弯折钢筋抗剪键组合剪力墙抗剪性能试验研究

2021-11-03王培军苑宪朝王宝平李安冬王怀鹏

建筑结构 2021年18期

李阳，王培军，苑宪朝，王宝平，赵辉，李安冬，王怀鹏

(1 山东大学土建与水利学院，济南 250061；2 天元建设集团有限公司，临沂 276002； 3 同圆设计集团有限公司，济南 250101；4 青岛城建集团有限公司，青岛 266031)

0 引言

钢板-混凝土组合剪力墙具有承载力高、抗侧刚度大、延性和耗能能力较好的特点[1-2]。国内外的试验研究和数值分析表明，对于内置钢板剪力墙，钢板外包的混凝土可防止其产生波纹状屈曲，使剪力墙主要受力机制转向钢板屈服[3]。此外，混凝土包裹在钢板两侧，可协助其抵抗火灾和外界侵蚀作用。内置钢板组合剪力墙最早于20世纪60年代应用于日本名古屋名铁公共汽车站的框剪结构中[4]。目前，国内的超高层结构，如上海中心大厦、中国尊也采用内置钢板剪力墙作为抗震构件[5-6]。此前，各国学者对内置钢板组合剪力墙及其前身纯钢板剪力墙的性能进行了广泛的研究，为进一步的试验和应用奠定了基础。

Bruneau和Bhagwagar[7]对钢框架-钢板剪力墙结构进行的非线性分析表明，采用钢板剪力墙作为结构增强构件可大幅度降低层间位移。Astaneh-asl等[8]对普通内置钢板组合剪力墙及混凝土板带边缝的内置钢板组合剪力墙进行了抗剪试验，结果显示，普通内置钢板组合剪力墙强度和刚度略高于混凝土板带边缝的内置钢板组合剪力墙，而混凝土板带边缝的内置钢板组合剪力墙破坏时混凝土板的开裂程度较轻。Zhang等[9]采用有限元模型，研究了组合剪力墙抗剪键间距等参数对钢板行为的影响，结果显示，当抗剪键间距与钢板厚度比(s/t)小于特定值时，钢板破坏模态将由弹性屈曲转向塑性屈服。李国强等[10]对3块外包混凝土钢板剪力墙和1块纯钢板剪力墙进行了抗剪试验，结果显示外包混凝土钢板剪力墙较纯钢板剪力墙具有更好的强度、刚度和延性。吕西林等[11]对采用槽钢作为边缘构件的16片内置钢板剪力墙进行了拟静力试验，研究了高宽比、墙体厚度、混凝土强度等参数对构件抗剪性能的影响；此外对试验数据进行了无量纲化处理和回归分析，得到了构件的标准滞回曲线模型及受剪承载力公式。崔龙飞等[12]通过对两组试验中的四面剪力墙构件的数值分析结果进行验证，研究了不同高宽比下的内置钢板混凝土组合剪力墙和内置钢桁架混凝土组合剪力墙的受力性能。表明当高宽比较大时，内置钢板混凝土组合剪力墙抗震性能优于内置钢桁架混凝土组合剪力墙。

目前，采用预制装配施工方式的组合剪力墙，在对穿拉结筋过程中需在钢板上开洞并需要辅助定位措施进行钢筋网绑扎，不能满足生产过程中对安装速度的需求。对于内置钢板组合剪力墙，水平荷载主要由钢板和混凝土板承担[13]，分布钢筋用于减缓混凝土开裂，因此可简化分布钢筋设置。基于此，提出一种采用弯折钢筋抗剪键的内置钢板-混凝土组合剪力墙，此剪力墙取消了竖向分布钢筋和抗剪栓钉。弯折钢筋水平段用于抵抗混凝土的开裂，垂直段用于传递剪力，使混凝土和钢板协同工作，同时作为抗拔构件，可抵抗钢板产生平面外变形，如图1所示。

图1 弯折钢筋抗剪键的内置钢板-混凝土组合剪力墙构件分解图

为研究这种新型组合剪力墙的抗剪性能，对3片墙体试件进行了低周往复荷载试验。对弯折钢筋抗剪键的布置形式，横向分布钢筋的设置与否对构件承载力、侧向刚度、延性及耗能能力的影响进行了研究，并与1片钢筋混凝土剪力墙试件进行对比，以检验其受力性能。

