聂建国，樊健生，黄远，等

建筑科学与技术

钢板剪力墙的试验研究

聂建国，樊健生，黄远，等

目的：天津津塔是我国首座采用钢板剪力墙的超高层建筑，也是目前已知规模最大的钢板剪力墙结构，其主要抗侧力体系为钢板剪力墙和钢管混凝土柱所构成的核心筒。本文主要针对该钢板剪力墙加钢管混凝土柱体系研究其在往复荷载作用下的滞回性能、破坏形态及合理的构造形式。方法：本文以天津津塔抗侧力体系为原型，主要通过2个2跨5层钢板剪力墙局部模型进行低周往复加载试验研究。首先，采用有限元软件MSC。MAC对钢板剪力墙模型进行了数值模拟，数值模拟包括特征值屈曲分析和非线性弹塑性分析，分析对象包括非加劲钢板墙模型（SPSW1）和加劲钢板墙模型（SPSW2），其中SPSW1分别计算钢板厚度为5 mm和3 mm两种情况。其次，基于数值分析结果设计完成了2个2跨5层1∶5缩尺比例的拟静力试验，分别为非加劲钢板墙试件（SPSW1）和加劲钢板墙试件（SPSW2），两个试件的钢板墙厚度均为5 mm，钢材等级为Q235B；圆钢管和型钢梁的钢材等级均为Q345B；钢管柱混凝土强度等级为C80，试件变化的主要参数包括钢板剪力墙与周边框架的连接方式以及钢板剪力墙的加劲构造措施，其中，试件SPSW1的钢板墙与边缘构件之间为摩擦型高强螺栓连接，钢板未设置加劲肋，SPSW2的钢板墙与边缘构件之间采用全熔透对接焊缝连接，中柱位置处的钢板墙贯穿钢管混凝土柱，边柱位置处钢板墙埋入钢管混凝土柱内，且SPSW2在每片钢板剪力墙上设置4道双面竖向U形加劲肋，加劲肋上下端与钢梁之间留有10 mm间隙。然后，根据数值分析结果在试件最容易发生屈曲的第2层剪力墙处集中布置了一系列测点。最后，进行试验加载，先施加竖向荷载，边柱为1450 kN、中柱为800 kN，后施加水平往复荷载，第1级水平荷载为±600 kN，其后每级加载±（200～400）kN，每级荷载均循环2遍。结果：有限元数值计算结果表明，对于本文的研究对象，层高最大的第2层的钢板剪力墙最容易发生屈曲，而模型SPSW2采用双面各4道加劲肋的布置方案可以有效防止其在正常使用状态或小震作用下发生屈曲。试验研究表明，在破坏形态方面，SPSW1试件为屈曲破坏，且钢板墙与边缘构件之间的大部分摩擦型高强螺栓在试验中发出较大噪声、在试验后有明显滑移，而SPSW2试件为强度破坏，整个试验过程中未发生屈曲。在滞回性能方面，SPSW1加载过程中的最大顶点位移为138.0 mm，对应的顶点位移角为1/29.9，最大层间位移为第2层的51.1 mm，相应的最大层间位移角为1/22，由于钢板的屈曲，其滞回曲线有一定程度捏缩现象；SPSW2加载过程中的最大顶点位移为56.6 mm，顶点位移角为1/73.0，最大层间位移为第2层的20.7 mm，相应的层间位移角为1/54，其滞回曲线呈饱满的梭形。结论：研究结果表明，钢板剪力墙结构具有较高的承载能力，稳定的滞回性能。加劲钢板剪力墙的抗侧移刚度较非加劲钢板剪力墙更大，设置加劲肋有利于提高结构在弹性阶段的刚度及稳定性。对于未设置加劲肋的钢板剪力墙试件，在加载初期即发生平面外屈曲，其滞回曲线呈现一定的S形捏拢趋势。设置有4道竖向加劲肋的钢板剪力墙试件在加载过程中未发生平面外屈曲，其滞回曲线呈饱满的纺锤形。此外，采用摩擦型高强螺栓连接的钢板剪力墙试件在加载过程中有较大噪声，可能影响结构的正常使用。

