彎折鋼筋抗剪鍵組合剪力墻抗剪性能試驗研究

李 陽， 王培軍， 苑憲朝， 王寶平， 趙 輝， 李安冬， 王懷鵬

(1 山東大學(xué)土建與水利學(xué)院， 濟南 250061；2 天元建設(shè)集團有限公司， 臨沂 276002； 3 同圓設(shè)計集團有限公司， 濟南 250101；4 青島城建集團有限公司， 青島 266031)

0 引言

鋼板-混凝土組合剪力墻具有承載力高、抗側(cè)剛度大、延性和耗能能力較好的特點[1-2]。國內(nèi)外的試驗研究和數(shù)值分析表明，對于內(nèi)置鋼板剪力墻，鋼板外包的混凝土可防止其產(chǎn)生波紋狀屈曲，使剪力墻主要受力機制轉(zhuǎn)向鋼板屈服[3]。此外，混凝土包裹在鋼板兩側(cè)，可協(xié)助其抵抗火災(zāi)和外界侵蝕作用。內(nèi)置鋼板組合剪力墻最早于20世紀60年代應(yīng)用于日本名古屋名鐵公共汽車站的框剪結(jié)構(gòu)中[4]。目前，國內(nèi)的超高層結(jié)構(gòu)，如上海中心大廈、中國尊也采用內(nèi)置鋼板剪力墻作為抗震構(gòu)件[5-6]。此前，各國學(xué)者對內(nèi)置鋼板組合剪力墻及其前身純鋼板剪力墻的性能進行了廣泛的研究，為進一步的試驗和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

Bruneau和Bhagwagar[7]對鋼框架-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)進行的非線性分析表明，采用鋼板剪力墻作為結(jié)構(gòu)增強構(gòu)件可大幅度降低層間位移。Astaneh-asl等[8]對普通內(nèi)置鋼板組合剪力墻及混凝土板帶邊縫的內(nèi)置鋼板組合剪力墻進行了抗剪試驗，結(jié)果顯示，普通內(nèi)置鋼板組合剪力墻強度和剛度略高于混凝土板帶邊縫的內(nèi)置鋼板組合剪力墻，而混凝土板帶邊縫的內(nèi)置鋼板組合剪力墻破壞時混凝土板的開裂程度較輕。Zhang等[9]采用有限元模型，研究了組合剪力墻抗剪鍵間距等參數(shù)對鋼板行為的影響，結(jié)果顯示，當(dāng)抗剪鍵間距與鋼板厚度比(s/t)小于特定值時，鋼板破壞模態(tài)將由彈性屈曲轉(zhuǎn)向塑性屈服。李國強等[10]對3塊外包混凝土鋼板剪力墻和1塊純鋼板剪力墻進行了抗剪試驗，結(jié)果顯示外包混凝土鋼板剪力墻較純鋼板剪力墻具有更好的強度、剛度和延性。呂西林等[11]對采用槽鋼作為邊緣構(gòu)件的16片內(nèi)置鋼板剪力墻進行了擬靜力試驗，研究了高寬比、墻體厚度、混凝土強度等參數(shù)對構(gòu)件抗剪性能的影響；此外對試驗數(shù)據(jù)進行了無量綱化處理和回歸分析，得到了構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)滯回曲線模型及受剪承載力公式。崔龍飛等[12]通過對兩組試驗中的四面剪力墻構(gòu)件的數(shù)值分析結(jié)果進行驗證，研究了不同高寬比下的內(nèi)置鋼板混凝土組合剪力墻和內(nèi)置鋼桁架混凝土組合剪力墻的受力性能。表明當(dāng)高寬比較大時，內(nèi)置鋼板混凝土組合剪力墻抗震性能優(yōu)于內(nèi)置鋼桁架混凝土組合剪力墻。

