新型钢板剪力墙结构抗震性能试验研究

□文/刘春生 孟 然

钢板剪力墙表现出了较大的弹性初始刚度，大变形能力，良好的塑性性能和稳定的滞回特性等力学性能。钢板剪力墙体系已成为一种非常具有发展潜力的高层抗侧力体系，尤其适用于高烈度地震区的建筑。钢板剪力墙结构的优点在于厚度薄，整体厚度一般只有混凝土剪力墙的一半，结构的使用面积能增加2%左右；自重轻，与混凝土剪力墙相比，可减轻18%左右[1]；建造速度快，能够缩短施工工期，减少施工费用；延性好，较薄的未加劲钢板具有相当高的屈曲后强度[2]。

于家堡金融区是天津滨海新区大力投资建设的金融建筑群，是带动整个天津地区经济发展的领军项目，因此对建筑结构要求非常高。鉴于目前对建筑抗震的关注，采用钢板剪力墙结构，由于目前国内尚未建立完善的设计规范，因此需要通过试验验证设计的可靠性和适用性。

1 工程概况

天津国际金融会议酒店位于于家堡金融区。项目地下2层，地上12层，建筑总高度约60 m，地下室基础底板顶标高-16.500 m。工程总建筑面积约为16.2万m2，其中地下部分约5.31万m2，地上部分约10.89万m2。

设计时采用多层大跨度结构体系，主体结构由8个筒体+大跨度桁架梁与周边的钢管混凝土柱+H型钢梁框架构成，筒体中采用钢板剪力墙。钢板剪力墙镶嵌于钢管混凝土柱与水平H型钢梁形成的边框之中，在地下室部分，筒体改为型钢混凝土构件。

2 设计难点

1）结构计算模型。该项目的规模及所采用的钢板剪力墙结构形式决定了结构计算的复杂性。设计过程中表现出的难点及重点集中在弹性及弹塑性阶段钢板墙力学模型的合理模拟与简化，特别是钢板墙屈曲后的计算模型和受力特点及洞口的受力特点和补强措施。

2）结构及构件承载力验算。由于构件存在初始缺陷，用结构试验的方法很难实测弹性屈曲荷载，求解屈曲荷载需借助数学方法。当钢板剪力墙因侧向力超过常遇地震而发生屈曲时，张力场效应将从侧向使结构体系变软，同时增加柱子的轴向荷载并在水平边界单元的上端和下部造成垂直荷载。这种受力状态，通常需要借助复杂的数值方法进行计算分析。

3）初始缺陷的考虑。由于模型制作误差的不确定性、焊接残余应力的存在以及试验荷载在模型截面上引起的应力不均匀性程度等因素都存在相当的随机性，故而模型的屈曲形态及失稳时的部位都难以准确确定。如何合理、准确布置测点用以监测模型发生屈曲和材料达到屈服极限，是需要仔细研究的问题。

3 钢板剪力墙有限元分析

3.1 有限元分析模型

该项目中的钢板剪力墙共分3种形式，即带边框柱开洞的钢板剪力墙（SPSW-1）；带边框柱不开洞的钢板剪力墙（SPSW-2）；带边框柱及中柱开洞的钢板剪力墙（SPSW-3），见图 1。

图1 有限元分析模型

有限元分析模型主要采用3种类型的单元。混凝土以及加载垫块采用3D-SOLID八结点六面体全积分（Ful l Integr at ion）7号实体单元；钢板和洞口下缘的水平矩形截面加劲肋采用3D-SHELL四结点四边形139号薄壳（Thin Shel l）单元；其余槽型截面加劲肋采用3D-BEAM二结点直线98号Eul er梁（Thin Beam）单元。

有限元分析模型根据缩尺后实际试件尺寸确定。由于本试验的主要内容为钢板剪力墙的整体受力性能，在计算中对数值模型进行了适当简化，如忽略了钢板墙与边缘构件的连接构造方式的影响，均作为等强连接考虑。有限元分析针对1∶5的缩尺模型进行，钢板墙的厚度为4 mm。钢板和混凝土的变形协调采用节点耦合的方式实现，属分离式模型，模型不考虑钢板和混凝土之间的粘结滑移效应。

