新型鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能試驗研究

□文/劉春生 孟 然

鋼板剪力墻表現(xiàn)出了較大的彈性初始剛度，大變形能力，良好的塑性性能和穩(wěn)定的滯回特性等力學(xué)性能。鋼板剪力墻體系已成為一種非常具有發(fā)展?jié)摿Φ母邔涌箓?cè)力體系，尤其適用于高烈度地震區(qū)的建筑。鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于厚度薄，整體厚度一般只有混凝土剪力墻的一半，結(jié)構(gòu)的使用面積能增加2%左右；自重輕，與混凝土剪力墻相比，可減輕18%左右[1]；建造速度快，能夠縮短施工工期，減少施工費用；延性好，較薄的未加勁鋼板具有相當高的屈曲后強度[2]。

于家堡金融區(qū)是天津濱海新區(qū)大力投資建設(shè)的金融建筑群，是帶動整個天津地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的領(lǐng)軍項目，因此對建筑結(jié)構(gòu)要求非常高。鑒于目前對建筑抗震的關(guān)注，采用鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)，由于目前國內(nèi)尚未建立完善的設(shè)計規(guī)范，因此需要通過試驗驗證設(shè)計的可靠性和適用性。

1 工程概況

天津國際金融會議酒店位于于家堡金融區(qū)。項目地下2層，地上12層，建筑總高度約60 m，地下室基礎(chǔ)底板頂標高-16.500 m。工程總建筑面積約為16.2萬m2，其中地下部分約5.31萬m2，地上部分約10.89萬m2。

設(shè)計時采用多層大跨度結(jié)構(gòu)體系，主體結(jié)構(gòu)由8個筒體+大跨度桁架梁與周邊的鋼管混凝土柱+H型鋼梁框架構(gòu)成，筒體中采用鋼板剪力墻。鋼板剪力墻鑲嵌于鋼管混凝土柱與水平H型鋼梁形成的邊框之中，在地下室部分，筒體改為型鋼混凝土構(gòu)件。

2 設(shè)計難點

1）結(jié)構(gòu)計算模型。該項目的規(guī)模及所采用的鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了結(jié)構(gòu)計算的復(fù)雜性。設(shè)計過程中表現(xiàn)出的難點及重點集中在彈性及彈塑性階段鋼板墻力學(xué)模型的合理模擬與簡化，特別是鋼板墻屈曲后的計算模型和受力特點及洞口的受力特點和補強措施。

2）結(jié)構(gòu)及構(gòu)件承載力驗算。由于構(gòu)件存在初始缺陷，用結(jié)構(gòu)試驗的方法很難實測彈性屈曲荷載，求解屈曲荷載需借助數(shù)學(xué)方法。當鋼板剪力墻因側(cè)向力超過常遇地震而發(fā)生屈曲時，張力場效應(yīng)將從側(cè)向使結(jié)構(gòu)體系變軟，同時增加柱子的軸向荷載并在水平邊界單元的上端和下部造成垂直荷載。這種受力狀態(tài)，通常需要借助復(fù)雜的數(shù)值方法進行計算分析。

3）初始缺陷的考慮。由于模型制作誤差的不確定性、焊接殘余應(yīng)力的存在以及試驗荷載在模型截面上引起的應(yīng)力不均勻性程度等因素都存在相當?shù)碾S機性，故而模型的屈曲形態(tài)及失穩(wěn)時的部位都難以準確確定。如何合理、準確布置測點用以監(jiān)測模型發(fā)生屈曲和材料達到屈服極限，是需要仔細研究的問題。

3 鋼板剪力墻有限元分析

3.1 有限元分析模型

該項目中的鋼板剪力墻共分3種形式，即帶邊框柱開洞的鋼板剪力墻（SPSW-1）；帶邊框柱不開洞的鋼板剪力墻（SPSW-2）；帶邊框柱及中柱開洞的鋼板剪力墻（SPSW-3），見圖 1。

圖1 有限元分析模型

有限元分析模型主要采用3種類型的單元。混凝土以及加載墊塊采用3D-SOLID八結(jié)點六面體全積分（Ful l Integr at ion）7號實體單元；鋼板和洞口下緣的水平矩形截面加勁肋采用3D-SHELL四結(jié)點四邊形139號薄殼（Thin Shel l）單元；其余槽型截面加勁肋采用3D-BEAM二結(jié)點直線98號Eul er梁（Thin Beam）單元。

