混凝土层占比为2/3；若剪跨比倒数与轴压比之和小于1.0，则ECC混凝土层占比为1/3；若剪跨比倒数与轴压比之和大于等于1.0且小于等于1.2，则ECC混凝土层占比为1/2。本发明得到的剪力墙抗震性能好，能够达到安全和经济的良好平衡。
Description
技术领域
本发明涉及建筑结构领域，更具体地，涉及一种防压溃剪力墙的构造方法及防压溃剪力墙。
背景技术
高层建筑结构在城市居民住宅、商场以及其它工业和民用建筑中获得了广泛应用，是极为重要的结构形式。在高层结构的抗震设计中，剪力墙是提供结构抗侧力的最主要构件，在地震作用下将承受大部分侧向荷载。剪力墙一旦发生破坏，易引起高层结构的倒塌，从而造成严重的灾难。长期以来，由于剪力墙结构设计时对其抗震能力严格把握，且高层建筑结构的自振周期远离地震动的卓越周期，一般认为高层剪力墙结构抗震能力较好，安全性高。
而近年来全球各地发生的较大地震颠覆了广大科研人员和工程师对高层剪力墙结构抗震能力的乐观估计。地震中大量高层建筑底层的剪力墙结构，由于承受过高的轴压、墙体边缘约束构件构造措施不足，且墙体脆性过大而发生严重震害，这说明现有的设计理念不能保证高层剪力墙结构的抗震安全，目前对高层剪力墙结构地震破坏机理的认识仍不明确。
总结国内外历次地震中的高层剪力墙结构的震害情况，可以发现：剪力墙的震害集中于结构底层，以边缘混凝土的反复拉压破坏和连梁的弯-剪破坏为重要特征。因此，改进底部和连梁截面设计或耗能能力成为剪力墙结构抗震的重点。但剪力墙通常承受压(拉)、弯、剪几种作用，在地震作用下一般呈现出五种破坏形态:斜压破坏、剪压破坏、弯曲破坏、压屈破坏及剪切滑移破坏。
斜压破坏发生于低矮墙(高宽比或剪跨比小于1)，在水平力往复作用下，墙体上出现斜向对角裂缝或交叉斜裂缝，这些斜裂缝把墙体分成若干斜压小柱体，随着荷载的增大，混凝土被压碎并成块剥落，箍筋外鼓或崩断，构件发生剪切斜压破坏，该破坏具有明显的脆性破坏特征，延性及耗能能力较差。剪压破坏发生于中高剪力墙(高宽比或剪跨比介于1-2间)，水平力往复作用下，首先在墙体下部产生水平弯曲裂缝，随着荷载的增加，裂缝逐渐向斜向开展并向受压区延伸。斜裂缝不断发展，当延伸至墙体底部受压区后斜率逐渐增大趋于垂直，最后剪力墙受压区的混凝士在轴压力作用下发生劈裂破坏。该破坏延性与耗能能力均优于斜压破坏。弯曲破坏发生于高墙(高宽比或剪跨比大于2)，剪力墙变形以弯曲变形为主，在水平力往复作用下，首先在墙体受拉区出现水平弯曲裂缝，裂缝不断发展延伸至混凝土受压区，受压区高度因此逐渐减小，最后受拉钢筋屈服，伴随着受压区边缘混凝土压碎，保护层剥落，墙体产生较多交叉斜裂缝，结构破坏。该破坏的耗能能力和延性良好。压屈破坏发生于高墙(高宽比或剪跨比大于2)。水平往复荷载作用下，受压区钢筋在受拉区钢筋屈服之前被压屈，混凝土压碎，最终导致结构破坏，该破坏脆性很大，多发生于轴压比较大的情况。剪切滑移破坏发生于剪力墙刚度骤变部位，也常在施工缝处出现，该破坏脆性很大。因此强地震作用下剪力墙结构的多种破坏形态又给改进其结构并使其达到安全和经济的平衡增加了困难。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种防压溃剪力墙的构造方法及防压溃剪力墙。
