不同支撐形式的型鋼混凝土剪力墻抗震性能試驗研究

王玉鐲 高希虎 許德建 王慧敏 傅傳國

摘 要：

型鋼混凝土剪力墻具有強度高、剛度大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在高層建筑中。為研究不同支撐形式對型鋼混凝土剪力墻抗震性能的影響，進行了3個1/3縮尺的型鋼混凝土剪力墻（型鋼支撐布置形式分別為X型、AC1型和AC2型）和1個普通混凝土剪力墻對比試件在低周反復(fù)荷載作用下的試驗研究，得到了其破壞過程的變化規(guī)律和破壞模式，分析了不同型鋼支撐類型對剪力墻抗剪承載能力、裂縫開展、剛度、延性及耗能的影響規(guī)律。試驗研究表明：型鋼支撐對剪力墻的承載能力、剛度、延性及耗能性能均有較大幅度提高。試驗研究表明：AC1型、AC2型和X型型鋼支撐的剪力墻極限承載能力較普通混凝土剪力墻分別提升了71.9%、64.6%和49.4%，其延性系數(shù)分別提高了19.3%、5.0%和14.5%；型鋼混凝土剪力墻的剛度退化速率與普通混凝土剪力墻相比更加緩慢，而且中后期剛度明顯優(yōu)于普通混凝土剪力墻；型鋼混凝土剪力墻的塑性區(qū)范圍較普通混凝土顯著增加，試驗獲得的滯回曲線也更加飽滿。

關(guān)鍵詞：

型鋼混凝土；剪力墻；型鋼支撐；荷載試驗；抗震性能

中圖分類號：TU398.2

文獻標志碼：A 文章編號：16744764（2018）05004410

收稿日期：20180131

基金項目：

山東省新型墻體材料專項基金

作者簡介：

王玉鐲（1973），男，副教授，博士，主要從事工程結(jié)構(gòu)抗火及防災(zāi)研究，Email： yuzhuowang@163.com。

Received：20180131

Foundation item：

New Wall Materials Special Foundation of Shandong Province

Author brief：

Wang Yuzhuo （1973）， associate professor， PhD， main research interests：fire resistance and disaster prevention of structure， Email： yuzhuowang@163.com.

Experimental analysis on seismic performance of steel reinforced

concrete shear wall with different types of steel bracings

Wang Yuzhuo1， Gao Xihu1， Xu Dejian1，Wang Huimin2，F(xiàn)u Chuanguo1

（1.School of Civil Engineering， Shandong Jianzhu University， Jinan 250101， P. R. China；

2.Department of Rail Transportation and Civil Engineering， Shandong Polytechnic， Jinan 250104， P. R. China.）

Abstract：

The steel reinforced concrete shear wall is widely used in highrise buildings for its high strength， high stiffness and excellent stability. In order to study the influence of different steel types on its antiseismic performance， low cyclic loading test has been carried out， including three experiments on the 1/3 scale of steel reinforced concrete shear walls （the steel as brace is Xtype， AC1type and AC2type， respectively） and one contrast experiment on a standard reinforced concrete shear wall. According to the failure process and modes， the bearing capacity， crack propagation， stiffness， ductility and energy dissipation of shear wall were significantly influenced. The experimental results show that the steel bracings results in a better performance of the bearing capacity， stiffness， ductility and energy dissipation capacity of the shear wall. The ultimate bearing capacity of shear wall was increased by 71.9%， 64.6% and 49.4% using AC1type， AC2type and Xtype， respectively. The ductility coefficient was increased by 19.3%， 50% and 14.5% accordingly. The stiffness of the steel reinforced concrete shear wall with steel bracings is much better than that of the contrast specimen and the stiffness degradation rate is slower in the middle and later stages of experiment. In addition， the plastic zone of the steel reinforced concrete shear wall with steel bracings increases dramatically， and the hysteretic loop is more full.

