六層足尺冷彎薄壁型鋼-鋼板剪力墻結構房屋抗震性能振動臺試驗研究

周緒紅，姚欣梅，石宇，鄒昱瑄，谷永，羅澤巧

(1. 重慶大學，土木工程學院，重慶 400045；2. 長安大學，建筑工程學院，西安 710061)

冷彎薄壁型鋼結構具有結構自重輕、綠色環(huán)保、裝配化程度高、施工周期短等優(yōu)點，在5·12汶川大地震災后重建中得到推廣應用。目前，冷彎薄壁型鋼結構房屋在中國的研究及工程應用主要集中在低層(1～3層)建筑，且墻體構造均為傳統(tǒng)覆輕質墻板組合墻體。多層(4～6層)冷彎薄壁型鋼結構住宅工程實例較少，且缺少相關試驗數(shù)據(jù)及設計理論支撐。目前，僅有Ye等[1]對5層1∶2縮尺強邊柱冷彎型鋼剪力墻結構房屋進行了單一地震波單向輸入振動臺試驗研究；Wang等[2]對6層足尺冷彎薄壁型鋼剪力墻結構進行了單向輸入地震動振動臺試驗，結構高寬比為2.6。兩個試驗難以反映多層房屋在雙向地震動作用下的真實情況?！独鋸澅”谛弯摱鄬幼≌夹g標準》(JGJ/T 421—2018)的發(fā)布，使多層冷彎薄壁型鋼結構住宅有了科學指南，對于多層冷彎結構住宅在建筑行業(yè)的發(fā)展和應用具有重要的指導意義和促進作用。

在水平荷載作用下，定向刨花板、石膏板等墻面板的拼接處以及自攻螺釘與墻面板的連接處易破壞，從而導致傳統(tǒng)組合墻體的承載力偏低，難以滿足多層冷彎薄壁型鋼結構房屋對抗側力體系的要求。Zhou[3]提出了冷彎薄壁型鋼帽形截面端柱夾支單層薄鋼板剪力墻和鋼管端柱-雙面蒙皮鋼板剪力墻兩種新型冷彎薄壁型鋼鋼板剪力墻，并將其應用于多層冷彎薄壁型鋼結構房屋，建立了明確的多層冷彎薄壁型鋼-鋼板剪力墻結構體系。

通過水平低周往復加載試驗對兩類鋼板剪力墻進行抗剪性能試驗研究。如圖1所示，帽形截面端柱夾支單層薄鋼板剪力墻由豎向雙肢帽形截面端柱、水平雙肢L形梁及內嵌0.8 mm薄鋼板通過ST5.5自攻螺釘連接而成。在水平力作用下，鋼板依靠端柱提供的錨固作用形成拉力帶與端柱共同抵抗水平剪力。鋼管端柱-雙面蒙皮鋼板剪力墻采用6 mm厚方鋼管作為墻體端柱、其余立柱、導軌及橫撐采用C形及U形冷彎薄壁型鋼構件形成鋼骨架，0.8 mm薄鋼板通過ST4.8自攻螺釘與鋼骨架連接，主要依靠鋼板與骨架的螺釘連接產生蒙皮效應來提供抗剪能力。試驗結果表明：帽形截面端柱夾支單層薄鋼板剪力墻、螺釘間距為50/300的鋼管端柱-雙面蒙皮鋼板剪力墻、螺釘間距為150/300的鋼管端柱-雙面蒙皮鋼板剪力墻單位長度受剪承載力設計值依次為44、27、16 kN/m，彈性抗側剛度依次為4.76、1.01、0.93 kN/mm。兩類新型鋼板剪力墻的承載力及剛度均明顯高于傳統(tǒng)冷彎薄壁型鋼組合墻體。

圖1 新型鋼板剪力墻Fig.1 New types of steel plate shear walls

基于對兩類新型鋼板剪力墻抗剪性能試驗的研究，對6層足尺冷彎薄壁型鋼-鋼板剪力墻結構房屋進行設計并進行振動臺試驗，模型的結構平面尺寸為5.6 m(長)×4.2 m(寬)，層高2.7 m，總高16.2 m，模型高寬比為3.7，平面布置圖見圖2。

圖2 平面布置圖Fig.2 Plane layout

為觀測對比結構構件(鋼板剪力墻)及非結構構件(墻面板)對6層冷彎房屋模型抗震性能的影響，分為施工階段及正常使用階段進行試驗，如圖3所示。在水平地震荷載作用下，施工階段房屋模型水平剪力全部由剪力墻承擔。帽形截面端柱夾支單層薄鋼板剪力墻鋼板形成斜向拉力帶發(fā)生彈性屈曲變形，鋼管端柱-雙面蒙皮鋼板剪力墻通過鋼板與鋼龍骨的自攻螺釘連接抵抗水平力，鋼板角部發(fā)生明顯彈性剪切屈曲變形。在正常使用階段，房屋模型在覆內外墻面板后，墻面板的蒙皮效應與鋼板剪力墻共同抵抗水平剪力。隨地震輸入加速度峰值的增大，墻面板螺釘連接趨于破壞，蒙皮作用逐漸降低至失效，其抵抗的剪力全部由鋼板剪力墻承擔。因此，建議在多層冷彎薄壁型鋼-鋼板剪力墻結構房屋抗震設計中將鋼板剪力墻作為主要抗側力構件，墻面板的蒙皮作用作為房屋抗震能力的安全儲備。

圖3 振動臺試驗模型Fig.3 Shake table test models

筆者提出的多層冷彎薄壁型鋼-鋼板剪力墻結構體系具有抗震性能優(yōu)越、抗側構件明確、模塊化預制裝配、全生命周期等優(yōu)點，在中國大力推廣綠色裝配式建筑趨勢及“人多地少”的基本國情下，發(fā)展多層冷彎薄壁型鋼-鋼板剪力墻結構體系更符合建筑業(yè)需求，可為發(fā)展多層結構體系的抗震設計方法提供理論依據(jù)。