養(yǎng)老建筑組合鋼板剪力墻結構的抗震性能研究

張蕾 ，劉磊 ，任浩 ，李濱紅 ，郭震

（1.長春建筑學院，吉林 長春 130000；2.吉林市筑石金鼎房地產開發(fā)有限公司，吉林 長春 132000）

0 引言

隨著人口年齡結構快速變化及老齡化程度的不斷加劇，各類小高層鋼結構養(yǎng)老建筑的開發(fā)與設計正在如火如荼的進行。目前國內外鋼結構建筑體系主要包括純鋼結構框架體系、鋼框架支撐體系、鋼板剪力墻結構體系和型鋼混凝土組合結構體系四大類。其中，鋼板剪力墻結構體系由于具有較大的面外剛度、高抗屈曲性能等特性而在鋼結構建筑中得到了較為廣泛的應用[1]，然而，小高層建筑的鋼板剪力墻結構中為了防止鋼板屈曲失穩(wěn)并獲得較大的結構抗側剛度和抗剪承載力，鋼板通常較厚，且存在用料過多、施工不便以及經濟性較差的問題[2]。本文擬從完善鋼框架短肢組合鋼板剪力墻結構的設計方法和構造形式的角度出發(fā)，以小高層養(yǎng)老建筑為工程背景，開展鋼框架短肢薄鋼板剪力墻結構共同作用的體系優(yōu)化研究，使得小高層鋼結構養(yǎng)老建筑在滿足結構承載能力和使用極限狀態(tài)要求的同時，最大限度提高結構耗能能力，滿足小高層養(yǎng)老建筑結構體系的抗震結構安全要求。

1 試驗

1.1 試驗材料與試件設計

試驗模型為1/2縮比的鋼框架短肢組合鋼板剪力墻結構，試件的梁柱尺寸見如圖1。其中，連接件由Φ8×30mm的Q235鋼和T型鋼柱為6mm的Q345鋼板焊接而成，鋼柱內鋼筋為HPB235圓鋼，主筋為Φ8 mm的HRB980鋼筋，箍筋為HRB1275鋼筋，箍筋間距為140 mm，鋼連梁為Q345鋼，各節(jié)點采用栓焊混合方式連接?；炷翞镃40，采用普通硅酸鹽水泥，ZB-01型減水劑，粗骨料和細骨料的細度模數分別為6.8和2.2。梁柱節(jié)點采用栓焊混合連接形式，梁腹板和柱翼緣通過8.8級M16螺栓連接，梁柱節(jié)點尺寸和組合剪力墻形式見圖2。對比件和試驗件的尺寸見表1。其中，對比件是通過MATLAB軟件中的優(yōu)化設計工具箱對型鋼柱和鋼梁的尺寸進行優(yōu)化得到。

圖1 試件的截面尺寸

表1 試件的尺寸

圖2 梁柱節(jié)點尺寸和組合剪力墻形式

1.2 試驗裝置

采用水平千斤頂對框架頂端施加往復低周載荷，載荷軸壓比為0.4，同時在鋼桁梁試件外約束力以防止側向失穩(wěn)，為了預防水平方向上發(fā)生移動，需要將框架梁與反力墻連接，實驗過程中對試件的加載示意和實景如圖3所示，試驗終止條件為加載載荷降低至極限載荷85%或試件已經發(fā)生嚴重破壞。加載位移采用水平位移傳感器進行測試，采用BF350-3AA80型電阻式應變片測試試件的應力場分布，試件鋼梁上應變片的分布位置如圖4所示。

圖3 試驗加載示意和實景

圖4 鋼梁上的應變片粘貼示意

2 結果及討論

為了消除水平載荷對試件水平滑動的影響，試驗過程中對試件進行小幅度預加載，然后進行測試，試件的破壞形態(tài)見圖5。從試件的破壞形態(tài)來看，試件的破壞過程共分為3個階段：（1）彈性階段：這個階段采用位移單循環(huán)加載，在位移達到±6 mm時，試件根部出現了寬度為2 mm的橫向裂紋，且鋼梁發(fā)生了S型彎曲變形；（2）彈塑性階段：隨著載荷位移幅值加大，試件進入彈塑性階段，組合墻板表面的裂縫大量出現，斜裂縫與軸線約呈45°；（3）破壞階段：在位移達到±50mm時，組合墻板一側的柱根部發(fā)生了較為嚴重的破壞[見圖5（c）]，同時可見內嵌鋼板有一定的摩擦痕跡，柱翼緣及其側面都出現了較多的裂縫，這是因為隨著循環(huán)加載的進行，地梁錨固端的局部開裂使得組合墻板的水平位移量增加[3]，試件破壞程度加劇。