Keywords：

steel reinforced concrete； shear walls； steel bracing； loading test； seismic performance

高層建筑在現(xiàn)代建筑中占據(jù)越來越重要的地位，其結(jié)構(gòu)安全受到越來越廣泛的關(guān)注，各種災(zāi)害中，地震作用對建筑物的危害尤為嚴重。目前，高層建筑普遍采用剪力墻作為結(jié)構(gòu)的核心抗側(cè)力構(gòu)件，傳統(tǒng)剪力墻在力學性能方面雖然能夠滿足結(jié)構(gòu)的基本要求，但因其延性性能較差，發(fā)生地震時極易發(fā)生脆性破壞，有待進一步改進。在普通剪力墻中加入不同形式的型鋼支撐來提高墻體結(jié)構(gòu)的力學性能，得到一種新型剪力墻，即型鋼混凝土剪力墻。

近年來，學者們針對型鋼混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能做了許多研究，如曹萬林等[15]、王志浩等[6]完成了一系列有關(guān)帶支撐縮尺剪力墻的試驗研究，王立長等[7]對24片縮尺剪力墻進行抗震性能試驗研究。朱愛萍等[8]對12片有內(nèi)置鋼板的剪力墻進行了低周反復(fù)荷載作用下的試驗研究，分析軸壓比和鋼板厚度對剪力墻抗震性能的影響規(guī)律，提出需要把剪力墻含鋼率控制在一定范圍內(nèi)，并建議鋼板混凝土剪力墻設(shè)計軸壓比最大取0.5。伍云天等[911]對內(nèi)置冷彎薄壁型鋼桁架的混凝土剪力墻進行了試驗研究，結(jié)果表明，墻體中增加支撐能明顯增大其承載能力、變形能力、耗能能力和剛度，能控制裂縫的發(fā)展，提升后期穩(wěn)定性，有利于提升剪力墻的抗震性能。Chen等[12]對11個1/5縮尺的帶開洞的型鋼混凝土剪力墻進行試驗研究，結(jié)果表明，剪力墻的延性性能隨墻體中開洞面積的增大而增大；Epackachi等[1314]對4個雙鋼板混凝土剪力墻進行試驗研究與數(shù)值模擬，考慮混凝土厚度、配鋼率、栓釘和對拉螺桿間距對試件結(jié)構(gòu)性能的影響，給出了鋼板混凝土剪力墻的簡化分析模型和計算方法，并為剪力墻墻墩基礎(chǔ)的模型建立提出建議。Chang等[15]對4個雙鋼板混凝土剪力墻試件進行了試驗研究，考慮了不同情況下距厚比對剪力墻的影響，結(jié)果表明，距厚比越大，延性越好，但對試件的峰值荷載影響不大，也驗證了Epackachi等的簡化計算程序的有效性。

已有研究成果主要集中在鋼板混凝土剪力墻、帶鋼桁架或X型支撐鋼骨剪力墻方面，大多僅是對X型支撐剪力墻進行試驗研究，而沒有將不同支撐形式進行對比分析。筆者通過考慮不同型鋼支撐形式對剪力墻抗震性能的影響，以確定最優(yōu)的型鋼支撐布置形式，進行了3個不同支撐形式（均采用工字鋼）型鋼混凝土剪力墻和1個普通混凝土剪力墻對比試件在低周反復(fù)荷載作用下關(guān)于抗震性能的試驗研究。

1 試件概況

1.1 試件設(shè)計

試驗共設(shè)計了4個試件，其中3個帶型鋼支撐的剪力墻試件（SWX1、SWP1、SWR）和1個普通剪力墻對比試件SWD，其截面形式全部是矩形（寬800 mm，厚200 mm），混凝土采用C40的商品混凝土，分布筋和主筋均采用HRB400熱軋帶肋鋼筋，拉筋采用6.5的光圓鋼筋，支撐形式分別為：X型（SWX1）、AC1型（SWP1）和AC2型（SWR），如圖1所示。剪力墻詳細參數(shù)及配筋見圖2和表1。

