双钢板混凝土组合剪力墙试验研究及结构弹塑性时程分析

程春兰， 周德源， 王 斌

(1.同济大学 结构工程与防灾研究所，上海 200092； 2.同济大学 建筑设计研究院，上海 200092)

双钢板混凝土组合剪力墙试验研究及结构弹塑性时程分析

程春兰1， 周德源1， 王 斌2

(1.同济大学 结构工程与防灾研究所，上海 200092； 2.同济大学 建筑设计研究院，上海 200092)

以16个不同参数的带约束拉杆的双钢板混凝土组合剪力墙滞回加载试验为基础，研究了不同高宽比、轴压比以及不同约束拉杆间距的组合剪力墙破坏模式，得到了试件的滞回曲线、承载力、骨架曲线以及位移延性等抗震性能参数，并通过数值计算其与普通钢筋混凝土剪力墙的对比，分析得出组合剪力墙具有比普通剪力墙更好的承载力和延性。同时采用ABAQUS有限元软件对双钢板混凝土组合剪力墙结构和普通混凝土剪力墙结构进行不同地震作用水平的弹塑性时程分析，对比了二者的层间位移角及构件的塑性耗能，结果表明较之普通混凝土剪力墙，组合剪力墙可以有效的减小结构的层间位移角，降低剪力墙的塑性耗能，提高连梁的耗能比例，对结构抗震更为有利。

约束拉杆；双钢板混凝土组合剪力墙；滞回加载试验；抗震性能；弹塑性时程分析

剪力墙作为有效的抗侧力构件，广泛应用于高层及特殊功用建筑建构体系之中。随着建筑高度的增加和建筑功能的提升，传统的普通混凝土剪力墙往往很难较为合理的实现设计要求。采用钢和混凝土组合的形式来解决普通钢筋混凝土剪力墙的弊端是当前研究的热点[1-5]。将外围钢板和内包混凝土有效组合在一起，形成的双钢板混凝土组合剪力墙，是组合剪力墙的一种应用形式。为确保双钢板与混凝土之间的有效连接，研究学者有提出了多种构造形式，有在双层钢板之间设置竖肋或横肋的方式，有采用焊接栓钉来连接两侧钢板的方式，还有采用对穿拉杆来连接两侧钢板的方式等。

对双钢板混凝土组合剪力墙的研究，已经取得了一些进展[6-8]，在实际工程中也有诸多应用。在此基础上，本文针对带约束拉杆的双钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能，通过16个不同参数的组合剪力墙试验，得到该类组合剪力墙的破坏模式以及抗震性能指标，并与普通钢筋混凝土剪力墙作数值分析对比，同时从整个结构体系的层面上，基于结构弹塑性时程分析，比较了在罕遇地震作用下，组合剪力墙结构体系与普通钢筋混凝土剪力墙结构的不同地震响应。

1 试验研究概况

1.1 试件设计

综合考虑试验室设备的加载能力以及应用于超高层建筑中的构件截面的尺寸比例，共设计了16个不同参数的带约束拉杆双钢板混凝土组合剪力墙试件，各个试件的参数详见表1。试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行，所有试件采用滞回加载方式。