1 试验概况

1.1 试件设计

共设计了4片剪力墙试件，包括3片弯折钢筋抗剪键的内置钢板-混凝土组合剪力墙(SCCW)，1片钢筋混凝土剪力墙(RW)。试件参数及试件尺寸见表1和图2，其中，试件SCCW-01I仅设置弯折钢筋抗剪键，试件SCCW-02和SCCW-02I除弯折钢筋外设置横向分布钢筋，试件RW-01为钢筋混凝土剪力墙。弯折钢筋水平段长150mm，高70mm，横向分布钢筋间距150mm，钢筋网提前绑扎完成，现场浇筑前做好垫片铺设，防止钢筋变形和走位。

图2 试件尺寸

试件参数表1

1.2 材料强度

实测钢板、钢筋及混凝土的材料特性见表2，其中，fcu,t为标准立方体试块抗压强度实测值；fpy，fpu分别为拉伸试验得到的钢板的屈服强度(上屈服点)和极限强度；fby，fbu分别为钢筋的屈服强度和极限强度。钢板弹性模量为2.05×105MPa，极限拉应变为19.1%；钢筋弹性模量为2.01×105MPa，极限拉应变为17.6%。

实测材料性能表2

1.3 试验装置及加载制度

试验加载装置如图3所示，荷载施加采用4 000kN伺服液压千斤顶，两个竖向千斤顶用于施加竖向压力，一个水平方向千斤顶用于施加往复荷载。加载梁截面形心到夹持梁顶面竖向距离为1 500mm，使组合剪力墙的剪跨比λ=1。试件轴压比根据《组合结构设计规范》(JGJ 138—2016)确定，其重力荷载代表值作用下的轴压比为0.15。试验加载采用荷载-位移混合加载方式，每级循环一次。试验前施加大小为1 146kN的竖向轴力，待荷载稳定后施加水平往复荷载。构件在弹性阶段加载采用荷载控制，荷载级差为150kN。当位移计量测的位移级差出现明显增长时，认为构件屈服。随后采用位移控制方式加载，每级位移增量为2mm。当荷载下降到极限荷载的85%以下或位移接近千斤顶行程极限时认为构件破坏，停止加载。

图3 试验加载装置

1.4 测点布置

试验量测的物理量包括组合剪力墙荷载-侧移曲线、墙体的水平侧移等，并记录裂缝开展情况。激光位移计L-1测量加载梁形心处位移，用于记录剪力墙顶部水平位移；L-2测量夹持梁顶面处墙体水平位移，用以消除墙体滑移对墙体位移的影响，如图4所示。裂缝产生和发展、构件破坏等现象通过人工观察记录。

图4 位移计布置

2 试验现象

2.1 试件RW-01

图5 试件RW-01破坏情况

2.2 试件SCCW-01I

试件SCCW-01I弯折钢筋交错布置，未布置横向分布钢筋。试验过程显示，试件SCCW-01I的位移角达到0.11%时，试件出现开裂裂缝；继续加载，位移角达到0.22%时，试件出现贯通裂缝。试验过程中，试件SCCW-01I除主裂缝外还发展出竖向裂缝和次裂缝，说明钢筋受剪没有得到有效控制。试件破坏如图6所示。

图6 试件SCCW-01I破坏情况

2.3 试件SCCW-02

试件SCCW-02弯折钢筋平行布置，并布置了横向分布钢筋。试件SCCW-02位移角达到0.11%时，墙体开裂出现斜裂缝，如图7(a)所示；继续加载，试件裂缝向两边延伸，相互连接形成主斜裂缝；当位移角达到0.32%时，主裂缝附近的角部混凝土受压开裂，随着加载的进行，墙体裂缝逐渐延伸，宽度增大，如图7(b)所示；当试件SCCW-02位移角达到0.72%时，顶部开裂混凝土受压凸起，内嵌钢板露出部分在压弯作用下发生屈曲，如图7(c)所示。