目前，采用預(yù)制裝配施工方式的組合剪力墻，在對穿拉結(jié)筋過程中需在鋼板上開洞并需要輔助定位措施進行鋼筋網(wǎng)綁扎，不能滿足生產(chǎn)過程中對安裝速度的需求。對于內(nèi)置鋼板組合剪力墻，水平荷載主要由鋼板和混凝土板承擔(dān)[13]，分布鋼筋用于減緩混凝土開裂，因此可簡化分布鋼筋設(shè)置?；诖?，提出一種采用彎折鋼筋抗剪鍵的內(nèi)置鋼板-混凝土組合剪力墻，此剪力墻取消了豎向分布鋼筋和抗剪栓釘。彎折鋼筋水平段用于抵抗混凝土的開裂，垂直段用于傳遞剪力，使混凝土和鋼板協(xié)同工作，同時作為抗拔構(gòu)件，可抵抗鋼板產(chǎn)生平面外變形，如圖1所示。

圖1 彎折鋼筋抗剪鍵的內(nèi)置鋼板-混凝土組合剪力墻構(gòu)件分解圖

為研究這種新型組合剪力墻的抗剪性能，對3片墻體試件進行了低周往復(fù)荷載試驗。對彎折鋼筋抗剪鍵的布置形式，橫向分布鋼筋的設(shè)置與否對構(gòu)件承載力、側(cè)向剛度、延性及耗能能力的影響進行了研究，并與1片鋼筋混凝土剪力墻試件進行對比，以檢驗其受力性能。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

共設(shè)計了4片剪力墻試件，包括3片彎折鋼筋抗剪鍵的內(nèi)置鋼板-混凝土組合剪力墻(SCCW)，1片鋼筋混凝土剪力墻(RW)。試件參數(shù)及試件尺寸見表1和圖2，其中，試件SCCW-01I僅設(shè)置彎折鋼筋抗剪鍵，試件SCCW-02和SCCW-02I除彎折鋼筋外設(shè)置橫向分布鋼筋，試件RW-01為鋼筋混凝土剪力墻。彎折鋼筋水平段長150mm，高70mm，橫向分布鋼筋間距150mm，鋼筋網(wǎng)提前綁扎完成，現(xiàn)場澆筑前做好墊片鋪設(shè)，防止鋼筋變形和走位。

圖2 試件尺寸

試件參數(shù) 表1

1.2 材料強度

實測鋼板、鋼筋及混凝土的材料特性見表2，其中，fcu,t為標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊抗壓強度實測值；fpy，fpu分別為拉伸試驗得到的鋼板的屈服強度(上屈服點)和極限強度；fby，fbu分別為鋼筋的屈服強度和極限強度。鋼板彈性模量為2.05×105MPa，極限拉應(yīng)變?yōu)?9.1%；鋼筋彈性模量為2.01×105MPa，極限拉應(yīng)變?yōu)?7.6%。

實測材料性能 表2

1.3 試驗裝置及加載制度

試驗加載裝置如圖3所示，荷載施加采用4 000kN伺服液壓千斤頂，兩個豎向千斤頂用于施加豎向壓力，一個水平方向千斤頂用于施加往復(fù)荷載。加載梁截面形心到夾持梁頂面豎向距離為1 500mm，使組合剪力墻的剪跨比λ=1。試件軸壓比根據(jù)《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JGJ 138—2016)確定，其重力荷載代表值作用下的軸壓比為0.15。試驗加載采用荷載-位移混合加載方式，每級循環(huán)一次。試驗前施加大小為1 146kN的豎向軸力，待荷載穩(wěn)定后施加水平往復(fù)荷載。構(gòu)件在彈性階段加載采用荷載控制，荷載級差為150kN。當(dāng)位移計量測的位移級差出現(xiàn)明顯增長時，認為構(gòu)件屈服。隨后采用位移控制方式加載，每級位移增量為2mm。當(dāng)荷載下降到極限荷載的85%以下或位移接近千斤頂行程極限時認為構(gòu)件破壞，停止加載。

圖3 試驗加載裝置

1.4 測點布置

試驗量測的物理量包括組合剪力墻荷載-側(cè)移曲線、墻體的水平側(cè)移等，并記錄裂縫開展情況。激光位移計L-1測量加載梁形心處位移，用于記錄剪力墻頂部水平位移；L-2測量夾持梁頂面處墻體水平位移，用以消除墻體滑移對墻體位移的影響，如圖4所示。裂縫產(chǎn)生和發(fā)展、構(gòu)件破壞等現(xiàn)象通過人工觀察記錄。