X型支撐，布置相對復(fù)雜，工字鋼在墻體中對角布置，兩型鋼交叉處焊接，形成一個整體，可有效提高剪力墻試件的水平抗側(cè)力；AC1型，兩工字鋼平行布置于墻體兩側(cè)，可有效提高試件水平抗側(cè)力的同時，較X型支撐布置簡單；AC2型，工字鋼下端靠近墻體兩側(cè)邊緣，上端靠近墻體中心位置，斜向布置，其傾斜度小于X型支撐，大于AC1型支撐，是介于X型與AC1型之間的支撐形式。通過研究3種不同型鋼支撐形式下型鋼混凝土剪力墻試件的抗震性能，尋求最佳支撐類型。

1.2 材料的力學性能

在試件的制作過程中，采用同批混凝土制作了一組立方體試塊（共3塊），在現(xiàn)場同等條件下養(yǎng)護28 d，然后進行測試，結(jié)果見表2。同時，對試驗中用到的鋼筋和型鋼進行材料性能試驗，試驗結(jié)果詳見表3和表4。

2 試驗概況

2.1 加載裝置

試驗加載方式如圖3所示，使用1 000 kN MTS對剪力墻作用反復(fù)水平荷載，同時使用固定在門式反力架上的千斤頂對試件作用豎向恒定荷載。通過地錨螺栓將剪力墻固定于試驗室地面，作動器固定于反力墻上，并與剪力墻通過水平鏈接扣件緊密連接。

2.2 加載制度

豎向荷載：試驗開始前，通過分配梁將豎向荷載P=550 kN（軸壓比為0.13）作用于剪力墻上，并且在整個加載過程保持不變。

水平荷載：為模擬地震作用下試件受力過程，在距離基礎(chǔ)梁上頂面1 400 mm處使用MTS作用反復(fù)水平荷載。該試驗整個加載過程采取位移控制，步長全部采用2 mm，每一級位移往復(fù)兩次，加載制度見圖4。當試件不能繼續(xù)保持豎向荷載值穩(wěn)定或者水平荷載降到最大荷載的85%，試驗終止。

2.3 觀測內(nèi)容

試驗中量測了試件的荷載、位移和應(yīng)變。水平荷載與位移均由MTS伺服液壓加載系統(tǒng)測量與記錄，豎向荷載采用壓力傳感器測量。應(yīng)變測量包括墻體兩側(cè)混凝土、墻中水平分布筋、墻中豎向分布筋和型鋼支撐的應(yīng)變，各試件中應(yīng)變片布置如圖5所示。試件的裂縫開展和最終破壞情況采用手工描縫和數(shù)碼相機拍照記錄。

3 試驗現(xiàn)象分析

3.1 試件SWD

當位移步Δ=+6 mm時，在試件A端距底部33 cm處出現(xiàn)第一道細微的水平裂縫。當位移步Δ=-6 mm時，試件B端距底部約33 cm處出現(xiàn)一道新的水平裂縫，原有裂縫的端部產(chǎn)生微裂縫。之后隨位移逐漸增加，裂縫繼續(xù)開展，并向斜下方延伸，兩條主裂縫交匯。當位移步Δ=+24 mm時，原有裂縫持續(xù)發(fā)展，底部邊緣有豎向微裂縫出現(xiàn)，B端底部出現(xiàn)混凝土剝落。位移步Δ=+28 mm后，試件兩端底部破壞嚴重，水平荷載降至其最大荷載的85%，試驗終止。破壞現(xiàn)象如圖6所示。

3.2 試件SWX1

當位移步Δ=+6 mm時，在試件A端距底部約48 cm處產(chǎn)生第一道水平裂縫。當位移步Δ=-6 mm時，在試件B端距底部約30 cm位置處呈現(xiàn)出一條新裂縫，呈水平狀微向下傾斜。當位移步Δ=+10 mm時，A端距底部48 cm處的裂縫繼續(xù)向墻身內(nèi)擴展，并且距底部5 cm位置處發(fā)現(xiàn)新裂縫，斜向下發(fā)展，過程中伴有“噌噌”聲。在位移步Δ=+16 mm時，在A端距底部78 cm位置處有兩道新的水平短裂縫。當位移步Δ=-16 mm時，B端距底部30 cm處的裂縫與A端裂縫貫通。隨著位移步繼續(xù)增大，裂縫不斷開展，并且出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象，剪力墻底角處混凝土開始剝落。在位移步Δ=+42 mm后，剪力墻兩端底部混凝土被壓碎，發(fā)生脫落，水平荷載降至其最大荷載的85%，試驗終止。破壞現(xiàn)象如圖7所示。