本发明提供的防压溃剪力墙的构造方法，包括依据剪力墙的设计剪跨比和轴压比确定ECC混凝土层占所述剪力墙全高的比例，然后设置竖向模板先构造位于下方的ECC混凝土层，再构造位于上方的普通混凝土层，所述ECC混凝土层和所述普通混凝土层无缝连接；
所述ECC混凝土层占所述剪力墙全高的比例的确定标准如下：若剪跨比倒数与轴压比之和大于1.2，则所述ECC混凝土层占比为2/3；若剪跨比倒数与轴压比之和小于1.0，则所述ECC混凝土层占比为1/3；若剪跨比倒数与轴压比之和大于等于1.0且小于等于1.2，则所述ECC混凝土层占比为1/2。
本发明所述ECC混凝土为超高韧性水泥基复合材料(Engineered CementitiousComposites,简称ECC)。它是一种基于细观力学设计的,具有超强韧性的乱向分布短纤维增强水泥基复合材料，是以水泥、掺合料和砂为基体，高性能纤维为增韧材料的高韧性、高抗裂材料，其极限拉伸应变达2-3％，最大可达到5％，为普通高性能混凝土的300～500倍，为钢筋屈服应变的15～20倍。ECC达到极限拉伸应变时，裂缝宽度仅为50～80μm，甚至小于50μm，且具有应变硬化和多裂缝开展特性，且饱和状态的多缝开裂裂缝宽度小于0.1mm，耗能能力是常规纤维混凝土的3倍。因此它在提高结构的延性、耗能能力、抗侵蚀性、抗冲击性和耐磨性方面具有显著的效果。
本发明所述普通混凝土指以水泥为主要胶凝材料，与水、砂、石子，必要时掺入化学外加剂和矿物掺合料，按适当比例配合，经过均匀搅拌、密实成型及养护硬化而成的人造石材。
轴压比是指剪力墙的轴压力设计值与墙的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值。它反映了剪力墙的受压情况。限制轴压比主要是为了控制剪力墙的延性，因为轴压比大了剪力墙在地震作用下会出现混凝土先压碎的脆性破坏形式，控制剪力墙的轴压比，当受拉钢筋屈服以后混凝土受压区不会压碎，可以加大塑性铰的变形能力。轴压比过大，结构偏脆性，但是轴压比过小则结构并不经济。但是随着剪力墙结构层数不断增加，底部剪力墙墙肢不可避免的要承受较高轴压，刻意的降低轴压比已经无法满足建筑设计的相关要求，需要寻求别的途径以提高高轴压比剪力墙墙肢的延性。
剪跨比是指构件截面弯矩与剪力和有效高度乘积的比值。它反映计算截面上正应力与剪应力的相对关系，是影响抗剪破坏形态和抗剪承载力的重要参数。在其它因素相同时，剪跨比越大，抗剪能力越小。在某种意义上剪跨比可以用墙体全高与宽度的比值(即高宽比)来计算。一般认为剪跨比大于2时为高墙，剪跨比小于1时为低矮墙，剪跨比介于1-2间时为中高墙，高墙一般发生弯曲破坏，矮墙多数发生剪切破坏脆性破坏模式，中高墙一般发生弯剪破坏。设置合适的剪跨比，可尽量让剪力墙破坏时是钢筋先被拉断，而不是混凝土先被压溃。
轴压比和剪跨比不同时，剪力墙结构呈现不同的破坏形式，破坏区域也不同。本发明根据不同的设计轴压比和设计剪跨比来调整需要加固的墙体高度，即所述ECC混凝土层的高度。通过大量实验推导和验证，得出了所述ECC混凝土层占所述剪力墙全高比例的确定标准。按照该确定标准在剪力墙底部使用ECC混凝土而非普通混凝土，以增加剪力墙的延性、抗裂性、韧性、耗能能力，以消耗地震能量，并保证震后混凝土裂缝小且混凝土不剥落，以保障墙体的抗倒塌性能，同时改善了墙体边缘约束构造措施不足的问题，能够达到安全和经济的良好平衡。