表1 试件参数

1.2 试验结果

1.2.1 破坏模式

从各试件滞回加载的过程可以发现，由约束拉杆连接的双钢板混凝土组合墙体，钢板作用的发挥对混凝土墙受力性能改善显著：在墙体底部钢板局部屈曲和混凝土压碎之前，混凝土、钢板由于拉杆的约束作用，能较好的协同工作，共同承受水平力；而当墙体底部混凝土局部开裂、压碎之后，由于拉杆对钢板和混凝土的约束作用，使墙体的承载力仍能维持在较高的水平，直到拉杆被剪断，钢板发生局部鼓曲，此时，试件达到屈服；达到最大荷载后，随着加载的持续，混凝土压碎范围扩大，钢板外凸屈曲加剧，端部槽钢与钢板的连接螺栓多处被拉断，当墙体底部区域破坏形成“塑性铰”时，墙体承载力下降较多，变形过大而破坏。随高宽比的变化，约束拉杆双钢板混凝土组合剪力墙呈现出较为不同的破坏模式：高宽比为2.5的试件破坏集中在试件墙底截面端部，试件中、上部完好，底部破坏程度由边缘至中间逐渐减轻，呈“弯曲型破坏”；高宽比1.5与部分高宽比1.0的试件破坏集中在墙体底部整个截面区域，腹侧钢板屈曲甚至撕裂，墙底核心区混凝土全截面压碎，墙身分布有斜向受剪裂缝，呈“弯剪型破坏”；而部分高宽比1.0的试件，破坏发生在墙体底部1/3区域，钢板鼓曲严重，内部混凝土墙身出现明显的对角斜向裂缝，呈“剪切破坏”。典型试件破坏如图1所示。

图1 试件破坏过程及破坏形态Fig.1 Failure process and modes

1.2.2 滞回曲线与骨架曲线

典型试件的滞回曲线与所有试件的骨架曲线分别如图2、图3所示，同时图2中示意了有限元数值计算的结果，其中RC17为有限元计算的高宽比为1.0，轴压比为0.3的普通混凝土剪力墙的数值分析结果。与普通钢筋混凝土剪力墙相比，相同高宽比的带约束拉杆双钢板混凝土组合剪力墙的承载力、刚度和变形能力均显著提高。

图2 荷载P-位移Δ滞回曲线Fig.2 Lateral force-displacement hysteretic loops

图3 荷载P-位移Δ骨架曲线Fig.3 Lateral force-displacement skeleton loops

1.2.3 位移延性

位移延性系数定义为极限位移Δd与屈服位移Δy之比，结果列于表2中。从表2数据可以看出，带约束拉杆双钢板组合墙试件的位移延性系数平均值约为3.52，延性较好；相同高宽比的带约束拉杆双钢板组合墙试件的峰值位移角以及屈服和峰值荷载均大于普通混凝土剪力墙，其承载力较高。

2 钢板混凝土组合剪力结构弹塑性时称分析

从带约束拉杆的双钢板混凝土组合墙的构件试验以及同普通混凝土剪力墙的抗震性能参数数值计算的对比，体现了组合剪力墙构件的抗震性能优越性。对于相同高宽比的剪力墙，组合剪力墙达到屈服以及峰值时的荷载值均高于普通混凝土墙，屈服荷载、峰值荷载以及极限位移角也较普通混凝土墙有所提高。为进一步从整体结构体系中考察双钢板混凝土组合墙的抗震性能，本节将对双钢板混凝土墙及普通混凝土墙这两种墙体的整体结构进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，以考察其动力特性，对比两者在地震工况下的响应以及在有塑性发展时的耗能性能。

表2 抗震性能指标

2.1 有限元模型

采用通用有限元软件ABAQUS，建立结构体系有限元模型进行求解计算，有限元计算模型示意图如图4所示。

图4 有限元计算模型Fig.4 Finite element model by ABAQUS

有限元计算模型的构建基于以下几点：

1)根据实际工程“上海中心大厦”的原型结构，以该结构5～8区模型为基础构建计算模型[9]；

2)核心筒剪力墙、剪力墙之间的连梁按实际结构建模，并采用S4R壳单元模拟，其中双钢板混凝土组合墙采用复合壳单元来模拟钢板和混凝土两种单元(钢板厚度取20 mm，墙体混凝土厚度由原剪力墙厚度减去两侧钢板得到)；

3)去除钢骨的巨柱采用S4R壳单元模拟；巨柱中的钢骨采用B31梁单元模拟，同时将该梁单元与壳单元进行节点耦合以模拟整体巨柱；

4)伸臂桁架采用B31梁单元模拟；

5)非伸臂桁架层的楼板按刚性楼板考虑，即将楼面内各点X向的水平自由度以及Z向的转动自由度耦合，伸臂桁架所在楼层不考虑楼板作用；楼面质量参考原型结构的质量，采用质量单元按面积分配原则分散到巨柱、核心筒、伸臂桁架的节点上；

