雙層鋼板混凝土組合剪力墻滯回性能研究

馬愷澤　闕昂　劉伯權(quán)??

摘要：為研究雙層鋼板混凝土組合剪力墻的滯回性能，對4個剪跨比為2.5的組合剪力墻試件進行了擬靜力加載試驗；通過改變約束拉桿和加勁肋的間距，研究其在往復(fù)水平荷載作用下的破壞機理、滯回性能；選用地震分析軟件OpenSees建立了雙層鋼板混凝土組合剪力墻的纖維模型，進行了低周反復(fù)荷載作用下的非線性分析。結(jié)果表明：該種剪力墻的破壞形態(tài)為墻底部截面鋼板被壓曲，核心混凝土被壓碎的彎曲型破壞；在軸壓比相同條件下，設(shè)置加勁肋試件的抗震性能優(yōu)于設(shè)置約束拉桿的試件，且隨著約束拉桿和加勁肋間距的減小，試件的變形能力增加，表現(xiàn)出較好的耗能能力；纖維模型計算得到的抗彎承載力、延性系數(shù)與試驗值之間誤差較小，纖維模型能較好地模擬剪力墻的抗震性能；隨著軸壓比的增大，剪力墻的極限承載力有所提高，而變形能力有明顯的下降；隨著混凝土強度的增加，剪力墻的承載力提高，變形能力減??；隨著鋼板厚度的增加，剪力墻的承載力和變形能力都明顯增加。

關(guān)鍵詞：雙層鋼板混凝土組合剪力墻；擬靜力試驗；滯回性能；纖維模型；延性系數(shù)

中圖分類號：TU398.2 文獻標志碼：A

0引 言

雙層鋼板混凝土組合剪力墻是一種新型鋼-混凝土組合剪力墻，它是通過在剪力墻外側(cè)設(shè)置外包鋼板，混凝土填充于鋼板之間而形成。雙層鋼板混凝土組合剪力墻具有很高的抗彎、抗剪承載能力和延性，從而有效地提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。這種剪力墻可以有效地減小剪力墻的厚度，減輕結(jié)構(gòu)自重，增加建筑使用面積；此外，在施工時該組合剪力墻的雙層鋼板作為混凝土澆筑的模板，可以減少施工的工序[1-3]。

各國學(xué)者對雙層鋼板混凝土組合剪力墻進行了一些試驗研究。Emori[4]設(shè)計了6個雙層鋼板內(nèi)填混凝土剪力墻的模型，研究了試件的軸壓性能以及抗剪性能，其中3個試件雙層鋼板之間既設(shè)置橫向加勁肋，也設(shè)置縱向加勁肋，加勁肋與鋼板采用焊接連接，研究表明組合剪力墻具有較高的承載力和良好的延性，并基于承載力疊加原理初步計算得到這種組合剪力墻的承載力。Wright[5]采用較薄的雙層壓型鋼板，研究了該組合剪力墻的軸壓性能、抗剪性能，研究結(jié)果表明這種組合剪力墻的力學(xué)性能在很大程度上依賴于壓型鋼板的屈曲和鋼與混凝土之間的連接形式。Clubley等[6]對雙層鋼板混凝土組合剪力墻進行了試驗研究，試驗結(jié)果表明雙層鋼板組合剪力墻受剪承載力較高，變形能力良好。Eom等[7]對帶約束拉桿的矩形和T形截面的雙層鋼板混凝土組合剪力墻進行了往復(fù)加載試驗，變化參數(shù)為墻體類型（單、雙肢）、截面形式、鋼板厚度以及剪力墻底部的加強措施，剪力墻最終破壞模式為剪力墻底部鋼板焊縫拉斷和鋼板局部屈曲等。聶建國等[8-10]試驗研究了雙鋼板-混凝土組合剪力墻的抗震性能，包括該結(jié)構(gòu)的受力機理及典型破壞形態(tài)，試件滯回曲線飽滿穩(wěn)定，呈現(xiàn)出較好的延性和耗能能力。程衛(wèi)紅等[11]完成了8片雙層鋼板混凝土組合剪力墻面內(nèi)抗震性能試驗，研究了組合剪力墻的承載力、抗震性能和破壞模式以及剪跨比、含鋼率和栓釘間距對其性能的影響。朱立猛等[12]對10個采用八螺母螺栓連接的鋼板-混凝土組合剪力墻試件進行了試驗研究，結(jié)果表明鋼板之間采用八螺母螺栓連接是可行的，帶約束拉桿鋼板-混凝土組合剪力墻抗震性能較好，隨著高寬比降低和鋼板厚度增大，其抗震性能增強，端部增設(shè)型鋼可顯著提高試件承載力，減小約束拉桿間距可顯著提高試件延性。紀曉東等[13]設(shè)計了5個矩形截面鋼管-雙層鋼板-混凝土組合剪力墻試件，試件高寬比均為2.5，雙層鋼板通過設(shè)置對拉螺栓加強連接，對試件進行了擬靜力試驗，研究結(jié)果表明試件均發(fā)生壓彎破壞，矩形鋼管混凝土約束構(gòu)件沿墻肢的長度越大，試件變形能力和耗能能力越大，鋼板含鋼率基本不影響試件變形能力，并提出了該種組合剪力墻的正截面承載力計算公式，與試驗結(jié)果吻合良好。