圖4 位移計布置

2 試驗現(xiàn)象

2.1 試件RW-01

圖5 試件RW-01破壞情況

2.2 試件SCCW-01I

試件SCCW-01I彎折鋼筋交錯布置，未布置橫向分布鋼筋。試驗過程顯示，試件SCCW-01I的位移角達到0.11%時，試件出現(xiàn)開裂裂縫；繼續(xù)加載，位移角達到0.22%時，試件出現(xiàn)貫通裂縫。試驗過程中，試件SCCW-01I除主裂縫外還發(fā)展出豎向裂縫和次裂縫，說明鋼筋受剪沒有得到有效控制。試件破壞如圖6所示。

圖6 試件SCCW-01I破壞情況

2.3 試件SCCW-02

試件SCCW-02彎折鋼筋平行布置，并布置了橫向分布鋼筋。試件SCCW-02位移角達到0.11%時，墻體開裂出現(xiàn)斜裂縫，如圖7(a)所示；繼續(xù)加載，試件裂縫向兩邊延伸，相互連接形成主斜裂縫；當(dāng)位移角達到0.32%時，主裂縫附近的角部混凝土受壓開裂，隨著加載的進行，墻體裂縫逐漸延伸，寬度增大，如圖7(b)所示；當(dāng)試件SCCW-02位移角達到0.72%時，頂部開裂混凝土受壓凸起，內(nèi)嵌鋼板露出部分在壓彎作用下發(fā)生屈曲，如圖7(c)所示。

圖7 試件SCCW-02破壞情況

2.4 試件SCCW-02I

試件SCCW-02I的內(nèi)置鋼板上除交錯布置彎折鋼筋外，還設(shè)置了橫向分布鋼筋。當(dāng)試件SCCW-02I位移角達到0.12%時，試件中部開始出現(xiàn)開裂裂縫，見圖8(a)；繼續(xù)加載，試件裂縫向兩邊延伸，相互連接形成主斜裂縫；當(dāng)試件SCCW-02I位移角達到0.34%時，角部混凝土在壓應(yīng)力作用下開裂，部分混凝土脫落，如圖8(b)所示；當(dāng)位移角達到0.76%時，角部混凝土開裂加深，分布鋼筋和內(nèi)嵌鋼板露出，見圖8(c)。通過對比組合剪力墻試件SCCW-02和SCCW-02I，可以發(fā)現(xiàn)，對具有橫向分布鋼筋的組合剪力墻，彎折鋼筋的布置方式對開裂位移角和裂縫的發(fā)展影響不明顯；通過對比組合剪力墻試件SCCW-01I和SCCW-02I可以看出，橫向分布鋼筋有助于提高鋼板與混凝土抗剪協(xié)調(diào)作用，有效限制裂縫的開展，裂縫集中于主裂縫附近，從而提高試件整體剛度和抗剪承載力。

圖8 試件SCCW-02I破壞情況

2.5 內(nèi)嵌鋼板破壞情況

由于未設(shè)置邊緣構(gòu)件，剪力墻邊緣部位的鋼板受到的面外約束作用較小，致使構(gòu)件角部的鋼板出現(xiàn)了局部受壓屈曲，如圖9(a)所示。鋼板的平面外變形導(dǎo)致混凝土與鋼板脫離。在組合剪力墻內(nèi)部，內(nèi)置鋼板均未發(fā)生屈曲，如圖9(b)所示，表明構(gòu)件性能未充分利用。為提高構(gòu)件性能，可設(shè)置邊緣構(gòu)件，提高對鋼板邊緣部分的約束作用。

