2019, Vol. 42
2. 河北省土木工程技术研究中心, 天津 300401;
3. 滨州学院 建筑工程学院, 山东 滨州 256600
2. Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province, Tianjin 300401, P. R. China;
3. School of Architecture Engineering, Binzhou University, Binzhou 256600, Shandong, P. R. China
钢骨混凝土剪力墙综合了混凝土与型钢的优点，具有强度好、防火等优势。近年来，国内外学者针对钢骨混凝土剪力墙进行了研究。Hossain等[1-2]对中间填充混凝土的两侧钢板组合剪力墙试件进行了试验研究。Sigariyazd等[3]进行了3块1/3薄钢板剪力墙试验。Safari等[4]设计了多个复合钢骨剪力墙，进行了低周往复的加载试验并进行了数值分析。王晓燕等[5]完成了对6个“一”字形截面钢骨高强混凝土短肢剪力墙试件的低周反复荷载试验。纪晓东等[6]完成了2个内嵌钢骨混凝土墙试件和3个外包钢板混凝土墙试件的拟静力试验。马恺泽等[7]对4个双层钢板混凝土组合剪力墙试件进行了拟静力加载试验。黄强[8]、Cui[9]等进行了9个轻钢EPS混凝土剪力墙的拟静力试验。任重翠等[10]进行了11片剪力墙的低周往复拉剪试验，得出轴拉力等对剪力墙抗震性能的影响。王滋军等[11]提出一种新型预制叠合剪力墙结构，墙体设计为上下两层。王萌等[12]等用有限元软件ABAQUS模拟验证了钢骨剪力墙受力性能，并对常见形式的钢骨剪力墙进行了系统的对比分析。Huang等[13]对混凝土-双层钢板剪力墙进行了非线性有限元分析和多参数对比。Peng等[14]简化分析了6个在循环荷载下再生混凝土剪力墙的抗震性能。目前试验研究多针对于低矮的缩尺模型，对足尺钢骨剪力墙的研究还不够深入和系统。针对试件缩尺与足尺之间会产生的尺寸效应，刘春晖等[15]开展了再生混合混凝土受压尺寸效应以及外置薄钢板再生混合墙抗震性能方面的探讨。但这些探索缺乏对足尺剪力墙抗弯能力、抗剪能力对比分析。对此，文中进行了足尺钢骨混凝土剪力墙和钢筋混凝土剪力墙进行低周反复荷载下的抗弯抗剪试验研究。
1 试验概况试验共设计了4个截面尺寸相同的足尺剪力墙试件。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》和《组合结构设计规范》承载力计算的比较分析，按照试验目的要求，并参考工程设计实践，试件采取下列原则设计：
1) 混凝土剪力墙两端的纵筋产生的抗弯力矩，等同于钢骨剪力墙试件相同范围的型钢与附加纵筋产生的抗弯力矩。
2) 为使抗剪试验成功，剪跨比较小的2个试件适当增加配置纵向钢筋。
3) 试件内钢筋满足构造配置。
4) 墙内竖向分布筋均采用12@200。
其中SRC1与SRC2为钢骨混凝土剪力墙，SRC1高度为3 000 mm，剪跨比为3，SRC2高度为1 500 mm，剪跨比为1.5。试件SRC1和试件SRC2在墙截面中部设置工字型钢骨，钢骨腹板厚8mm，翼缘厚16 mm，腹板翼缘都焊接栓钉，其水平间距为200 mm，竖向间距为300 mm，RC1与RC2为普通钢筋混凝土剪力墙，RC1高度为3 000 mm，剪跨比为3，RC2高度为1 500 mm，剪跨比为1.5。试件截面两端分别设有不同尺寸的暗柱，所有试件均为立式现浇。各试件的墙截面尺寸及配筋情况如图 1所示。
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图 1 试件几何尺寸与截面图 Fig. 1 Details of specimen |
试件中的钢板均采用Q345钢。钢板、钢筋材料性能试验结果如表 1所示。混凝土等级均为C40，混凝土立方体抗压强度平均值为42.2 MPa，轴心抗压强度平均值为28.3 MPa。
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表 1 钢材性能 Table 1 Material properties of steel |