有限元分析模型根據(jù)縮尺后實際試件尺寸確定。由于本試驗的主要內(nèi)容為鋼板剪力墻的整體受力性能，在計算中對數(shù)值模型進行了適當簡化，如忽略了鋼板墻與邊緣構(gòu)件的連接構(gòu)造方式的影響，均作為等強連接考慮。有限元分析針對1∶5的縮尺模型進行，鋼板墻的厚度為4 mm。鋼板和混凝土的變形協(xié)調(diào)采用節(jié)點耦合的方式實現(xiàn)，屬分離式模型，模型不考慮鋼板和混凝土之間的粘結(jié)滑移效應(yīng)。

3.2 有限元分析結(jié)果

1）SPSW-1的有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果存在一定偏差，試驗的極限承載力要比計算的極限承載力低10%左右，這是由于構(gòu)件初始缺陷的影響和鋼管柱內(nèi)的混凝土受拉開裂較早退出工作，導(dǎo)致試件極限承載力降低。

2）SPSW-2的有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。

3）SPSW-3在正向加載時，有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好，在負向加載到52 mm左右時，靠近西側(cè)柱的底層鋼板與底板連接處焊縫撕開，導(dǎo)致試件的承載力和延性下降，從而計算結(jié)果和試驗結(jié)果出現(xiàn)一定偏差。

SPSW-1、SPSW-2和SPSW-3在達到最大的正向或負向位移時柱腳、底層與第一層鋼板墻出現(xiàn)大面積屈服，模型分析結(jié)果表明試件的彎曲效應(yīng)明顯。

4 低周反復(fù)荷載試驗

4.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗在清華大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實驗室進行，試驗?zāi)Ｐ椭饕芯?層鋼板剪力墻。為了模擬實際的邊界約束條件，使加載端與反力墻上加載裝置的位置相對應(yīng)，底部增加半層鋼板墻，頂部約增加0.7層鋼板墻。模型采用與實際結(jié)構(gòu)等級相同的材料及制作工藝，局部不能做到時，可采用相近工藝替代，盡可能使模型的性能與實際結(jié)構(gòu)相近。鋼板剪力墻模型委托工廠制造，鋼管內(nèi)的混凝土在試驗室澆筑。

鋼板剪力墻試件采用1∶5縮尺，見圖2。鋼板墻厚度均為4 mm，鋼材采用Q345b等級，鋼板墻與周邊約束框架采用全熔透對接焊縫進行連接，焊縫的質(zhì)量等級為一級。為避免鋼板墻在擬靜力荷載作用下過早屈曲，在每片鋼板墻上設(shè)置一定數(shù)量的加勁肋，加勁肋包括槽型和矩形兩種截面形式。

圖2 SPSW-1試驗?zāi)Ｐ图俺叽?/p>

4.2 加載裝置

水平往復(fù)荷載用MTS伺服加載系統(tǒng)施加，豎向荷載通過設(shè)置在反力架上的豎向千斤頂和加載小車施加。為滿足破壞試驗的加載要求，在頂層鋼梁位置采用并排2個千斤頂進行加載。由于豎向千斤頂移動空間的限制，因此有中柱的鋼板剪力墻在中柱和邊柱頂上放置1片剛度很大的分配梁，豎向荷載施加于分配梁跨中位置，使得兩根柱分配相同的豎向荷載。鋼板剪力墻模型設(shè)置有側(cè)向支架，可以防止鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的整體面外失穩(wěn)。

4.3 測試內(nèi)容

1）鋼板剪力墻在各級荷載作用下應(yīng)力、應(yīng)變分布狀況以及變形情況，測得試件的屈服承載力和極限承載力。

2）鋼板剪力墻模型在往復(fù)荷載作用下的滯回曲線。

3）鋼板剪力墻模型的破壞形態(tài)，包括最先破壞的位置、開洞的影響、破壞形式等。

4）鋼板剪力墻洞口處及其它各關(guān)鍵部位的應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)實時繪制相應(yīng)曲線以指導(dǎo)試驗加載過程。

5 試驗結(jié)果及分析

圖3為加載頂點水平荷載-水平位移曲線，圖4為荷載-位移曲線的骨架曲線。由圖3和圖4可知，SPSW-1的極限承載力和剛度比SPSW-2和SPSW-3的小，說明開洞會降低鋼板剪力墻試件的承載力和剛度；SPSW-3的極限承載力和剛度與SPSW-2相當，說明SPSW-3雖然鋼板墻上開洞，但是相比SPSW-1和SPSW-2增加了中柱，中柱提高了試件的承載力和剛度。

圖3 加載頂點水平荷載-水平位移曲線

圖4 荷載位移曲線的骨架曲線

各試件的特征荷載、相應(yīng)的位移角和延性系數(shù)見表1。屈服荷載有多種確定方式，暫取骨架線上剛度開始變化的點對應(yīng)的水平位移為屈服位移；峰值位移為最大水平承載力對應(yīng)的水平位移。其中，SPSW-1的極限位移為水平力下降到最大水平承載力85%時的水平位移；由于SPSW-2的延性很好，加載到試驗中的最大位移時，承載力下降很小，取SPSW-2的極限位移為加載的最大位移。SPSW-2實際的延性系數(shù)會高于表中所列數(shù)值；SPSWW-3正向加載的極限位移為加載的最大位移，負向加載的極限位移為水平力下降到最大水平承載力85%時的水平位移。

