聶建國(guó)，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(guó)，樊健生，黃遠(yuǎn)，等

目的：天津津塔是我國(guó)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(duì)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(guò)2個(gè)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(duì)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(duì)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(jì)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(jì)完成了2個(gè)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(gè)試件的鋼板墻厚度均為5 mm，鋼材等級(jí)為Q235B；圓鋼管和型鋼梁的鋼材等級(jí)均為Q345B；鋼管柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(duì)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(cè)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(jí)水平荷載為±600 kN，其后每級(jí)加載±（200～400）kN，每級(jí)荷載均循環(huán)2遍。結(jié)果：有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于本文的研究對(duì)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(gè)試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)生屈曲。在滯回性能方面，SPSW1加載過(guò)程中的最大頂點(diǎn)位移為138.0 mm，對(duì)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(guò)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(duì)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(shì)。設(shè)置有4道豎向加勁肋的鋼板剪力墻試件在加載過(guò)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(guò)程中有較大噪聲，可能影響結(jié)構(gòu)的正常使用。

來(lái)源出版物：建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 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(guó)，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(duì)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(duì)比，為工程設(shè)計(jì)提供參考。方法：設(shè)計(jì)了3個(gè)組合剪力墻試件，剪跨比均為1.3個(gè)試件均帶鋼管混凝土端柱，其中2個(gè)為雙鋼板-混凝土組合剪力墻（簡(jiǎn)稱(chēng)為組合剪力墻），1個(gè)為鋼筋混凝土剪力墻。利用低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，量測(cè)力、位移、相對(duì)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(duì)抗震性能的影響。結(jié)果：（1）加載開(kāi)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(wú)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(kāi)始發(fā)生局部破壞、鋼筋混凝土剪力墻開(kāi)始出現(xiàn)剪切裂縫，此時(shí)3個(gè)試件對(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(shí)，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(shí)，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(duì)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(gè)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(kāi)洞率時(shí)，對(duì)鋼板屈曲的發(fā)展影響顯著。

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

入選年份：2014