在本发明一个优选实施方式中，在构造所述ECC混凝土层时，还包括在浇注完未凝固的ECC混凝土上方水平设置一锯齿状模板，待所述ECC混凝土层上表面形成锯齿状后撤掉所述锯齿状模板，再构造所述普通混凝土层。将ECC混凝土层上表面设置成锯齿状可以增大ECC混凝土层和普通混凝土层的接触面面积，从而增加连接强度。
在本发明一个优选实施方式中，所述ECC混凝土层的材料质量配比为PVA纤维:水泥:石英砂:粉煤灰:水:减水剂＝25～27:540～560:540～560:640～660:300～305:1.7～1.8。
进一步优选地，每立方米ECC混凝土配比为PVA纤维:P.O 42.5普通硅酸盐水泥:石英砂:一级粉煤灰:水:减水剂＝26kg:550kg:550kg:650kg:301kg:1.736kg。
依据上述构造方法，本发明还提供一种防压溃剪力墙，包括无缝连接的ECC混凝土层和普通混凝土层，所述ECC混凝土层位于所述普通混凝土层下方，且所述ECC混凝土层占所述剪力墙全高的1/3。
所述剪力墙的剪跨比的倒数与轴压比之和小于1.0。本领域一般将该类剪力墙称之为中轴压比高剪跨比的剪力墙。下层使用占所述剪力墙全高1/3的ECC混凝土层进行加固，有利于提高其抗震性能。
进一步地，所述剪力墙为一字型剪力墙、T型剪力墙或L型剪力墙。
进一步地，所述ECC混凝土层和所述普通混凝土层的接触界面为锯齿状。接触界面为锯齿状有利于增大接触面积，从而加强所述ECC混凝土层和所述普通混凝土层之间的连接。
进一步地，所述ECC混凝土层和所述普通混凝土层内均设有预埋钢筋，所述预埋钢筋包括沿所述剪力墙外形排布的竖向受力钢筋和水平分布钢筋，并在剪力墙的边缘配有水平箍筋以约束竖向受力钢筋。
进一步地，所述ECC混凝土层内的竖向受力钢筋和所述普通混凝土层内的竖向钢筋一体成型，且配筋率不小于1.5％，约束竖向受力钢筋的水平箍筋配箍率不小于1％，且箍筋间距不大于100mm。
本发明根据不同的设计轴压比和设计剪跨比来调整需要加固的墙体高度，通过大量实验推导和验证，得出了ECC混凝土层占剪力墙全高比例的确定标准。按照该确定标准在剪力墙底部使用ECC混凝土而非普通混凝土，以增加剪力墙的延性、抗裂性、韧性、耗能能力，以消耗地震能量，并保证震后混凝土裂缝小且混凝土不剥落，以保障墙体的抗倒塌性能，同时改善了墙体边缘约束构造措施不足的问题，能够达到安全和经济的良好平衡。
附图说明
图1为本发明实施例2中防压溃剪力墙的正视图；
图2为本发明实施例3中防压溃剪力墙的正视图；
图3为本发明实施例中锯齿状模板的正视图、侧视图和俯视图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供一种防压溃剪力墙的构造方法，包括依据剪力墙的设计剪跨比和轴压比确定ECC混凝土层占剪力墙全高的比例，然后设置竖向模板先构造位于下方的ECC混凝土层，再构造位于上方的普通混凝土层，所述ECC混凝土层和所述普通混凝土层无缝连接；所述ECC混凝土层占所述剪力墙全高的比例的确定标准如下：若剪跨比的倒数与轴压比之和大于1.2，则所述ECC混凝土层高度占比为2/3；若剪跨比的倒数与轴压比之和小于1.0，则所述ECC混凝土层高度占比为1/3；若剪跨比的倒数与轴压比之和大于等于1.0且小于等于1.2，则所述ECC混凝土层高度占比为1/2。