试验装置主要由反力墙、水平推拉作动器、油压控制系统和地锚螺杆等组成。水平千斤顶固定在反力墙上，水平加载点位于加载头截面中心位置。本次试验针对超高层建筑，试验设计时，考虑到试件尺寸大，强度高，剪力墙试件承受轴向压力后，抗弯、抗剪承载力会提高，当前实验室设备最大水平推力为1 000 kN，无法顺利完成预期试验目标。再三考虑后，决定舍弃轴压比这一参数的对比，决定试验以后通过有限元模拟进行对比分析轴压比的影响，故未加竖向荷载。加载装置示意如图 2所示。采用拟静力试验方法对试件进行低周往复荷载试验。加载制度为荷载位移混合控制，试件屈服前采用荷载控制，每级正负向循环加载一次，RC1每级荷载为60 kN，RC2为80 kN，SRC1为60 kN，SRC2为80 kN。当剪力墙根部截面处钢板钢筋应变达到屈服应变时，记录此时的位移，并作为之后位移控制的加载步距，接下来采用位移控制进行加载，每级循环两次。RC1、RC2、SRC1、SRC2的每级加载步距分别是46、20、36、25 mm。当试件水平荷载下降到极限荷载的85%以下时，认为试件破坏。
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图 2 加载装置示意图 Fig. 2 Test setup |
足尺混凝土剪力墙试件试验现象和破坏发展过程相似。其中RC1与SRC1发生弯曲破坏，RC2与SRC2发生剪切破坏。试件破坏形态如图 3所示，其中SRC2墙因实验室条件限制未达到极限承载能力状态。
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图 3 破坏形态 Fig. 3 Failure pattern |
试验过程显示，在初始开裂阶段，试件均产生弹性变形，墙脚正面侧面均出现许多微小水平裂缝。随着荷载的逐渐增加，水平裂缝不断伸长开展，并伴随出现着许多斜裂缝。当钢筋或钢板屈服后，试件进入弹塑性阶段，裂缝继续开展，宽度变大，长度逐渐贯通墙面，并产生交叉贯通裂缝，受压区混凝土开始龟裂，混凝土保护层开始剥落。当试件达到最大承载能力后，荷载不再上升，随着试件变形增大，纵筋屈曲或者拉断，钢板焊缝崩开，墙脚混凝土被压碎，试件破坏。
试验过程中，足尺钢骨混凝土剪力墙试件SRC1和SRC2分别比足尺钢筋混凝土剪力墙RC1和RC2裂缝出现更晚，裂缝细小并且开展较慢，最终破坏时贯穿裂缝较少，混凝土压溃情况较轻，SRC1破坏前，钢骨焊缝处出现断裂；不含钢骨的足尺试件RC1和RC2裂缝宽度大、开展迅速，破坏时混凝土压溃较为严重，并伴随着钢筋的拉断。剪跨比大的足尺试件SRC1和RC1开裂过程中，受弯产生的横向裂缝较多，裂缝宽度较大，试件极限变形较大；剪跨比小的足尺试件SRC2和RC2产生较多的斜向剪切裂缝，裂缝宽度较小，裂缝逐渐交叉贯通开展，破坏时极限位移较小。试验过程中，因试件SRC2加载二倍屈服位移时，其荷载超出实验室作动器最大量程，故停止试验。从试验结果看出，钢骨减缓了裂缝的发展，减小了裂缝的宽度，试件破坏时混凝土压溃情况较轻，但是出现了焊缝断裂的情况。
3 试验结果分析 3.1 承载力、位移及延性数据分析时采用能量等值法确定屈服点，并记录此时的位移为屈服位移。极限荷载即为试件在加载过程中所能承受的最大水平力，此时位移为极限位移；当试件承载力下降至极限荷载的85%时，记为破坏荷载，此时的位移为破坏位移。足尺混凝土剪力墙试件的荷载、位移、位移延性系数见表 2所示。
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表 2 承载力、位移及延性系数 Table 2 Bearing capacity, displacement and ductility coefficient of specimens |
从表 2中可以看出，足尺钢骨混凝土剪力墙试件SRC1比足尺钢筋混凝土剪力墙试件RC1的屈服荷载增大了78.52%，表明混凝土中加入钢骨可以明显延缓试件钢材的屈服。同时，含有钢骨的试件，试件SRC1极限荷载比RC1正向增大54.83%，负向增大94.74%，平均增大74.46%，极限荷载和破坏荷载明显较大，说明钢骨的加入提高了试件的承载能力，钢骨与混凝土在剪力墙试件中能够协同工作。对含有钢骨的足尺试件SRC1与不含钢骨足尺试件RC1对比发现，SRC1延性系数比RC1延性系数增大7.35%，表明钢骨表现出了良好的变形能力，能增强试件的延性。试件RC2比试件RC1屈服荷载正负向平均增大130.74%，极限荷载增大140.99%，破坏位移减小48.19%。剪跨比较小的试件屈服荷载和极限荷载都明显较大，但是破坏位移较小，位移延性系数变小。说明剪跨比越小试件承载力越高，但试件的延性逐渐降低。
3.2 滞回特性足尺混凝土剪力墙试件水平荷载位移滞回曲线如图 4所示。
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图 4 荷载位移滞回曲线 Fig. 4 Load-displacement curves |