本文通過4個雙層鋼板高強混凝土組合剪力墻試件的擬靜力加載試驗，研究組合剪力墻的破壞形態(tài)、滯回特性，分析不同抗震構(gòu)造措施對組合剪力墻承載能力和延性的影響。在試驗研究的基礎(chǔ)上，選用地震分析軟件OpenSees建立雙層鋼板混凝土組合剪力墻的纖維模型[14]，進行剪力墻試件在低周反復(fù)加載工況下的荷載-位移全過程分析，對影響組合剪力墻滯回性能的主要影響參數(shù)進行分析。

1試驗研究

1.1試件設(shè)計

試驗共設(shè)計了4個雙層鋼板高強混凝土組合剪力墻試件，且均為一字形矩形截面，在試件頂部和底部分別設(shè)置有加載梁以及基礎(chǔ)梁，試件參數(shù)如表1所示，其中，H為剪力墻加載點至墻底部的高度，hw，bw分別為截面的高度和厚度，λ為剪跨比，N為軸壓力設(shè)計值，n為實際軸壓比。試件截面尺寸如圖1所示。

1.2材料性能

試件所使用混凝土設(shè)計強度等級為C60，實測混凝土強度為61.3 MPa。鋼板厚度為3.6 mm，屈服強度和極限強度分別為306.2，429 MPa。

1.3試驗裝置和加載方案

4片雙層鋼板高強混凝土組合剪力墻試驗加載裝置如圖2所示?；A(chǔ)梁錨固在試驗臺座上，加載梁通過端板和連接裝置一側(cè)與水平作動器端部相連。試件頂部放置剛性分配梁，將豎向千斤頂軸向壓力均勻分配到墻體。水平荷載的加載點位于距基礎(chǔ)梁頂面2 000 mm高度。為防止平面外變形，在墻體南北面中部設(shè)置有平面外支撐。

試驗全程采取位移控制加載，在加載初期每級位移增量為±2 mm，每級循環(huán)1次，屈服后每級位移增量為±4 mm且每級循環(huán)3次，當水平荷載下降到峰值水平荷載的85%以下時試驗結(jié)束。

1.4試驗現(xiàn)象

剪力墻試件的破壞過程和破壞形態(tài)相似，均發(fā)生彎曲破壞，如圖3所示。破壞過程大體可分為3個階段：彈性階段、塑性階段以及破壞階段。彈性階段試件無明顯試驗現(xiàn)象，鋼板與混凝土協(xié)同工作，彈性階段的臨界狀態(tài)為鋼板與混凝土的界面發(fā)生粘結(jié)破壞，發(fā)出嘶嘶剝離聲；塑性階段荷載-位移曲線明顯轉(zhuǎn)折點到峰值荷載點，這個階段鋼板底部發(fā)生鼓曲，隨著加載位移的增大，鼓曲不斷加??；破壞階段鋼板焊接處焊縫撕裂，內(nèi)部混凝土壓碎。破壞部位均在距檣體根部10～20 cm之間的塑性鉸區(qū)，破壞方式符合受力特點。從鋼板開裂處可見試件破壞時根部內(nèi)填混凝土已被壓碎，鋼板最后是被壓曲的。

1.5承載力

表2給出4個試件各特征點的荷載。由表2可見：試件SCW-3與試件SCW-1相比，承載力提高了4.8%；試件SCW-4與試件SCW-2相比，承載力提高9.4%。這說明設(shè)置加勁肋相對比設(shè)置約束拉桿更能提高試件承載力。相同條件下，隨著加勁肋或約束拉桿間距的減小，試件的承載力也將提高。

1.6變形能力

試驗各特征點對應(yīng)的頂點位移與延性系數(shù)如表3所示。由表3可知：軸壓比相同的條件下，設(shè)置加勁肋的試件延性高于設(shè)置約束拉桿試件的延性，如試件SCW-4比試件SCW-2延性增加22.8%， 試件SCW-3比試件SCW-1延性增加19.3%。

