高层建筑结构中高强混凝土剪力墙抗震性能分析

高层建筑结构中高强混凝土剪力墙抗震性能分析1
摘要: 随着高层建筑结构的发展，其主要抗侧力构件剪力墙越来越多的采用高强混凝土，但高强混凝土剪力墙延性较差，不利结构抗震。本文首先着重分析了高强混凝土的力学性能，具有高强、高弹性模量和高耐久性特点以及在高层建筑上的应用。然后，分析高强混凝土剪力墙的抗震性能，并从轴压比、剪跨比、配筋因素和剪力墙结构形式对其抗震性能产生的影响；最后，从基于位移的抗震设计方法方面，对高强混凝土剪力墙的设计加以概述。
关键词：高层建筑结构；高强混凝土；剪力墙；抗震性能
1. 引言
随着世界经济的发展和建筑设计技术的进步，高层建筑主要呈现以下几点特点：建筑高度不断增加，据不完全统计，我国在2008年底，150m以上的高层建筑已超过200栋，如上海环球金融中心492m、广州新电视塔高610m，等；结构体型日趋复杂，高层建筑除了要满足建筑使用功能要求外，也更加重视建筑个性化的设计，如中央电视台新台址采用巨型的倾斜框架带70m的大悬挑十三层楼、北京的当代万国城为9座高塔楼，由高度不一的大跨度走廊相连，形成体形复杂的建筑群等；以混合、组合结构为主，大量采用钢—钢筋混凝土组合结构，如上海环球金融中心钢筋混凝土核心筒，外框为型钢混凝土柱及钢柱；涌现一些新型结构体系，如330m高的北京国贸三期主塔楼采用了钢-混凝土框架-核心筒结构、337m高天津津塔主要抗侧力体系由钢管混凝土柱框架+核心钢板剪力墙体系+外伸刚臂抗侧力体系组成，等[1-3]。
如上述可知，目前高层建筑结构被广泛应用到各种住宅、公共建筑上，并且其结构形式逐步向复杂性、多样性、超高性方向发展。由于，我国是一个地震频遇的国家，当前通过两个阶段设计方法来实现建筑“小震不坏、中震可修、大震不倒”三个水准要求[4]，可能无法满足超高层的结构抗震设计要求。但在高层建筑采用的钢筋混凝土结构体系如：剪力墙结构体系、框架-剪力墙结构体系、框架-核心筒结构体系、筒中筒结构体系、多筒结构体系等都是剪力墙或剪力墙组成的筒体，剪力墙和由剪力墙组成的筒体构成高层建筑结构抗震的核心抗侧力部件。这是由于剪力墙：刚度大、空间整体性能好、结构顶点水平位移和层间位移变化小、即能承受竖向荷载也能抵抗水平荷载，因此，剪力墙抗震性能对于高层建筑的安全可靠有着至关重要的作用，研制抗震性能好的剪力墙，是高层建筑抗震设计的关键技术之一。国内外不少学者致力于剪力墙的抗震性能方面研究，一方面探索钢筋混凝土剪力墙在地震作用下的恢复力模型[5-7]；另一方面提出了各种具有良好抗震性能新型的剪力墙，开缝剪力墙如清华大学叶列平提出的双功能带缝剪[8]、组合剪力墙如带钢管混凝土边框的钢板剪力墙模型的抗震性能试验[9]。
然而，目前主要集中在对普通钢筋混凝土剪力墙的研究，并取得了一定的研究成果。但随着高层建筑技术水平的快速发展，要求该类建筑需承受更大的竖向荷载和水平荷载，对建筑材料的强度和延性有更高的要求。高强混凝土剪力墙是当前很好的选择，这是由于高强混凝土具有高强、高变形模量、变形小、高耐久性、高流动性以及良好的抗渗抗漏性能等特点[10]，能够减小结构的截面尺寸，减轻结构的重量，减小地震反应，增大构件的承载能力和刚度，使其成为制作剪力墙的理想材料，并在高层建筑结构中得到广泛应用；高层及超高层建筑的底部剪力墙承受的水平荷载和竖向荷载都比较大，若在底层采用高强度混凝土剪力墙，有效减小墙体厚度，具有明显的经济效益和社会效益。但是，当前对高强混凝土剪力墙的抗震性能研究还比较少，同时既有少数研究表明高强混凝土剪力墙与普通混凝土剪力墙相比，延性差，地震耗能小，破坏过程短暂突然，甚至其塑性变形或延性系数难以满足地震区内构件的抗震性能要求[11-13]。所以，如何合理的对高强混凝土墙进行抗震设计，将高性能混凝土性能与剪力墙完美结合，既发挥高强混凝土的优点，又满足剪力墙的延性和地震耗能要求，从而改善改善它的抗震性能，在工程结构中具有重要的工程实际意义。
2. 高强混凝土力学性能
2.1高强混凝土力学性能
