剪跨比為0.9的鋼板混凝土組合剪力墻抗震性能試驗

沈鵬程

摘 要：文章基于一片剪跨比為0.9的鋼板混凝土組合剪力墻面內(nèi)低周反復荷載試驗，分析實驗現(xiàn)象，整理實驗數(shù)據(jù)，得到滯回曲線、剛度退化曲線等抗震性能指標，證明鋼板混凝土組合剪力墻具有良好的抗震性能。

關(guān)鍵詞：鋼板混凝土組合剪力墻；抗震性能；滯回曲線；有限元

作為高層建筑的主要抗側(cè)力構(gòu)件，剪力墻及其組成的核心筒在承擔豎向荷載和水平荷載上發(fā)揮著極其重要的作用。隨著經(jīng)濟社會不斷發(fā)展，建筑高度和建筑功能的需求均不斷增加。在此基礎上，國內(nèi)外學者提出一種能夠提供更大承載力和更好延性的新型剪力墻——鋼板混凝土組合剪力墻。

當混凝土墻體與外包鋼板結(jié)合在一起形成雙鋼板-混凝土組合剪力墻時，其力學特性會發(fā)生顯著變化，主要表現(xiàn)在：混凝土和鋼板互為約束，混凝土可防止鋼板失穩(wěn)，鋼板可避免混凝土裂縫的暴露，從而提高使用性能和耐久性，提高剪力墻受剪承載力和延性，增強結(jié)構(gòu)整體抗震性能。

1 鋼板混凝土組合剪力墻的研究現(xiàn)狀

近十幾年中，日本對SC剪力墻在核電廠房中的應用總結(jié)出一套設計方法。美國在引用日本的設計方法的基礎上，對鋼板組合剪力墻的設計方法進行了規(guī)定。加拿大和韓國也進行了大量的理論和試驗研究。Wright Howard和加拿大Ryerson大學的Anwar Hossain KM，對在施工和使用階段荷載作用下的雙面壓型鋼板內(nèi)填混凝土的組合剪力墻進行了研究。2009年，清華大學的趙潔發(fā)表在《工程力學》上的文獻提出了用彈簧連接單元模擬混凝土、鋼板兩種材料共同作用的思路。2013年，中信建筑設計研究總院有限公司的范浩等發(fā)表在《建筑結(jié)構(gòu)》上的文獻詳細介紹了混凝土損傷塑性模型在模擬混凝土剪力墻的滯回性能時各參數(shù)的設置方法。

2 鋼板混凝土組合剪力墻抗震性能試驗

試件形式為單片矩形截面的外包鋼板組合剪力墻，寬1m，厚0.15m，高0.9m，鋼板內(nèi)表面設置栓釘，鋼板之間設置拉筋。對所有試件進行面內(nèi)的擬靜力試驗（低周反復荷載試驗），即在試件頂部施加固定的軸力，試件頂部施加面內(nèi)的往復側(cè)向力，在試件中產(chǎn)生彎矩和剪力。試驗過程中試件的設計軸壓比為0.4。

試驗步驟如下：（1）施加豎向荷載至設計軸壓比，并在試驗過程中保持恒定不變；（2）試件屈服前，逐級增加荷載，每級循環(huán)一次；（3）試件屈服后，以屈服時的位移y控制加載，按照1y，2y，3y….逐級加載，每級循環(huán)2次，在達到試件的極限承載力以后，仍采取位移控制加載，每級循環(huán)2次，直至試件破壞。破壞判定準則為發(fā)生以下情況之一：（1）試件的承載力下降到85%以下；（2）試件嚴重破壞，鋼板鼓曲；（3）試件發(fā)生嚴重的面外失穩(wěn)導致加載困難。

試件受力全過程可分為如下4個階段，對應試驗現(xiàn)象為：（1）彈性工作階段，試件無明顯現(xiàn)象，組合剪力墻的鋼板與混凝土協(xié)同工作，各試件頂點水平荷載-位移關(guān)系曲線基本呈線性變化；（2）鋼板與混凝土界面破壞或混凝土開裂階段，彈性工作階段之后，試件剛度開始降低，荷載-位移曲線出現(xiàn)一定程度的轉(zhuǎn)折，定義此時為彈性階段臨界狀態(tài)；（3）屈服階段，該階段為荷載-位移曲線從明顯轉(zhuǎn)折點持續(xù)到荷載峰值點，鋼板出現(xiàn)鼓起；（4）破壞階段，大量細碎混凝土流出，鋼板嚴重鼓起，鋼板表面出現(xiàn)斜向鼓起帶。

試件的延性系數(shù)都在2.5以上，極限位移角基本都大于1/50，說明鋼板混凝土組合剪力墻的變形能力較強。從試件的滯回曲線圖可以看出，滯回曲線比較飽滿，耗能能力較強。各試件基本在水平加載到50%左右極限承載力時剛度發(fā)生明顯變化，說明雙鋼板混凝土組合剪力墻抗剪變形能力較好。

由上述試件的剛度退化曲線可見，試件剛度在初始加載過程中快速下降，但隨著位移角的增大衰減幅度逐漸變緩。初始階段試件剛度的快速下降是由于試件兩側(cè)靠近基礎梁的邊緣墻體內(nèi)混凝土在往復荷載作用下，由于拉壓而快速開裂出現(xiàn)破壞，剛度快速下降；但隨著位移角的增大，試件兩側(cè)靠近基礎梁的邊緣鋼板焊縫處出現(xiàn)裂縫，細碎混凝土流出而形成局部的空洞，試件剛度基本下降到一個低值，但由于鋼板的約束作用，位移角再增大時試件剛度下降也有限。

當鋼板未達到屈服之前，即所測應變不超過屈服應變時，基本上能保持平截面假定；當鋼板屈服以后，底部截面就不再滿足平截面假定，原因在于鋼板屈服以后，應變片大多數(shù)已經(jīng)破壞，不能再測得正確的應變，所以就不能反映對應位置的實際變形。

3 結(jié)語

由以上試驗分析過程，可得出如下結(jié)論：

（1）鋼板混凝土組合剪力墻相比普通鋼筋混凝土剪力墻具有更大的承載能力、耗能能力，更好的變形能力、抗震性能；試件的破壞形態(tài)為壓彎破壞，說明剪力墻的抗彎承載力低于抗剪承載力。

（2）鋼板混凝土組合剪力墻底部截面在鋼板屈服以前，考慮一定程度的試驗誤差，可以基本驗證平截面假定，即彎矩作用下構(gòu)件橫截面應變沿截面高度線性變化的正確性。

參考文獻

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