2非線性有限元模型的建立

2.1鋼材的本構(gòu)關(guān)系

鋼材本構(gòu)關(guān)系采用雙折線的隨動強化模型[15]，如圖5所示。該模型充分考慮了等向應(yīng)變硬化影響。強化段的彈性模量E1=0.01E0，E0為鋼材初始彈性模量，鋼材屈服強度根據(jù)材性試驗結(jié)果取值，E0=2.05×105 MPa，泊松比ν=0.3。

2.2混凝土的本構(gòu)關(guān)系

本文選取OpenSees中Concrete02 Material作為混凝土本構(gòu)模型。它是將混凝土受拉下降段簡化成線性變化，受壓段的骨架曲線則采用修正后的Kent-Park模型[16]。本文參考蔡健等[17-18]基于Mander模型提出的約束混凝土本構(gòu)關(guān)系。

2.3模型的建立

本文采用基于位移的梁-柱單元作為有限元分析模型。為保證剛度法的梁-柱單元插值函數(shù)計算結(jié)果的精確度，采取了加密網(wǎng)格的方法，即在塑性鉸區(qū)采用增加單元數(shù)量的方法來達到提高問題求解精度的目的。不考慮粘結(jié)滑移，基礎(chǔ)梁底部全部節(jié)點固接，有限元分析模型如圖4所示。

2.4結(jié)果對比

圖5為模擬得到的4個試件與試驗得到的底部剪力-頂點位移滯回曲線，表4，5分別為各試件特征點承載力、位移有限元分析結(jié)果。

由圖5可知，試件SCW-1，SCW-2模擬曲線比試驗曲線飽滿得多，而試件SCW-3，SCW-4的滯回曲線與試驗曲線形狀比較接近。這表明有限元模擬得出的剪力墻耗能能力大于試件在試驗加載情況下所表現(xiàn)出的耗能能力。

由表4，5可知，模擬的承載力與試驗結(jié)果比較接近，承載力相對誤差不超過11.3%。有限元模擬得到的延性系數(shù)均比試驗值大，這主要是因為纖維模型在計算過程中忽略了鋼板與混凝土的粘結(jié)滑移，并且在模擬計算時也沒有考慮鋼板的屈曲。

3參數(shù)分析

本文利用前述有限元模型，選用軸壓比、混凝土強度以及鋼板厚度這3個影響因素作為分析參數(shù)，對組合剪力墻承載力及延性進行分析。試件模型的墻體高度為2 000 mm，橫截面高度為800 mm，截面厚度為100 mm，混凝土立方體抗壓強度為60 MPa，外包鋼板為Q235鋼。各參數(shù)均在基本模型基礎(chǔ)上變化，當某個參數(shù)發(fā)生變化時，其他參數(shù)與基本模型相一致。

3.1軸壓比

選定設(shè)計軸壓比范圍為0.2～0.5，不同軸壓比下的荷載-位移曲線及軸壓比對承載力、延性的影響曲線如圖6所示。由圖6可知，組合剪力墻的承載力隨著軸壓比增加而增加，但增加幅度不明顯，軸壓比對試件延性影響比較大，試件延性隨軸壓比增大而明顯減小。

3.2混凝土強度

混凝土強度等級范圍為C30～C70，不同混凝土

3.3鋼板厚度

不同鋼板厚度對剪力墻的荷載-位移曲線以及對承載力、延性的的影響曲線如圖8所示，其中，t為鋼板厚度。由圖8可知，隨著鋼板厚度的增加，組合剪力墻的截面承載力以及延性顯著提高，且增長幅度近似呈線性。

4結(jié)語

（1）4個剪跨比為2.5的雙層鋼板-高強混凝土組合剪力墻試件在軸向荷載和水平荷載共同作用下均發(fā)生彎曲破壞；相同條件下，設(shè)置加勁肋的試件承載力高于設(shè)置約束拉桿試件的承載力。隨著加勁肋或約束拉桿間距的減小，試件的承載力提高。

（2）通過對4個試件的模擬，纖維模型計算得到的抗彎承載力、延性系數(shù)與試驗值之間誤差較小，纖維模型能較好地模擬剪力墻的抗震性能。組合剪力墻的承載力隨著軸壓比增加而增加；隨著混凝土強度以及鋼板厚度的增加，承載力近似呈線性增加。組合剪力墻的延性隨著鋼板厚度的增加而顯著增大，混凝土強度越大，試件延性越小。軸壓比對結(jié)構(gòu)延性影響較大，軸壓比越大，延性越小。

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