根据CECS 104:99《高强混凝土结构技术规程》1.0.2条明确规定：“高强混凝土为采用水泥、砂、石、高效减水剂等外加剂和粉煤灰超细矿渣硅灰等矿物掺合料以常规工艺配制的C50~C80级混凝土”。它的主要特点是高强度、高抗渗性、高工作性和良好的体积稳定性等，被认为是新世纪的结构混凝土。高强混凝土的力学性能在国内外都有了较多的试验研究[14-16]，主要的的力学性能如下：
(1) 弹性模量较高，试验值达3.9×104Mpa左右；高强混凝土的弹性模量随强度的增长而增长，但增长幅度与强度不成正比，弹性模量的增长速度比强度的增长速度要慢，同时由于弹性模量比较大，导致高强混凝土的应变能力相比普通混凝土较差，破坏时表现明显脆性，对结构抗震性能不利。
(2) 轴心抗压强度fc较高，文献[15]研究表明在配置高强混凝土时，各加水泥重量15%的火山灰和硅粉的混合物可以使混凝土的抗压强度高达110Mpa，并且显著的增加了混泥土的弹性模量和密实度。另一方面，高强混凝土的强度增长较快，3天可达28天强度的60%以上，7天可达28天强度的80%，有助于提高高层建筑或高耸结构的施工进度。
(3) 轴心抗拉强度：目前测定混凝土的轴心抗拉强度常采用立方体或圆柱体的劈裂试验的劈裂抗拉强度换算得到。研究表明高强混凝土的轴心抗拉强度随抗压强度提高，但提高的幅度比抗压强度提高的幅度要小；同时轴心抗压强度是高强混凝土立方体抗压强度的1/20～1/24，但随混凝土强度等级的提高，抗拉强度与抗压强度的比值有所降低。
(4) 抗折强度：根据文献所做的试验结果表明高强混凝土抗折强度约为立方体抗压强度的1/8～1/12。
(5) 单轴抗压的σ-ε曲线特点：随着高强混凝土强度的提高，应力-应变曲线上升段变得陡直且近似直线，且研究表明在高强混凝土达到0.8fc轴向压应力时σ-ε仍然保持着良好的线性关系，同时高强混凝土在峰值点的轴向应变随强度的提高有所增加。但是由于高强混凝土本身比普通的强度更高，在弹性阶段结束、裂纹开始扩展时，已经处于很高的应力水平，易造成系统不稳定并迅速破坏，所以σ-ε曲线的下降比普通混凝土剧烈，表明高强混凝土比普通混凝土的延性性能较差，容易发生脆裂破坏。
2.2高强混凝土与普通混凝土相比具有的特点
高强混凝土的这些力学特征与普通混凝土既有联系又有区别，不能简单沿用普通混凝土的公式和结论。更主要的是形成高强的途径或采用的增强方法不同，高强混凝土的力学表现也将有所不同，所以只有对高强混凝土与普通混凝上之间的连续性和特殊性有深人的了解，才能提出较为准确的计算表达式和结论来反映高强混凝土的力学性能，为结构分析提供依据。高强混凝土与普通混凝土相比，高强高性能混凝土主要具有以下特点:
(1) 强度高，变形小，适用于大跨、高层、高耸等结构；
(2) 耐久性、抗渗和抗冻性好，能承受恶劣环境条件考验，使用寿命长；
(3) 能减小截而尺寸，有效提高建筑墙体的抵抗水平荷载的作用，大大降低结构自重和提高结构刚度、整体性，可在一定程度上减轻震反应程度；
(4) 能缩短加载龄期，并承受大的预应力，且预应力损失小。
基于上述优点，同时高层建筑结构需要承受更大的竖向荷载和水平荷载作用，对建筑材料的强度和延性提出更高的要求，高强混凝土剪力结构在一定程度上满足了以上要求，使得高强混凝土无论是在梁柱还是墙板中都得到了广泛的应用。国外利用高强高性能混凝土建造的工程比早，如：美国是世界上最早将高强混凝土用于高层建筑并将其大量推广的国家，1988年建造的西雅图双联大(TwoU-nion Square )和1989年太平洋第一中心大厦(Pacific First Cen-ter)是迄今为止高层建筑中混凝土强度等级用得最高的，这两栋建筑都采用钢-混凝土组合结构，混凝土强度等级高达C130。国内高层结构在高强混凝土也得到迅速发展，如：上海金茂大厦采用内筒外框结构体系，其中中间的电梯、楼梯和建筑设备管道井组成的钢筋混凝土核心筒与外围八个钢骨混凝土巨型柱连接在一起，形成主要的抗侧力体系[17]，主楼核心筒从地下至31层为C60混凝土，主楼核心筒从32层至62层为C50混凝土，且C60和C50混凝土总用量分别为17488m3何33708m3。