3.3 試件SWP1

當位移步Δ=+10 mm時，試件A端距底部約28 cm處出現(xiàn)第一道裂縫，呈水平狀向內(nèi)部延伸。當位移步Δ=+12 mm時，在試件A端距底部約33 cm位置處有一道新的水平短裂縫，開展緩慢。當位移步Δ=-12 mm時，在試件B端距底部22 cm位置處產(chǎn)生一道水平裂縫，迅速向墻體中心位置發(fā)展。當位移步Δ=+20 mm時，在試件A端距底部約65 cm位置處產(chǎn)生一道新裂縫，沿約45°方向斜向下迅速開展，穿過墻體中心位置。當位移步Δ=+24 mm和-24 mm時，在A端距底部91 cm和B端距底部35 cm處分別出現(xiàn)水平狀裂縫，向墻內(nèi)發(fā)展。之后隨位移持續(xù)增長，裂縫不斷開展，試件兩側(cè)出現(xiàn)較多斜向短裂縫，剪力墻底角處出現(xiàn)混凝土脫落現(xiàn)象。在位移步達到+52 mm后，剪力墻兩端底部破壞，水平荷載降至最大荷載的85%，試驗終止。破壞現(xiàn)象如圖8所示。

3.4 試件SWR

當位移步Δ=-8 mm時，試件B端距底部約31 cm處產(chǎn)生第一道裂縫，呈水平狀向墻內(nèi)延伸。當位移步Δ=+12 mm時，試件A端距底部約9 cm處有一道新裂縫，并迅速向墻體中心位置發(fā)展。當位移步Δ=+14 mm時，在試件A端距底部34 cm處發(fā)現(xiàn)新裂縫，斜向下發(fā)展。當位移步Δ=+16 mm時，斜向裂縫在墻體中間位置交匯。當步長Δ=+18 mm時，原有裂縫繼續(xù)開展，且在端部產(chǎn)生若干微裂縫。隨位移步不斷增加，陸續(xù)出現(xiàn)若干條裂縫，出現(xiàn)位置逐漸增高，原有裂縫繼續(xù)擴展和延伸。當位移步Δ=+34 mm時，在B端底角處發(fā)生混凝土剝落現(xiàn)象。在位移步Δ=+46 mm后，水平荷載降低至其最大荷載的85%，試驗終止。破壞現(xiàn)象如圖9所示。

3.5 試件破壞形態(tài)比較分析

通過對上述4個試件破壞形態(tài)的對比分析（如圖6～圖9所示）可以看出：

1）試件SWX1、SWP1、SWR與試件SWD的破壞模式類似，均為彎剪型破壞。試件裂縫開展之初大多為水平方向，隨著位移的增加，逐漸斜向發(fā)展，且剪力墻破壞時底角處混凝土出現(xiàn)壓碎、剝落現(xiàn)象。

2）對比試件SWD裂縫較少，且開展較快，斜裂縫為約45°斜向下發(fā)展；試件SWX1裂縫相對試件SWD增多，且裂縫開展區(qū)域高度有所增加，斜裂縫發(fā)展方向與型鋼支撐布置方向相似，說明支撐的存在可以控制裂縫的發(fā)展走向；試件SWP1裂縫一直延伸至墻身2/3高度處，裂縫發(fā)展最充分，且分布范圍廣；試件SWR的裂縫以斜裂縫為主，且裂縫主要集中在墻身1/2以下位置。

3）型鋼混凝土剪力墻裂縫發(fā)展范圍均比普通剪力墻顯著增加，說明支撐的存在可以有效地增大剪力墻的塑性區(qū)高度，其中帶AC1型支撐試件SWP1的裂縫分布范圍最廣，塑性區(qū)最大。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 滯回曲線

試驗采用MTS自動記錄每個試件水平荷載與位移的滯回關(guān)系曲線，然后以此來分析每個試件的抗震表現(xiàn)。SWD、SWX1、SWP1和SWR的滯回曲線如圖10所示，通過分析比較可知：