比较足尺钢筋混凝土剪力墙试件RC1与RC2滞回曲线发现，剪跨比较小的剪力墙试件RC2的滞回曲线中部捏拢现象稍微严重，极限荷载较高，承载力较大，试件破坏特征较为明显，荷载下降较快。这表明:剪跨比的降低会提高剪力墙试件的极限承载力，但降低试件的变形能力。比较试件RC1与SRC1滞回曲线发现，含钢骨的足尺剪力墙试件承载力明显变大，变形能力更强，表明钢骨的加入增强了剪力墙试件的整体抗震性能；对比试件RC1与SRC1破坏前的滞回曲线，含有钢骨的试件残余变形较小，表明含有钢骨的剪力墙破坏前有良好的恢复能力。
3.3 骨架曲线足尺混凝土剪力墙试件的骨架曲线，如图 5所示。
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图 5 骨架曲线 Fig. 5 Skeleton curves |
由图 5可以发现，各个试件骨架曲线正负加载方向骨架基本对称。对比各试件的骨架曲线可以看出，含有足尺钢骨的剪力墙试件SRC1与SRC2整体刚度较大，承载力较高，延性较好；不含钢骨的足尺剪力墙试件承载力相对较低，强度不高。说明钢骨的加入提高了剪力墙试件的整体承载力，钢骨与混凝土的协同工作使得试件整体刚度有了提高。剪跨比较大的足尺试件RC1和SRC1极限变形能力明显较强，延性更好，但是初始刚度较低；剪跨比小的足尺试件RC2强度较大，但是承载力下降较快，延性较差。这表明剪跨比的减小能提高剪力墙试件的承载力，降低试件的变形能力。
3.4 刚度退化足尺混凝土剪力墙试件刚度退化曲线如图 6所示。
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图 6 刚度退化曲线 Fig. 6 Stiffness degradation curves |
对比是否含钢骨的试件可以看出：试件SRC1初始刚度较试件RC1增大64.08%，试件SRC2初始刚度较试件RC2增大47.54%，说明足尺钢骨剪力墙试件初始刚度较大，钢骨可以增强试件整体刚度。含有钢骨的剪力墙试件刚度退化速率稍快，最终刚度与足尺钢筋混凝土剪力墙试件RC1与RC2基本一致，说明加入钢骨提高了足尺剪力墙试件的初始刚度，但试件不断破坏过程中刚度退化较不含钢骨剪力墙明显。对比不同剪跨比的试件发现，剪跨比较小的足尺试件RC2和SRC2初始刚度分别比试件RC1和SRC1增大了189.17%和160.02%，但是刚度退化较快，屈服后刚度退化速度更快，最终刚度接近为零，说明剪跨比的增大可以减缓剪力墙试件的刚度退化，在剪力墙设计时应选取合适的剪跨比数值。
3.5 耗能能力足尺混凝土剪力墙试件的等效粘滞阻尼系数曲线如图 7所示。
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图 7 试件的等效粘滞阻尼系数位移曲线 Fig. 7 Equivalent viscous damping coefficient-displacement curves |
从图 7中可以看出，试件的等效粘滞阻尼系数在屈服前较小，屈服以后迅速增加。含有钢骨的足尺试件SRC1的等效粘滞阻尼系数与不含钢骨的足尺试件RC1和RC2的变化趋势基本一致，均为屈服前先降低，屈服后逐渐增加。对比试件SRC1和试件RC1的等效粘滞阻尼系数，屈服后试件SRC1在相同位移下较RC1增大15.27%，可以看出钢骨剪力墙试件等效粘滞阻尼系数大，耗能能力较强，这说明加入钢骨可以提高足尺剪力墙试件的耗能能力。此外，剪跨比较大的足尺钢骨剪力墙试件SRC1破坏前的等效粘滞阻尼系数略微下降原因为钢板焊缝拉断。试件RC2等效粘滞阻尼系数较试件RC1增大44.15%，破坏位移较RC1减小48.19%。剪跨比较小的足尺钢筋混凝土剪力墙试件RC2耗能能力较强，但极限位移较小，变形能力较差。
4 结论1) 足尺剪力墙试件加入钢骨后，减缓了裂缝的发展，减小了裂缝的宽度，试件破坏时混凝土压溃情况较轻。足尺钢骨混凝土和钢筋混凝土剪力墙试件剪跨比较大时，试件发生弯曲破坏；剪跨比较小时，试件发生剪切破坏。
2) 含有钢骨的足尺剪力墙相较于不含钢骨的足尺钢筋混凝土剪力墙，承载力较高，变形能力较强，整体刚度较大，延性较好，耗能能力明显提高。剪跨比较小的钢筋混凝土足尺剪力墙试件承载力更大、初始刚度耗能能力明显优于剪跨比较大的试件，试件延性较低，变形能力较差。
3) 钢骨混凝土剪力墙试件中，钢骨、栓钉、混凝土能很好地协同工作，提高了剪力墙试件的抗震性能。钢板焊缝在试验中出现破坏，应该考虑改善钢骨组成形式，或者改变钢骨形状等方式，进一步保证试件强度。栓钉在试验中未发生脱落或者滑移，为以后剪力墙设计提供了经验。
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