表1 基本試驗結(jié)果

以SPSW-3試件為例，為評價實際結(jié)構(gòu)各受力工況（風載、小震、中震、大震）的安全性能，假定試驗中試件達到極限承載能力時的荷載水平1 100 kN對應(yīng)實際結(jié)構(gòu)大震時的荷載水平。則根據(jù)小震、中震及大震對應(yīng)水平力的經(jīng)驗比例公式及設(shè)計院提供的小震對應(yīng)的水平力比例可得

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計目標，小震下鋼板剪力墻保持彈性，鋼板墻不發(fā)生平面外屈曲，滿足結(jié)構(gòu)正常使用和強度要求。小震對應(yīng)的水平力為295 kN，為結(jié)構(gòu)彈性階段控制荷載。試驗中鋼板墻沒有發(fā)生屈曲，由之前的分析可知，結(jié)構(gòu)的屈服荷載約為830 kN，可見小震作用下結(jié)構(gòu)能夠保持彈性狀態(tài)，鋼板墻不發(fā)生平面外屈曲，能夠滿足建筑的正常使用要求并且在小震作用下SPSW3的層間位移角為1/675，滿足JGJ 99—98《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第5.5.2條“高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的第一階段抗震設(shè)計的層間側(cè)移標準值，不得超過結(jié)構(gòu)層高的1/250”的變形要求。中震對應(yīng)的水平力為826 kN，此時鋼板墻初步進入屈服階段且未發(fā)生明顯的平面外變形及局部損傷。由之前的分析可知，對應(yīng)于中震作用，鋼板墻仍然具有較大的強度儲備，能夠滿足“中震可修”的要求。JGJ 99—98第5.5.3條規(guī)定：“高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的第二階段抗震設(shè)計，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)層間側(cè)移不得超過層高的1/70”。由于試驗中鋼板墻正向加載時的最大層間位移角達到1/55時，鋼板墻的承載能力幾乎沒有下降，而負向加載時柱腳撕裂在實際鋼板墻結(jié)構(gòu)中是不會出現(xiàn)的，可見該鋼板剪力墻在大震下具有較好的延性，能夠滿足“大震不倒”的要求。

6 結(jié)論

完成了3片1∶5縮尺鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的低周往復(fù)加載試驗和有限元分析。通過試驗及計算，得到以下結(jié)論。

1）鋼板墻結(jié)構(gòu)總體表現(xiàn)出較高的承載能力和良好的延性，實現(xiàn)了鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)“高耗能”的設(shè)計理念。

2）試驗?zāi)Ｐ驮诩虞d前期（對應(yīng)于正常使用狀態(tài)），鋼板墻和邊緣構(gòu)件（邊框梁和邊框柱）均處于彈性階段；在加載后期（對應(yīng)于罕遇地震狀態(tài)），鋼板墻首先進入屈服，邊框梁和邊框柱亦進入塑性。

3）由于樓層鋼梁的平面外約束較弱且模型具有一定的初始缺陷，加載過程中鋼板墻墻板和邊框梁發(fā)生屈曲，但結(jié)構(gòu)仍保持較高的承載能力。

4）開洞鋼板墻模型SPSW-1和SPSW-3在加載后期，鋼板墻洞口角部、加勁肋端部發(fā)生了局部撕裂；撕裂后，試件的承載能力有所下降，但仍具有較好的延性和耗能能力。

5）鋼板墻模型在小震作用下，均能保持彈性且不發(fā)生屈曲，能滿足正常使用和強度要求，能滿足“小震不壞”的要求；對應(yīng)中震的作用下，鋼板墻初步進入或未進入屈服，也未發(fā)生明顯的平面外變形和局部破壞，具有較大的強度儲備，能滿足“中震可修”的要求；在大震作用下，鋼板墻充分進入塑性，保持結(jié)構(gòu)延性良好，試驗?zāi)Ｐ偷淖畲笪灰平强蛇_到1/60至1/55，能夠滿足“大震不倒”的要求。

[1]汪大綏，陸道淵，黃 良，等.天津津塔結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2009，（S1）:1-7.

[2]郭彥林，董全利.鋼板剪力墻的發(fā)展與研究現(xiàn)狀[J].鋼結(jié)構(gòu)，2005，20（1）：1-6.

[3]趙 彤，孟 然.新型鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].天津建設(shè)科技，2011，21（5）：54-56.