圖9 內(nèi)嵌鋼板破壞圖

3 試驗結(jié)果

3.1 滯回曲線

各試件水平荷載-位移(F-Δ)滯回曲線如圖10所示。組合剪力墻試件滯回曲線比較飽滿，加載前期滯回環(huán)呈弓形，后期呈反S形；滯回環(huán)形狀基本對稱，試件在加載過程中的抗剪性能較為穩(wěn)定。組合剪力墻試件的極限荷載和極限位移均高于鋼筋混凝土剪力墻試件。在受力初期，各試件的滯回曲線基本呈直線，說明試件處于彈性工作狀態(tài)，沒有產(chǎn)生塑性變形。隨著荷載增大，試件角部混凝土出現(xiàn)裂縫，隨后內(nèi)置鋼板出現(xiàn)局部屈曲，試件抗剪剛度降低，卸載后出現(xiàn)塑性殘余變形。達到峰值荷載后，各試件承載力開始下降，但各試件表現(xiàn)出不同的下降趨勢。試件SCCW-02和SCCW-02I承載力下降較緩，表現(xiàn)出良好的延性；而試件SCCW-01I承載力下降較快，達到極限荷載后試件很快發(fā)生破壞。試件SCCW-02和SCCW-02I位移角均達到了0.02(1/50)，對應(yīng)承載力超過1 000kN；而試件SCCW-01I在極限位移角達到0.017(1/60)時，承載力僅為950kN，小于設(shè)置了橫向鋼筋的試件SCCW-02和SCCW-02I；表明設(shè)置橫向分布鋼筋可以顯著提高構(gòu)件的延性。

圖10 剪力墻試件滯回曲線

對比組合剪力墻試件和鋼筋混凝土剪力墻試件可以看出，在相同的水平位移下，組合剪力墻抗剪承載力更高，滯回環(huán)包圍面積更大，耗能能力更強；對比試件SCCW-02I和SCCW-01I可以看出，設(shè)置橫向分布鋼筋有助于提高試件峰值荷載和位移角；對比試件SCCW-02I和SCCW-02可以看出，彎折鋼筋交錯布置有助于提高試件峰值荷載和位移角，試件SCCW-02I滯回曲線更為飽滿，滯回環(huán)捏縮程度較輕。

3.2 骨架曲線

圖11為各試件骨架曲線。通過骨架曲線可以看出，各試件受力過程基本分為彈性受力階段、塑性受力階段、塑性破壞階段。組合剪力墻試件和鋼筋混凝土試件骨架曲線的彈性階段基本重合，這是因為彈性階段試件抗剪性能主要受混凝土控制，各試件表現(xiàn)出相近的彈性剛度。進入塑性階段后，鋼筋混凝土試件較早破壞，試件SCCW-01I未設(shè)置橫向分布鋼筋，達到開裂荷載后，剛度下降較快；試件SCCW-02有橫向分布鋼筋，彎折鋼筋平行布置，達到峰值荷載后，表現(xiàn)出較好變形能力；試件SCCW-02I有橫向分布鋼筋，彎折鋼筋交錯布置，峰值荷載較其他試件明顯提高，峰值荷載后，剛度退化較慢，表現(xiàn)出良好的延性。

圖11 剪力墻試件骨架曲線

通過以上對比可以看出，組合剪力墻較鋼筋混凝土剪力墻抗震性能明顯提高，有無橫向分布鋼筋、彎折鋼筋布置形式對組合剪力墻試件抗震性能影響顯著。

3.3 抗剪承載力

目前對屈服點的定義沒有明確的方法，本文采用能量法[15]確定各試件的屈服點。各試件的開裂荷載Fu、屈服荷載Fy、屈服位移Δy、峰值荷載Fp、極限位移Δu見表3。

對比表3中數(shù)據(jù)可知，各組合剪力墻試件屈服荷載和屈服位移相差較小，說明各組合剪力墻試件初始剛度相近。各試件的開裂荷載、峰值荷載相差較大，組合剪力墻試件SCCW-01I，SCCW-02，SCCW-02I峰值荷載較鋼筋混凝土剪力墻試件RW-01分別提高了39.5%，47.2%，65.0%，說明布置橫向分布鋼筋和彎折鋼筋交錯布置對提高試件承載力效果顯著。

3.4 變形能力

各試件位移延性系數(shù)μ如表3所示，通過位移延性系數(shù)可以判斷試件變形能力。試件SCCW-01I位移延性系數(shù)與鋼筋混凝土剪力墻試件RW-01相近，試件SCCW-02和SCCW-02I位移延性系數(shù)較鋼筋混凝土剪力墻試件RW-01分別提高了27.4%，20.4%，說明內(nèi)置鋼板和彎折鋼筋布置方式對試件位移延性系數(shù)影響較小，布置橫向分布鋼筋對提高試件變形能力影響顯著。