1）開裂前，各試件均處于彈性工作階段，此時殘余應(yīng)變很小，滯回環(huán)面積也很小；

2）開裂以后到屈服前，水平荷載增長速率下降，滯回曲線斜率隨位移的增加而逐漸變小；

3）整體屈服以后，隨著位移的增加，塑性變形占總變形的比例不斷增大，水平荷載增長隨之變緩，達到最大值后水平荷載逐漸降低，但滯回環(huán)包絡(luò)面積還在不斷增大，表現(xiàn)出了良好的塑形變形能力；

4）從圖10可以看出，滯回環(huán)面積：SD

4.2 骨架曲線

骨架曲線作為研究結(jié)構(gòu)構(gòu)件非線性性能的重要數(shù)據(jù)，為研究結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下的彈塑性性能提供了基礎(chǔ)依據(jù)。比較圖11中4條骨架曲線，可以發(fā)現(xiàn)：在彈性工作階段，試件的初始剛度大致相同；裂縫出現(xiàn)以后，剛度開始下降，

圖11 荷載位移骨架曲線

Fig.11 Skeleton curves of loaddisplacement[]

帶支撐試件承載能力明顯大于對比試件，支撐形成的核心束可以約束裂縫開展；隨著位移的增加，骨架曲線的斜率隨之下降，對比試件水平荷載增長非常緩慢，帶支撐試件中由于型鋼支撐的作用骨架曲線斜率明顯大于對比試件，且荷載值也明顯大于對比試件；在達到最大荷載之后，SWD的骨架曲線下降段比較陡，承載力衰減很快，SWX1、SWP1和SWR骨架曲線下降段則較為平緩，承載力下降相對緩慢，說明支撐的存在可以減緩后期試件的破壞，提高了試件后期的抗震性能。

4.3 承載力分析

各試件開裂荷載、屈服荷載和極限荷載如表5所示。

1）帶型鋼支撐試件的屈服荷載和極限荷載比對比試件都有很大提升，說明型鋼支撐的布置能夠有效提高試件的承載力，試件SWX1、SWP1和SWR的屈服荷載分別提高了41.2%、45.5%和39.9%，極限荷載提高了49.4%、71.9%和64.6%，其中試件SWP1屈服荷載與極限荷載的增幅最大。

2）帶型鋼支撐試件的強屈比比對比試件都有所提升，可見支撐的存在一定程度上增大了剪力墻的塑性，提高了剪力墻的安全儲備，其中試件SWP1的強屈比提升比例最大，其次是試件SWR，最后是試件SWX1。

4.4 剛度退化分析

采用同級變形下的割線剛度來表示試件的剛度，割線剛度的計算方法如圖12所示，即采用每級位移循環(huán)中的荷載最大值與其對應(yīng)位移之比作為割線剛度[16]，每一個循環(huán)的割線剛度取正向加載和負向加載的剛度平均值，最終的割線剛度取同一位移步長下兩次加載的割線剛度平均值。采用上述計算方法得到的剛度退化曲線見圖13。

從圖13中各試件的剛度退化曲線可知：所有試件的初始剛度基本相同，說明支撐的存在并沒有改變試件的初始剛度，影響初始剛度的主要因素是混凝土的強度及構(gòu)件的尺寸；從開始加載到屈服，所有試件的剛度均快速下降，其中帶支撐試件的剛度下降速率要低于對比試件；從試件屈服到試驗終止，所有試件剛度退化緩慢，其中帶支撐試件的剛度均要明顯大于對比試件的剛度；對比試驗終止時試件的剩余剛度，SWP1的剩余剛度最大，接下來依次為試件SWR、SWX1和SWD。綜上所述，加設(shè)型鋼支撐能夠有效地降低試件初期的剛度退化速率，也有利于試件后期的剛度穩(wěn)定性，提高試件后期的抗震性能。