来源出版物：建筑结构学报, 2010, 31(9): 1-8

入选年份：2014

低剪跨比双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究

聂建国，卜凡民，樊健生

摘要：目的：随着建筑高度增加和功能需求的提高，对剪力墙性能的要求也随之提高，钢板-混凝土组合剪力墙成为发展方向之一。本文利用低周往复荷载试验，研究低剪跨比双钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能，并与钢筋混凝土剪力墙进行对比，为工程设计提供参考。方法：设计了3个组合剪力墙试件，剪跨比均为1.3个试件均带钢管混凝土端柱，其中2个为双钢板-混凝土组合剪力墙（简称为组合剪力墙），1个为钢筋混凝土剪力墙。利用低周往复荷载试验，量测力、位移、相对变形和应变等，并记录不同工作阶段的试验现象，分析剪力墙的破坏模式。绘制滞回曲线、骨架曲线，分析承载力、位移延性系数、刚度退化、承载力退化和耗能能力等指标，研究不同形式连接件对抗震性能的影响。结果：（1）加载开始，组合剪力墙的钢板与混凝土之间协同工作，钢筋混凝土剪力墙无裂缝出现；随着荷载增加，钢板与混凝土的界面粘结作用开始发生局部破坏、钢筋混凝土剪力墙开始出现剪切裂缝，此时3个试件对应的水平荷载分别为792 kN、496 kN、200 kN（各占相应峰值荷载的79%、55%和44%，对应的位移角分别为1/165、1/400、1/800。（2）组合剪力墙试件在墙体钢板发生局部屈曲后，经历一定加载过程才达峰值荷载，位移角不低于1/80；钢筋混凝土剪力墙峰值荷载对应的位移角约为1/160。（3）组合剪力墙试件加载至位移角约为1/40时，端柱钢管角部焊缝撕裂，内部混凝土压溃，水平荷载约为峰值荷载63%；钢筋混凝土剪力墙加载至位移角1/58时，端柱发生明显弯曲，墙体中部横向膨胀，混凝土破碎区域不断扩大，水平荷载约为峰值荷载55%。（4）达峰值荷载后，组合剪力墙试件承载力下降较为缓慢，滞回曲线呈梭形；钢筋混凝土剪力墙滞回曲线“捏缩效应”明显，不饱满。与钢筋混凝土剪力墙相比，组合剪力墙的强度、刚度和变形能力均显著提高。（5）连接件形式对组合剪力墙的峰值荷载影响不大；组合剪力墙极限位移角与屈服位移角之比大于2，极限荷载与屈服荷载之比约为1.2；组合剪力墙的屈服位移角、极限位移角和破坏位移角约为钢筋混凝土剪力墙的2倍。（6）2个组合剪力墙刚度退化关系曲线基本重合，退化较钢筋混凝土剪力墙缓。组合剪力墙的强度退化程度低于钢筋混凝土剪力墙，采用对拉螺栓的试件强度退化程度低于采用栓钉的试件。进入弹塑性阶段后，组合剪力墙耗能增长速度加快，钢筋混凝土剪力墙耗能增幅很小，累积耗能远低于组合剪力墙，组合剪力墙等效粘性阻尼系数增大至0.3左右。结论：（1）低剪跨比组合剪力墙具有良好的承载力、抗侧刚度、延性、耗能能力。（2）组合剪力墙钢板发生局部屈曲的位移角远高于规范对剪力墙的弹性位移角限值；钢板屈曲的发展和程度受混凝土墙体和栓钉的限制而大大降低。（3）对拉螺栓能保证钢板足够的锚固强度，并可以有效地防止钢板屈曲，峰值荷载之后承载力下降更为平缓。（4）在相同轴压比、距厚比的条件下，采用栓钉连接件的组合剪力墙承载力略高于采用对拉螺栓的组合剪力墙，且前者钢板发生屈曲明显晚于后者，表明钢板存在一定开洞率时，对钢板屈曲的发展影响显著。

来源出版物：建筑结构学报, 2011, 32(11): 74-81

入选年份：2014