3.2 有限元分析结果

1）SPSW-1的有限元计算结果与试验结果存在一定偏差，试验的极限承载力要比计算的极限承载力低10%左右，这是由于构件初始缺陷的影响和钢管柱内的混凝土受拉开裂较早退出工作，导致试件极限承载力降低。

2）SPSW-2的有限元计算结果与试验结果吻合良好。

3）SPSW-3在正向加载时，有限元计算结果与试验结果吻合良好，在负向加载到52 mm左右时，靠近西侧柱的底层钢板与底板连接处焊缝撕开，导致试件的承载力和延性下降，从而计算结果和试验结果出现一定偏差。

SPSW-1、SPSW-2和SPSW-3在达到最大的正向或负向位移时柱脚、底层与第一层钢板墙出现大面积屈服，模型分析结果表明试件的弯曲效应明显。

4 低周反复荷载试验

4.1 试验模型

试验在清华大学结构工程实验室进行，试验模型主要研究3层钢板剪力墙。为了模拟实际的边界约束条件，使加载端与反力墙上加载装置的位置相对应，底部增加半层钢板墙，顶部约增加0.7层钢板墙。模型采用与实际结构等级相同的材料及制作工艺，局部不能做到时，可采用相近工艺替代，尽可能使模型的性能与实际结构相近。钢板剪力墙模型委托工厂制造，钢管内的混凝土在试验室浇筑。

钢板剪力墙试件采用1∶5缩尺，见图2。钢板墙厚度均为4 mm，钢材采用Q345b等级，钢板墙与周边约束框架采用全熔透对接焊缝进行连接，焊缝的质量等级为一级。为避免钢板墙在拟静力荷载作用下过早屈曲，在每片钢板墙上设置一定数量的加劲肋，加劲肋包括槽型和矩形两种截面形式。

图2 SPSW-1试验模型及尺寸

4.2 加载装置

水平往复荷载用MTS伺服加载系统施加，竖向荷载通过设置在反力架上的竖向千斤顶和加载小车施加。为满足破坏试验的加载要求，在顶层钢梁位置采用并排2个千斤顶进行加载。由于竖向千斤顶移动空间的限制，因此有中柱的钢板剪力墙在中柱和边柱顶上放置1片刚度很大的分配梁，竖向荷载施加于分配梁跨中位置，使得两根柱分配相同的竖向荷载。钢板剪力墙模型设置有侧向支架，可以防止钢板剪力墙结构的整体面外失稳。

4.3 测试内容

1）钢板剪力墙在各级荷载作用下应力、应变分布状况以及变形情况，测得试件的屈服承载力和极限承载力。

2）钢板剪力墙模型在往复荷载作用下的滞回曲线。

3）钢板剪力墙模型的破坏形态，包括最先破坏的位置、开洞的影响、破坏形式等。

4）钢板剪力墙洞口处及其它各关键部位的应变、位移等数据，根据试验数据实时绘制相应曲线以指导试验加载过程。

5 试验结果及分析

图3为加载顶点水平荷载-水平位移曲线，图4为荷载-位移曲线的骨架曲线。由图3和图4可知，SPSW-1的极限承载力和刚度比SPSW-2和SPSW-3的小，说明开洞会降低钢板剪力墙试件的承载力和刚度；SPSW-3的极限承载力和刚度与SPSW-2相当，说明SPSW-3虽然钢板墙上开洞，但是相比SPSW-1和SPSW-2增加了中柱，中柱提高了试件的承载力和刚度。