4.5 延性性能分析

用延性系數(shù)作為衡量試件延性性能的主要參數(shù)。各試件開裂位移、屈服位移、極限位移及延性系數(shù)如表6所示。

對表6中各試件試驗數(shù)據(jù)對比分析，能夠得到：試件SWX1、SWP1和SWR極限位移比對比試件SWD分別提高了50.0%、85.7%和60.7%，其延性系數(shù)提高比例分別為14.5%、19.3%和5.0%，說明試件中支撐的存在能有效提高剪力墻的延性，且 SWP1極限位移和延性系數(shù)提升幅度最大，其抗震延性性能表現(xiàn)最為優(yōu)異。

4.6 應(yīng)變分析

選取位于剪力墻試件左上角的混凝土測點TS3，X型鋼支撐上的XS7測點的應(yīng)變進行分析，進一步揭示試件的受力機理。圖14為試件混凝土及型鋼的時間應(yīng)變關(guān)系圖，圖中設(shè)定型鋼和混凝土應(yīng)變值，當應(yīng)變測點處型鋼或混凝土受拉時應(yīng)變值為正，受壓時應(yīng)變值為負。

1）由圖14（a）可知，型鋼混凝土剪力墻試件的混凝土應(yīng)變范圍較對比試件明顯變小，說明型鋼有效約束了試件混凝土的變形，增強了試件的抗變形能力。

2）由圖14（a）可以看出，在3個型鋼試件中，試件SWP1的應(yīng)變范圍最小，且拉壓應(yīng)變分布基本對稱，試件SWR的應(yīng)變范圍較小，試件SWX1的應(yīng)變范圍最大，這表明試件SWP1的抗變形能力最好，SWX1的抗變形能力最差。

3）由圖14（b）可知，加載初期試件型鋼應(yīng)變較小，隨著加載的繼續(xù)，型鋼應(yīng)變不斷增大，且逐漸表現(xiàn)為拉應(yīng)變。

綜上所述，與普通剪力墻相比，帶型鋼暗支撐的混凝土剪力墻抗震性能顯著提高。屈服荷載和極限荷載都有很大提升，強屈比的提高增大了剪力墻的安全儲備；剛度退化減緩，且后期剛度有所提升，剪力墻后期抗震性能穩(wěn)定性好；極限位移與延性系數(shù)的提高可滿足大震對墻體變形的要求；滯回曲線更加飽滿，剪力墻耗能能力明顯提高。在3種不同支撐形式中，又以加入豎向平行型鋼對剪力墻抗震性能的提升效果最為顯著。

5 結(jié)論

1）在低周反復(fù)荷載作用下，型鋼支撐的存在可以延遲裂縫的出現(xiàn)，細化裂縫的寬度，有效增大剪力墻的塑性區(qū)高度。另外，試件SWX1、SWP1、SWR和SWD破壞形態(tài)基本一致，都屬于彎剪型破壞。

2）型鋼支撐明顯的提高了剪力墻的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載，也減緩了剛度的衰減速率，有利于結(jié)構(gòu)的后期穩(wěn)定，提高結(jié)構(gòu)后期的抗震性能。

3）加入型鋼支撐可以增大剪力墻的屈服位移、極限位移和延性系數(shù)，能夠有效提升剪力墻延性性能，也提升了剪力墻在地震作用下的安全性能，加入型鋼支撐的試件滯回曲線更為飽滿，其耗能能力遠優(yōu)于普通剪力墻試件。

4）綜合分析試驗中各剪力墻的裂縫開展情況、承載力、應(yīng)變、延性及耗能等抗震性能可以發(fā)現(xiàn)，型鋼支撐的存在有效提高了剪力墻的抗震性能，其中在墻體中加入豎向平行型鋼支撐對剪力墻抗震性能提升效果最優(yōu)。在工程上，當剪力墻受到尺寸限制，配筋過多，或者普通配筋不能滿足性能要求時，可在墻體中加入平行型鋼支撐，不僅提高剪力墻各項力學性能，還能提高施工效率。

5）建議在混凝土剪力墻設(shè)計時，通過適當增加邊緣約束構(gòu)件配筋來提高剪力墻力學性能，在墻體內(nèi)部加入豎向平行型鋼支撐可以最有效地提高剪力墻的抗震性能。

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（編輯 胡英奎）