圖5 試件破壞形態(tài)

圖6為不同加載位移作用下鋼梁上翼緣彎曲應力的分布曲線（拉應力為正），通過測量鋼梁上翼緣不同應變片測點的拉壓應變轉化得到，分別列出了加載位移為±5mm、±10mm、±15mm、±20mm時的應力分布。

圖6 不同加載位移作用下鋼梁上翼緣彎曲應力的分布曲線

由圖6可知，在8種加載位移作用下，鋼梁中部的應力較小，而隨著距離鋼梁中部位置的增加，應力先增大而后趨于穩(wěn)定或者略有降低，符合水平載荷作用下框架梁中部反彎點特征[4]，且從應變片測點5和7的應力水平可知，與組合梁鋼板剪力墻相連的鋼梁在加載過程中受到了鋼板的約束而使得應變發(fā)展受到了限制。此外，還可以發(fā)現隨著加載位移的增加，鋼梁上翼緣的應力增大，但是應力增幅有所減小，這也就說明隨著加載位移的增加，鋼梁上翼緣的應力已經進入了強化階段[5]。

圖7為鋼框架短肢組合鋼板剪力墻的滯回曲線。

圖7 鋼框架短肢組合鋼板剪力墻的滯回曲線

由圖7可見，在加載位移為±20 mm范圍內時，鋼框架短肢組合鋼板剪力墻的滯回曲線非常飽滿，表現出了良好的耗能能力；當加載位移增加至±25mm循環(huán)后，鋼框架短肢組合鋼板剪力墻的滯回曲線出現捏縮現象，表明此時的構件變形能力減弱，抗震性能變差，這主要是由于隨著加載位移的增加，鋼梁會形成塑性鉸[類似于圖5（a）]，梁柱表面的混凝土會發(fā)生開裂而使得整體構件的承載能力下降，但是此時的損傷積累較為均勻[6]，還沒有造成結構的整體破壞；當加載位移增加至±45mm和±50mm循環(huán)后，梁柱表面的混凝土開裂情況加劇，對應地滯回曲線中會出現較長的水平滑移段，且滯回曲線捏縮現象更為嚴重[7]，但是從滯回曲線的形狀來看，此時的試件仍然具有較好的耗能能力。

表2為組合鋼板試件和對比件的抗震性能。

表2 組合鋼板試件和對比件的抗震性能

由表2可見，對比件的延性比為5.9，優(yōu)化試件的延性比為6.4，結構優(yōu)化后試件的延性比提高了8.5%；對比件的彈性抗側剛度為19.7kN/mm，優(yōu)化試件的彈性抗側剛度為29.4 kN/mm，結構優(yōu)化后試件的彈性抗側剛度提高了49.2%；以對比件的耗能能力為基數，結構優(yōu)化后的試件的耗能能力比為1.61，增幅為61%；優(yōu)化試件的屈服載荷和極限載荷都比對比件高很多。綜合而言，經過結構優(yōu)化后的組合鋼剪力墻試件的抗震效果更好，通過結構優(yōu)化可以提升鋼框架短肢組合鋼板剪力墻結構的抗震性能和耗能能力。

3 結論

（1）鋼框架短肢組合鋼板剪力墻試件的破壞過程包括彈性階段、彈塑性階段和破壞階段；在位移達到±50 mm時，組合墻板一側的柱根部發(fā)生了較為嚴重的破壞，柱翼緣及其側面都出現了較多的裂縫。

（2）當加載位移增加至±45 mm和±50 mm循環(huán)后，梁柱表面的混凝土開裂情況加劇，對應地滯回曲線中會出現較長的水平滑移段，且滯回曲線捏縮現象更為嚴重，但是此時的試驗件仍然具有較好的耗能能力。

（3）與常規(guī)鋼框架短肢組合鋼板剪力墻相比，結構優(yōu)化后的試驗件延性比提高了8.5%，彈性抗側剛度提高了49.2%，耗能能力增幅為61%。