图7 试件SCCW-02破坏情况

2.4 试件SCCW-02I

试件SCCW-02I的内置钢板上除交错布置弯折钢筋外，还设置了横向分布钢筋。当试件SCCW-02I位移角达到0.12%时，试件中部开始出现开裂裂缝，见图8(a)；继续加载，试件裂缝向两边延伸，相互连接形成主斜裂缝；当试件SCCW-02I位移角达到0.34%时，角部混凝土在压应力作用下开裂，部分混凝土脱落，如图8(b)所示；当位移角达到0.76%时，角部混凝土开裂加深，分布钢筋和内嵌钢板露出，见图8(c)。通过对比组合剪力墙试件SCCW-02和SCCW-02I，可以发现，对具有横向分布钢筋的组合剪力墙，弯折钢筋的布置方式对开裂位移角和裂缝的发展影响不明显；通过对比组合剪力墙试件SCCW-01I和SCCW-02I可以看出，横向分布钢筋有助于提高钢板与混凝土抗剪协调作用，有效限制裂缝的开展，裂缝集中于主裂缝附近，从而提高试件整体刚度和抗剪承载力。

图8 试件SCCW-02I破坏情况

2.5 内嵌钢板破坏情况

由于未设置边缘构件，剪力墙边缘部位的钢板受到的面外约束作用较小，致使构件角部的钢板出现了局部受压屈曲，如图9(a)所示。钢板的平面外变形导致混凝土与钢板脱离。在组合剪力墙内部，内置钢板均未发生屈曲，如图9(b)所示，表明构件性能未充分利用。为提高构件性能，可设置边缘构件，提高对钢板边缘部分的约束作用。

图9 内嵌钢板破坏图

3 试验结果

3.1 滞回曲线

各试件水平荷载-位移(F-Δ)滞回曲线如图10所示。组合剪力墙试件滞回曲线比较饱满，加载前期滞回环呈弓形，后期呈反S形；滞回环形状基本对称，试件在加载过程中的抗剪性能较为稳定。组合剪力墙试件的极限荷载和极限位移均高于钢筋混凝土剪力墙试件。在受力初期，各试件的滞回曲线基本呈直线，说明试件处于弹性工作状态，没有产生塑性变形。随着荷载增大，试件角部混凝土出现裂缝，随后内置钢板出现局部屈曲，试件抗剪刚度降低，卸载后出现塑性残余变形。达到峰值荷载后，各试件承载力开始下降，但各试件表现出不同的下降趋势。试件SCCW-02和SCCW-02I承载力下降较缓，表现出良好的延性；而试件SCCW-01I承载力下降较快，达到极限荷载后试件很快发生破坏。试件SCCW-02和SCCW-02I位移角均达到了0.02(1/50)，对应承载力超过1 000kN；而试件SCCW-01I在极限位移角达到0.017(1/60)时，承载力仅为950kN，小于设置了横向钢筋的试件SCCW-02和SCCW-02I；表明设置横向分布钢筋可以显著提高构件的延性。

图10 剪力墙试件滞回曲线

对比组合剪力墙试件和钢筋混凝土剪力墙试件可以看出，在相同的水平位移下，组合剪力墙抗剪承载力更高，滞回环包围面积更大，耗能能力更强；对比试件SCCW-02I和SCCW-01I可以看出，设置横向分布钢筋有助于提高试件峰值荷载和位移角；对比试件SCCW-02I和SCCW-02可以看出，弯折钢筋交错布置有助于提高试件峰值荷载和位移角，试件SCCW-02I滞回曲线更为饱满，滞回环捏缩程度较轻。

3.2 骨架曲线

图11为各试件骨架曲线。通过骨架曲线可以看出，各试件受力过程基本分为弹性受力阶段、塑性受力阶段、塑性破坏阶段。组合剪力墙试件和钢筋混凝土试件骨架曲线的弹性阶段基本重合，这是因为弹性阶段试件抗剪性能主要受混凝土控制，各试件表现出相近的弹性刚度。进入塑性阶段后，钢筋混凝土试件较早破坏，试件SCCW-01I未设置横向分布钢筋，达到开裂荷载后，刚度下降较快；试件SCCW-02有横向分布钢筋，弯折钢筋平行布置，达到峰值荷载后，表现出较好变形能力；试件SCCW-02I有横向分布钢筋，弯折钢筋交错布置，峰值荷载较其他试件明显提高，峰值荷载后，刚度退化较慢，表现出良好的延性。