6)双钢板混凝土组合墙中的钢板、钢伸臂桁架以及巨柱钢骨采用Q345GJ钢材，核心筒墙体采用C60混凝土。

2.2 地震波选取

在罕遇地震作用下，结构体系有不同程度的塑性发展，为了合理评定结构体系塑性发展过程极其耗能能力随地震动输入水平的变化，考虑输入的地震动峰值从小到大递增。采用的地震波为墨西哥MEX波，将地震波加速峰值按照《抗规》依次放大到125 gal、220 gal、400 gal以及620 gal水平；采用Rayleigh阻尼，取结构的阻尼比为0.05。MEX地震波波形如图5所示。

图5 MEX地震波Fig.5 MEX Seismic wave

2.3 弹塑性时程分析结果

2.3.1 计算模型塑性发展状态

对双钢板混凝土组合剪力墙模型和混凝土剪力墙

模型分别进行125 gal、220 gal、400 gal、620 gal地震加速度水平的弹塑性时程分析。计算模型在620 gal地震水平的等效塑性应变分布如图6所示，图中灰色区域表示模型未进入塑性，据其塑性开展状态，绘出结构整体的塑性铰以及塑性区域分布。

据计算全过程可知：在不同的地震加速度激励下，各计算模型均有不同程度的塑性发展，塑性发展范围依地震作用水平的递增而增大：125 gal水平下双钢板混凝土组合剪力墙模型和混凝土剪力墙模型塑性范围基本在各层连梁，而在其它地震水平下，各模型底部墙体均有塑性开展，且呈增大趋势。

从各模型的对比可以看出，双钢板混凝土组合剪力墙结构体系在罕遇地震水平下的塑性开展程度较混凝土剪力墙小，尤其在受力较大的底部区域，其塑性开展程度远低于混凝土剪力墙，结合双钢板混凝土组合剪力墙的构件试验可以判断，在该类型结构体系中，由于钢和混凝土的组合作用，使使二者的材料特性得以充分发挥，组合剪力墙高于混凝土剪力墙的屈服荷载以及较大的屈服位移角使墙体进入塑性状态的时间晚于混凝土剪力墙，使结构体系在有塑性发展时的内力重分布发生变化，且由于墙体的塑性程度减小，使结构体系中的重要竖向构件(两侧巨柱)根部几乎未发展塑性，保证了结构体系中重要构件的性能要求，可见，双钢板混凝土组合墙的加入，使结构体系的安全性得到提高。

2.3.2 计算模型层间位移角

时程分析得到的各模型的弹塑性层间位移角沿结构高度的分布如图7所示。各地震作用水平下，组合剪力墙同混凝土剪力墙层间相比，其位移角的减小量如表3所示。

(a) 双钢板混凝土组合剪力墙 (b) 普通混凝土剪力墙 (c) 塑性铰示意 图6 等效塑性应变以及塑性铰分布Fig.6 Distribution of equivalent plastic strain and plastic hinge

从图7与表3的对比可以看出，当地震作用水平较低时，组合剪力墙同混凝土剪力墙的层间位移角相差不多；随着地震作用的增大，无论是结构的最大层间位移角还是在受力较大的结构底部区域，组合墙体对结构体系层间位移角减小效应越发显著，但随着楼层高度的增加，其对层间位移角的减小趋势减弱。可见，在结构体系中，受竖向力和水平力较大的底部区域，采用双钢板混凝土组合剪力墙对于提高结构的抗震性能是有效的，而在结构中上部，则可以采用普通混凝土剪力墙。

