建筑科學(xué)與技術(shù)

聶建國，樊健生，黃遠(yuǎn)，等

建筑科學(xué)與技術(shù)

鋼板剪力墻的試驗(yàn)研究

聶建國，樊健生，黃遠(yuǎn)，等

目的：天津津塔是我國首座采用鋼板剪力墻的超高層建筑，也是目前已知規(guī)模最大的鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)，其主要抗側(cè)力體系為鋼板剪力墻和鋼管混凝土柱所構(gòu)成的核心筒。本文主要針對該鋼板剪力墻加鋼管混凝土柱體系研究其在往復(fù)荷載作用下的滯回性能、破壞形態(tài)及合理的構(gòu)造形式。方法：本文以天津津塔抗側(cè)力體系為原型，主要通過2個2跨5層鋼板剪力墻局部模型進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)研究。首先，采用有限元軟件MSC。MAC對鋼板剪力墻模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，數(shù)值模擬包括特征值屈曲分析和非線性彈塑性分析，分析對象包括非加勁鋼板墻模型（SPSW1）和加勁鋼板墻模型（SPSW2），其中SPSW1分別計算鋼板厚度為5 mm和3 mm兩種情況。其次，基于數(shù)值分析結(jié)果設(shè)計完成了2個2跨5層1∶5縮尺比例的擬靜力試驗(yàn)，分別為非加勁鋼板墻試件（SPSW1）和加勁鋼板墻試件（SPSW2），兩個試件的鋼板墻厚度均為5 mm，鋼材等級為Q235B；圓鋼管和型鋼梁的鋼材等級均為Q345B；鋼管柱混凝土強(qiáng)度等級為C80，試件變化的主要參數(shù)包括鋼板剪力墻與周邊框架的連接方式以及鋼板剪力墻的加勁構(gòu)造措施，其中，試件SPSW1的鋼板墻與邊緣構(gòu)件之間為摩擦型高強(qiáng)螺栓連接，鋼板未設(shè)置加勁肋，SPSW2的鋼板墻與邊緣構(gòu)件之間采用全熔透對接焊縫連接，中柱位置處的鋼板墻貫穿鋼管混凝土柱，邊柱位置處鋼板墻埋入鋼管混凝土柱內(nèi)，且SPSW2在每片鋼板剪力墻上設(shè)置4道雙面豎向U形加勁肋，加勁肋上下端與鋼梁之間留有10 mm間隙。然后，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果在試件最容易發(fā)生屈曲的第2層剪力墻處集中布置了一系列測點(diǎn)。最后，進(jìn)行試驗(yàn)加載，先施加豎向荷載，邊柱為1450 kN、中柱為800 kN，后施加水平往復(fù)荷載，第1級水平荷載為±600 kN，其后每級加載±（200～400）kN，每級荷載均循環(huán)2遍。結(jié)果：有限元數(shù)值計算結(jié)果表明，對于本文的研究對象，層高最大的第2層的鋼板剪力墻最容易發(fā)生屈曲，而模型SPSW2采用雙面各4道加勁肋的布置方案可以有效防止其在正常使用狀態(tài)或小震作用下發(fā)生屈曲。試驗(yàn)研究表明，在破壞形態(tài)方面，SPSW1試件為屈曲破壞，且鋼板墻與邊緣構(gòu)件之間的大部分摩擦型高強(qiáng)螺栓在試驗(yàn)中發(fā)出較大噪聲、在試驗(yàn)后有明顯滑移，而SPSW2試件為強(qiáng)度破壞，整個試驗(yàn)過程中未發(fā)生屈曲。在滯回性能方面，SPSW1加載過程中的最大頂點(diǎn)位移為138.0 mm，對應(yīng)的頂點(diǎn)位移角為1/29.9，最大層間位移為第2層的51.1 mm，相應(yīng)的最大層間位移角為1/22，由于鋼板的屈曲，其滯回曲線有一定程度捏縮現(xiàn)象；SPSW2加載過程中的最大頂點(diǎn)位移為56.6 mm，頂點(diǎn)位移角為1/73.0，最大層間位移為第2層的20.7 mm，相應(yīng)的層間位移角為1/54，其滯回曲線呈飽滿的梭形。結(jié)論：研究結(jié)果表明，鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)具有較高的承載能力，穩(wěn)定的滯回性能。加勁鋼板剪力墻的抗側(cè)移剛度較非加勁鋼板剪力墻更大，設(shè)置加勁肋有利于提高結(jié)構(gòu)在彈性階段的剛度及穩(wěn)定性。對于未設(shè)置加勁肋的鋼板剪力墻試件，在加載初期即發(fā)生平面外屈曲，其滯回曲線呈現(xiàn)一定的S形捏攏趨勢。設(shè)置有4道豎向加勁肋的鋼板剪力墻試件在加載過程中未發(fā)生平面外屈曲，其滯回曲線呈飽滿的紡錘形。此外，采用摩擦型高強(qiáng)螺栓連接的鋼板剪力墻試件在加載過程中有較大噪聲，可能影響結(jié)構(gòu)的正常使用。