图11 剪力墙试件骨架曲线

通过以上对比可以看出，组合剪力墙较钢筋混凝土剪力墙抗震性能明显提高，有无横向分布钢筋、弯折钢筋布置形式对组合剪力墙试件抗震性能影响显著。

3.3 抗剪承载力

目前对屈服点的定义没有明确的方法，本文采用能量法[15]确定各试件的屈服点。各试件的开裂荷载Fu、屈服荷载Fy、屈服位移Δy、峰值荷载Fp、极限位移Δu见表3。

对比表3中数据可知，各组合剪力墙试件屈服荷载和屈服位移相差较小，说明各组合剪力墙试件初始刚度相近。各试件的开裂荷载、峰值荷载相差较大，组合剪力墙试件SCCW-01I，SCCW-02，SCCW-02I峰值荷载较钢筋混凝土剪力墙试件RW-01分别提高了39.5%，47.2%，65.0%，说明布置横向分布钢筋和弯折钢筋交错布置对提高试件承载力效果显著。

3.4 变形能力

各试件位移延性系数μ如表3所示，通过位移延性系数可以判断试件变形能力。试件SCCW-01I位移延性系数与钢筋混凝土剪力墙试件RW-01相近，试件SCCW-02和SCCW-02I位移延性系数较钢筋混凝土剪力墙试件RW-01分别提高了27.4%，20.4%，说明内置钢板和弯折钢筋布置方式对试件位移延性系数影响较小，布置横向分布钢筋对提高试件变形能力影响显著。

试件性能参数表3

3.5 耗能能力

图12 等效黏滞阻尼系数计算

(1)

3.6 刚度退化

试件刚度退化采用环线刚度进行描述[16]，环线刚度表示试件在同一位移幅值下多次加载循环的平均荷载与平均位移的比值，如图13所示。初始阶段组合剪力墙试件和钢筋混凝土剪力墙试件刚度退化趋势基本相同。达到开裂位移后，试件SCCW-01I刚度下降较快，说明未配置横向分布钢筋对试件刚度退化影响明显。荷载施加过程中，各试件刚度退化均匀、连续，表明各试件抗剪性能比较稳定。组合剪力墙试件相对钢筋混凝土剪力墙试件刚度退化较慢，说明组合剪力墙试件受力性能更稳定。

图13 刚度退化曲线

4 组合剪力墙抗剪承载力公式对比

现行《组合结构设计规范》(JGJ 138—2016)给出的采用型钢作为边缘构件的内置钢板-混凝土剪力墙抗剪承载力计算公式为：

(2)

式中：λ为剪跨比；ft为钢板受拉强度；bw为剪力墙厚度；hw0为剪力墙截面有效高度；N为剪力墙弯矩设计值M相对应的轴向压力设计值；A为剪力墙截面面积；Aw为剪力墙腹板的截面面积，对于矩形截面取Aw=A；fyh为剪力墙水平分布钢筋抗拉强度设计值；Ash为配置在同一水平截面内的水平分布钢筋的全部截面面积；s为水平分布钢筋的竖向间距；fa为钢板-混凝土剪力墙一端所配型钢的设计强度；Aal为钢板-混凝土剪力墙一端所配型钢的截面面积，当两端所配型钢截面面积不同时，取较小一端的面积；fp为钢板抗拉或抗压强度设计值；Ap为剪力墙内配置的钢板的截面面积。

采用公式(2)计算组合剪力墙抗剪承载力时，考虑边缘构件对内置钢板的屈曲约束作用，本试验中的组合剪力墙未设置边缘构件，在弯剪荷载作用下内嵌钢板发生局部屈曲，影响钢板和混凝土整体协调作用，所以试件抗剪承载力的公式计算结果大于试验结果，计算结果见表4。通过表中数据可知，公式(2)计算结果与试验结果相一致，公式(2)计算结果大于试验结果约7%，说明弯折钢筋布置形式和布置横向分布钢筋对抗剪承载力提高作用明显。