表3 层间位移角减小量

注：表中数值为组合剪力墙想对混凝土剪力墙层间位移角的减小量；底部一区为以伸臂桁架为分区划分的结构体系的底部，即1～16楼层。

(a) 25 gal地震水平 (b) 220 gal地震水平 (c) 400 gal地震水平 (d) 620 gal地震水平图7 层间位移角沿结构高度分布Fig.7 Distribution of story drift angle

2.3.3 构件塑性耗能

分别提取计算模型中结构构件的塑性耗能进行对比，如表3所示。

表4 耗能对比

注：表中当地震加速度峰值为400 gal和620 gal时，其它构件也有不同程度的塑性发展，占比较小且不是本文研重点，故未在表中列出。

图8 不同峰值地震波作用下构件的耗能比例Fig.8 Comparison of energy dissipation ratio on different PGA

从表4与图8中可以看出，在输入地震动相同的情况下，各地震作用水平下两个计算模型的总塑性耗能几乎相同，但从其构件的耗能情况可以看出，双钢板混凝土组合剪力墙中剪力墙的耗能均小于混凝土剪力墙，而组合剪力墙中连梁的耗能均大于混凝土剪力墙。可见，在组合剪力墙结构中，由于组合墙体较好的抗震性能，其塑性发展程度小于普通混凝土剪力墙，从而提高了体系中耗能构件连梁的耗能能力，对于整体结构在罕遇地震作用下的性能是有利的。

3 结 论

以16个不同参数的带约束拉杆双钢板混凝土组合剪力墙滞回加载试验以及数值模拟为基础，结合钢板混凝土组合剪力结构在罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，得到以下该类剪力墙在地震工况下的受力特点和抗震性能的相关结论：

(1) 同普通钢筋混凝土剪力墙相比，带约束拉杆的双钢板混凝土组合剪力墙具有良好的承载力、抗侧刚度、位移延性和耗能能力，抗震性能优越。

(2) 约束拉杆双钢板混凝土组合剪力墙整体上屈服时的位移角远高于规范对剪力墙的弹性位移角限值，保证了该类剪力墙良好抗震性能的发挥。

(4)弹塑性时程分析表明，在罕遇地震作用下，双钢板混凝土组合剪力墙的塑性开展程度小于普通钢筋混凝土剪力墙，可以有效的减小结构的层间位移角，同时，其塑性耗能的降低，提高了连梁的耗能比例，对于结构抗震有利。

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Tests and structure elastic-plastic time history analysis for composite concrete and double-steel plate shear walls

CHENG Chunlan1, ZHOU Deyuan1, WANG BIN2

(1. Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092, China;2. Tongji Architectural Design (group) CO., LTD, Shanghai 200092, China)

On the basis of tests for sixteen different specimens of composite concrete and double-steel plate shear walls with binding bars, the failure modes of specimens with different aspect ratios, axial compression ratios and distances between binding bars were observed, and some valuable results were obtained for the specimens’ hysteretic loops, force-bearing capacity，skeleton curves and displacement ductility．The tested specimens’ aseismic parameters were compared with those of the traditional reinforced concrete walls using numerical analysis. The results indicated that the composite shear walls have better aseismic performances. Simultaneously the elastic-plastic time history analyses under different earthquake levels were conducted for both composite shear wall structural systems and traditional reinforced concrete shear wall systems with ABAQUS to compare their drift ratio and components’ plastic energy dissipation. The results demonstrated that the composite shear wall systems’ drift ratio and plastic energy dissipation are significantly reduced, and the energy dissipation capability of connected beams increases; the aseismic behavior of composite shear wall structure systems is better than that of traditional shear wall systems.

composite concrete and double-steel plate shear walls; hysteretic loading tests; aseismic performance; elastic-plastic time history analysis

国家自然科学基金项目(51178333)

2015-09-01 修改稿收到日期：2015-12-30

程春兰 女，博士生，讲师，1983年生

周德源 男，博士，教授，1960年生 E-mail: 85032@tongji.edu.cn

TU398.9

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.01.037