試件性能參數(shù) 表3

3.5 耗能能力

圖12 等效黏滯阻尼系數(shù)計算

(1)

3.6 剛度退化

試件剛度退化采用環(huán)線剛度進行描述[16]，環(huán)線剛度表示試件在同一位移幅值下多次加載循環(huán)的平均荷載與平均位移的比值，如圖13所示。初始階段組合剪力墻試件和鋼筋混凝土剪力墻試件剛度退化趨勢基本相同。達到開裂位移后，試件SCCW-01I剛度下降較快，說明未配置橫向分布鋼筋對試件剛度退化影響明顯。荷載施加過程中，各試件剛度退化均勻、連續(xù)，表明各試件抗剪性能比較穩(wěn)定。組合剪力墻試件相對鋼筋混凝土剪力墻試件剛度退化較慢，說明組合剪力墻試件受力性能更穩(wěn)定。

圖13 剛度退化曲線

4 組合剪力墻抗剪承載力公式對比

現(xiàn)行《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JGJ 138—2016)給出的采用型鋼作為邊緣構(gòu)件的內(nèi)置鋼板-混凝土剪力墻抗剪承載力計算公式為：

(2)

式中：λ為剪跨比；ft為鋼板受拉強度；bw為剪力墻厚度；hw0為剪力墻截面有效高度；N為剪力墻彎矩設(shè)計值M相對應(yīng)的軸向壓力設(shè)計值；A為剪力墻截面面積；Aw為剪力墻腹板的截面面積，對于矩形截面取Aw=A；fyh為剪力墻水平分布鋼筋抗拉強度設(shè)計值；Ash為配置在同一水平截面內(nèi)的水平分布鋼筋的全部截面面積；s為水平分布鋼筋的豎向間距；fa為鋼板-混凝土剪力墻一端所配型鋼的設(shè)計強度；Aal為鋼板-混凝土剪力墻一端所配型鋼的截面面積，當(dāng)兩端所配型鋼截面面積不同時，取較小一端的面積；fp為鋼板抗拉或抗壓強度設(shè)計值；Ap為剪力墻內(nèi)配置的鋼板的截面面積。

采用公式(2)計算組合剪力墻抗剪承載力時，考慮邊緣構(gòu)件對內(nèi)置鋼板的屈曲約束作用，本試驗中的組合剪力墻未設(shè)置邊緣構(gòu)件，在彎剪荷載作用下內(nèi)嵌鋼板發(fā)生局部屈曲，影響鋼板和混凝土整體協(xié)調(diào)作用，所以試件抗剪承載力的公式計算結(jié)果大于試驗結(jié)果，計算結(jié)果見表4。通過表中數(shù)據(jù)可知，公式(2)計算結(jié)果與試驗結(jié)果相一致，公式(2)計算結(jié)果大于試驗結(jié)果約7%，說明彎折鋼筋布置形式和布置橫向分布鋼筋對抗剪承載力提高作用明顯。

試驗抗剪承載力試驗值與公式(2)計算結(jié)果對比 表4

5 結(jié)論

(1)相比于鋼筋混凝土剪力墻，采用彎折鋼筋抗剪鍵組合剪力墻具有更高的抗剪承載力和更強的變形能力，在相同的位移幅值下，構(gòu)件的耗能能力更好。

(2)當(dāng)抗剪鋼筋交錯布置時，構(gòu)件屈服荷載和極限荷載均高于抗剪鋼筋平行布置的構(gòu)件，但抗剪鋼筋布置方式對混凝土開裂和裂縫貫通位移角無明顯影響。

(3)未設(shè)置橫向分布鋼筋的試件，達到屈服位移后剛度下降較快；增設(shè)橫向分布鋼筋，有效限制了混凝土的開裂，提高了試件承載力、變形能力、耗能能力和構(gòu)件的延性，建議設(shè)置橫向分布鋼筋，提高構(gòu)件抗震能力。

(4)根據(jù)試驗結(jié)果，按《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JGJ 138—2016)中的公式計算了彎折鋼筋抗剪鍵組合剪力墻的抗剪承載力，由于內(nèi)嵌鋼板較早發(fā)生局部屈曲，抗剪承載力公式計算結(jié)果大于試驗結(jié)果約7.0%。