所述ECC混凝土为超高韧性水泥基复合材料，是以水泥、掺合料和砂为基体，高性能纤维为增韧材料的高韧性、高抗裂材料；所述普通混凝土指以水泥为主要胶凝材料，与水、砂、石子，必要时掺入化学外加剂和矿物掺合料，按适当比例配合，经过均匀搅拌、密实成型及养护硬化而成的人造石材。
例如，要构造一个剪跨比为0.8，轴压比为0.5的剪力墙，由于轴压比+1/剪跨比＝1.8＞1.2，则ECC混凝土层占剪力墙全高的2/3；要构造一个剪跨比为1.6，轴压比为0.6的剪力墙，由于轴压比+1/剪跨比＝1.2，则ECC混凝土层占剪力墙全高的1/2；要构造一个剪跨比为2.2，轴压比为0.4的剪力墙，由于轴压比+1/剪跨比＝0.9＜1.0，则ECC混凝土层占剪力墙全高的1/3。
按照本实施例构造方法得到的剪力墙抗震效果好，抗倒塌能力强，能实现安全和经济的良好平衡，其中ECC混凝土层高度占剪力墙全高比例的确定标准将复杂的试验现象和数据进行总结归纳，提炼剪力墙最具代表性的受力特征参数剪跨比和轴压比来定义破坏状态，从而定义出加固区高度(ECC混凝土层高度)，与现有笼统定义加固区高度的方法相比，更加容易量化和较易操作。
实施例2
本实施例提供一种防压溃剪力墙，其正视图如图1所示，包括无缝连接的ECC混凝土层2和普通混凝土层3，ECC混凝土层2位于普通混凝土层3下方，且ECC混凝土层2高度为剪力墙1全高的1/3。本实施例的剪力墙1的剪跨比的倒数与轴压比之和小于1.0。
进一步地，ECC混凝土层2和普通混凝土层3内均设有预埋钢筋，所述预埋钢筋包括沿剪力墙1外形排布的竖向受力钢筋和水平分布钢筋，并在剪力墙1的边缘配有水平箍筋以约束竖向受力钢筋。
ECC混凝土层内2的竖向受力钢筋和普通混凝土层3内的竖向钢筋一体成型，且配筋率不小于1.5％，约束竖向受力钢筋的水平箍筋配箍率不小于1％，且箍筋间距不大于100mm。
实施例3
在实施例2的基础上，本实施例提供一种防压溃剪力墙，其正视图如图2所示，包括无缝连接的ECC混凝土层2和普通混凝土层3，ECC混凝土层2的高度为剪力墙1全高的1/3且位于普通混凝土层3下方，ECC混凝土层2和普通混凝土层3的接触界面4为锯齿状。本实施例的剪力墙1的剪跨比的倒数与轴压比之和小于1.0。
其中，形成锯齿状的接触界面4可通过在构造过程中设置锯齿状模板，其设置方向为垂直于竖向模板，锯齿状模板的正视图、侧视图和俯视图如图3所示。
实施例2和3提供的剪力墙具有良好的抗震和防压溃效果，在增加可以接受的建筑造价的基础上，能有效的防止强地震作用下底层剪力墙墙肢的压溃，最终防止因底层压溃而带来的整体结构倒塌，实现了安全与经济的良好平衡。
实施例4
对于已经被震损的剪力墙，用ECC进行加固的方法具体如下：
(1)将剪力墙底层塑性铰区域的混凝土全部凿除，并将断裂的钢筋采用短钢筋焊接；
其中，剪力墙底层塑性铰区域的高度应依据实际震损情况来定，至少应清除至贯通裂缝区域，以及2倍墙体厚度两者中的最小值；
(2)清理凿好的界面，需使用自来水冲洗混凝土新面，边冲边用钢丝刷清除松动的粉层，保证清理后的待加固界面具有一定的类似于锯齿状的粗糙度，以方便ECC加固混凝土的连接；
(3)清理干净后涂刷一层水泥膨胀浆界面剂；
其中，水泥膨胀浆界面剂配制质量比为水泥:二级粉煤灰:UEA膨胀剂:水＝1:0.1:0.1:0.4；