图3 加载顶点水平荷载-水平位移曲线

图4 荷载位移曲线的骨架曲线

各试件的特征荷载、相应的位移角和延性系数见表1。屈服荷载有多种确定方式，暂取骨架线上刚度开始变化的点对应的水平位移为屈服位移；峰值位移为最大水平承载力对应的水平位移。其中，SPSW-1的极限位移为水平力下降到最大水平承载力85%时的水平位移；由于SPSW-2的延性很好，加载到试验中的最大位移时，承载力下降很小，取SPSW-2的极限位移为加载的最大位移。SPSW-2实际的延性系数会高于表中所列数值；SPSWW-3正向加载的极限位移为加载的最大位移，负向加载的极限位移为水平力下降到最大水平承载力85%时的水平位移。

表1 基本试验结果

以SPSW-3试件为例，为评价实际结构各受力工况（风载、小震、中震、大震）的安全性能，假定试验中试件达到极限承载能力时的荷载水平1 100 kN对应实际结构大震时的荷载水平。则根据小震、中震及大震对应水平力的经验比例公式及设计院提供的小震对应的水平力比例可得

根据结构设计目标，小震下钢板剪力墙保持弹性，钢板墙不发生平面外屈曲，满足结构正常使用和强度要求。小震对应的水平力为295 kN，为结构弹性阶段控制荷载。试验中钢板墙没有发生屈曲，由之前的分析可知，结构的屈服荷载约为830 kN，可见小震作用下结构能够保持弹性状态，钢板墙不发生平面外屈曲，能够满足建筑的正常使用要求并且在小震作用下SPSW3的层间位移角为1/675，满足JGJ 99—98《高层民用建筑钢结构技术规程》第5.5.2条“高层建筑钢结构的第一阶段抗震设计的层间侧移标准值，不得超过结构层高的1/250”的变形要求。中震对应的水平力为826 kN，此时钢板墙初步进入屈服阶段且未发生明显的平面外变形及局部损伤。由之前的分析可知，对应于中震作用，钢板墙仍然具有较大的强度储备，能够满足“中震可修”的要求。JGJ 99—98第5.5.3条规定：“高层建筑钢结构的第二阶段抗震设计，应满足结构层间侧移不得超过层高的1/70”。由于试验中钢板墙正向加载时的最大层间位移角达到1/55时，钢板墙的承载能力几乎没有下降，而负向加载时柱脚撕裂在实际钢板墙结构中是不会出现的，可见该钢板剪力墙在大震下具有较好的延性，能够满足“大震不倒”的要求。

6 结论

完成了3片1∶5缩尺钢板剪力墙结构的低周往复加载试验和有限元分析。通过试验及计算，得到以下结论。

1）钢板墙结构总体表现出较高的承载能力和良好的延性，实现了钢板剪力墙结构“高耗能”的设计理念。

2）试验模型在加载前期（对应于正常使用状态），钢板墙和边缘构件（边框梁和边框柱）均处于弹性阶段；在加载后期（对应于罕遇地震状态），钢板墙首先进入屈服，边框梁和边框柱亦进入塑性。

3）由于楼层钢梁的平面外约束较弱且模型具有一定的初始缺陷，加载过程中钢板墙墙板和边框梁发生屈曲，但结构仍保持较高的承载能力。

4）开洞钢板墙模型SPSW-1和SPSW-3在加载后期，钢板墙洞口角部、加劲肋端部发生了局部撕裂；撕裂后，试件的承载能力有所下降，但仍具有较好的延性和耗能能力。

5）钢板墙模型在小震作用下，均能保持弹性且不发生屈曲，能满足正常使用和强度要求，能满足“小震不坏”的要求；对应中震的作用下，钢板墙初步进入或未进入屈服，也未发生明显的平面外变形和局部破坏，具有较大的强度储备，能满足“中震可修”的要求；在大震作用下，钢板墙充分进入塑性，保持结构延性良好，试验模型的最大位移角可达到1/60至1/55，能够满足“大震不倒”的要求。

[1]汪大绥，陆道渊，黄 良，等.天津津塔结构设计[J].建筑结构学报，2009，（S1）:1-7.

[2]郭彦林，董全利.钢板剪力墙的发展与研究现状[J].钢结构，2005，20（1）：1-6.

[3]赵 彤，孟 然.新型钢板剪力墙结构设计[J].天津建设科技，2011，21（5）：54-56.