來源出版物：建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報, 2010, 31(9): 1-8

入選年份：2014

低剪跨比雙鋼板-混凝土組合剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究

聶建國，卜凡民，樊健生

摘要：目的：隨著建筑高度增加和功能需求的提高，對剪力墻性能的要求也隨之提高，鋼板-混凝土組合剪力墻成為發(fā)展方向之一。本文利用低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，研究低剪跨比雙鋼板-混凝土組合剪力墻的抗震性能，并與鋼筋混凝土剪力墻進(jìn)行對比，為工程設(shè)計提供參考。方法：設(shè)計了3個組合剪力墻試件，剪跨比均為1.3個試件均帶鋼管混凝土端柱，其中2個為雙鋼板-混凝土組合剪力墻（簡稱為組合剪力墻），1個為鋼筋混凝土剪力墻。利用低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，量測力、位移、相對變形和應(yīng)變等，并記錄不同工作階段的試驗(yàn)現(xiàn)象，分析剪力墻的破壞模式。繪制滯回曲線、骨架曲線，分析承載力、位移延性系數(shù)、剛度退化、承載力退化和耗能能力等指標(biāo)，研究不同形式連接件對抗震性能的影響。結(jié)果：（1）加載開始，組合剪力墻的鋼板與混凝土之間協(xié)同工作，鋼筋混凝土剪力墻無裂縫出現(xiàn)；隨著荷載增加，鋼板與混凝土的界面粘結(jié)作用開始發(fā)生局部破壞、鋼筋混凝土剪力墻開始出現(xiàn)剪切裂縫，此時3個試件對應(yīng)的水平荷載分別為792 kN、496 kN、200 kN（各占相應(yīng)峰值荷載的79%、55%和44%，對應(yīng)的位移角分別為1/165、1/400、1/800。（2）組合剪力墻試件在墻體鋼板發(fā)生局部屈曲后，經(jīng)歷一定加載過程才達(dá)峰值荷載，位移角不低于1/80；鋼筋混凝土剪力墻峰值荷載對應(yīng)的位移角約為1/160。（3）組合剪力墻試件加載至位移角約為1/40時，端柱鋼管角部焊縫撕裂，內(nèi)部混凝土壓潰，水平荷載約為峰值荷載63%；鋼筋混凝土剪力墻加載至位移角1/58時，端柱發(fā)生明顯彎曲，墻體中部橫向膨脹，混凝土破碎區(qū)域不斷擴(kuò)大，水平荷載約為峰值荷載55%。（4）達(dá)峰值荷載后，組合剪力墻試件承載力下降較為緩慢，滯回曲線呈梭形；鋼筋混凝土剪力墻滯回曲線“捏縮效應(yīng)”明顯，不飽滿。與鋼筋混凝土剪力墻相比，組合剪力墻的強(qiáng)度、剛度和變形能力均顯著提高。（5）連接件形式對組合剪力墻的峰值荷載影響不大；組合剪力墻極限位移角與屈服位移角之比大于2，極限荷載與屈服荷載之比約為1.2；組合剪力墻的屈服位移角、極限位移角和破壞位移角約為鋼筋混凝土剪力墻的2倍。（6）2個組合剪力墻剛度退化關(guān)系曲線基本重合，退化較鋼筋混凝土剪力墻緩。組合剪力墻的強(qiáng)度退化程度低于鋼筋混凝土剪力墻，采用對拉螺栓的試件強(qiáng)度退化程度低于采用栓釘?shù)脑嚰?。進(jìn)入彈塑性階段后，組合剪力墻耗能增長速度加快，鋼筋混凝土剪力墻耗能增幅很小，累積耗能遠(yuǎn)低于組合剪力墻，組合剪力墻等效粘性阻尼系數(shù)增大至0.3左右。結(jié)論：（1）低剪跨比組合剪力墻具有良好的承載力、抗側(cè)剛度、延性、耗能能力。（2）組合剪力墻鋼板發(fā)生局部屈曲的位移角遠(yuǎn)高于規(guī)范對剪力墻的彈性位移角限值；鋼板屈曲的發(fā)展和程度受混凝土墻體和栓釘?shù)南拗贫蟠蠼档?。?）對拉螺栓能保證鋼板足夠的錨固強(qiáng)度，并可以有效地防止鋼板屈曲，峰值荷載之后承載力下降更為平緩。（4）在相同軸壓比、距厚比的條件下，采用栓釘連接件的組合剪力墻承載力略高于采用對拉螺栓的組合剪力墻，且前者鋼板發(fā)生屈曲明顯晚于后者，表明鋼板存在一定開洞率時，對鋼板屈曲的發(fā)展影響顯著。

來源出版物：建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報, 2011, 32(11): 74-81

入選年份：2014