(4)用制备好的ECC进行填补形成ECC加固层并养护；
ECC配制采用标准长度为12mm的聚乙烯醇纤维(Poly Vinyl Alcohol fiber，PVA纤维)，抗拉强度为1560MPa，P.O 42.5普通硅酸盐水泥，一级粉煤灰，40～80目石英砂，以及高效减水剂；每立方米ECC配合比为PVA纤维:水泥:石英砂:粉煤灰:水:减水剂＝26kg:550kg:550kg:650kg:301kg:1.736kg，按此配合比获取的ECC立方体试块抗压强度约为50MPa。
最后，本发明的实施例仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种防压溃剪力墙的构造方法，其特征在于，包括依据剪力墙的设计剪跨比和轴压比确定ECC混凝土层占所述剪力墙全高的比例，然后设置竖向模板先构造位于下方的ECC混凝土层，再构造位于上方的普通混凝土层，所述ECC混凝土层和所述普通混凝土层无缝连接；
所述ECC混凝土层占所述剪力墙全高的比例的确定标准如下：若剪跨比倒数与轴压比之和大于1.2，则所述ECC混凝土层占比为2/3；若剪跨比倒数与轴压比之和小于1.0，则所述ECC混凝土层占比为1/3；若剪跨比倒数与轴压比之和大于等于1.0且小于等于1.2，则所述ECC混凝土层占比为1/2。
2.根据权利要求1所述的构造方法，其特征在于，在构造所述ECC混凝土层时，还包括在浇注完未凝固的ECC混凝土上方水平设置一锯齿状模板，待所述ECC混凝土层上表面形成锯齿状后撤掉所述锯齿状模板，再构造所述普通混凝土层。
3.根据权利要求1或2所述的构造方法，其特征在于，所述ECC混凝土层的材料质量配比为PVA纤维:水泥:石英砂:粉煤灰:水:减水剂＝25～27:540～560:540～560:640～660:300～305:1.7～1.8。
4.一种防压溃剪力墙，其特征在于，包括无缝连接的ECC混凝土层和普通混凝土层，所述ECC混凝土层位于所述普通混凝土层下方，且所述ECC混凝土层占所述剪力墙全高的1/3。
5.根据权利要求4所述的剪力墙，其特征在于，所述剪力墙的剪跨比倒数与轴压比之和小于1.0。
6.根据权利要求4或5所述的剪力墙，其特征在于，所述ECC混凝土层和所述普通混凝土层的接触界面为锯齿状。
7.根据权利要求4或5所述的剪力墙，其特征在于，所述ECC混凝土层的材料质量配比为PVA纤维:水泥:石英砂:粉煤灰:水:减水剂＝25～27:540～560:540～560:640～660:300～305:1.7～1.8。
8.根据权利要求4或5所述的剪力墙，其特征在于，所述剪力墙为一字型剪力墙、T型剪力墙或L型剪力墙。
9.根据权利要求4或5所述的剪力墙，其特征在于，所述ECC混凝土层和所述普通混凝土层内均设有预埋钢筋，所述预埋钢筋包括沿所述剪力墙外形排布的竖向受力钢筋和水平分布钢筋，并在所述剪力墙的边缘配有水平箍筋以约束所述竖向受力钢筋。
10.根据权利要求9所述的剪力墙，其特征在于，所述ECC混凝土层内的竖向受力钢筋和所述普通混凝土层内的竖向受力钢筋一体成型，且配筋率不小于1.5％，约束竖向受力钢筋的水平箍筋配箍率不小于1％，且箍筋间距不大于100mm。
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