钢管混凝土边缘约束叠合剪力墙抗震试验研究

侯和涛+程积润+曲哲+付玮琪+曲冰+崔士起+石磊+朱文灿+马天翔

摘 要：为研究新型钢管混凝土边缘约束叠合剪力墙的抗震性能，设计制作了3片钢管混凝土边缘约束叠合剪力墙和1片现浇钢筋混凝土剪力墙足尺试件进行静力往复加载试验，试验中考虑了3种不同的墙身厚度取值，以考察高厚比对剪力墙抗震能力的影响.通过试验，对比分析了剪力墙的承載力、延性、刚度及其退化、滞回特性、耗能能力及破坏特征.建立了新型钢管混凝土边缘约束叠合剪力墙的承载力计算模型，计算结果与实测结果吻合较好.研究表明：新型钢管混凝土边缘约束叠合剪力墙结合了钢筋混凝土剪力墙侧向刚度和承载力大与钢管混凝土边缘约束延性好的优势，其承载力、刚度和耗能能力较现浇钢筋混凝土剪力墙有所提高；在所试验的参数范围内，高厚比对剪力墙的力学性能影响不大.

关键词：钢管混凝土；叠合剪力墙；拟静力试验；高厚比；抗震性能

中图分类号：TU375 文献标志码：A

文章编号：1674-2974（2017）05-0027-10

Abstract：To study the seismic performance of a new concrete filled tube-confined sandwich shear wall （CFT-SSW）， cyclic loading tests were carried out on three CFT-SSW specimens with different depth-thickness ratios and one conventional concrete shear wall specimen for comparison. The load-carrying capacity， ductility， stiffness and their degradation， hysteretic and energy dissipation characteristics， and failure modes of the specimens were investigated and compared. Equations for prediction of the strength of CFT-SSWs were also proposed. The calculated strengths were in good agreement with the test results. The results show that CFT-SSWs exhibited both the high lateral stiffness and strength due to reinforced concrete shear walls and the superior ductility due to concrete filled tubes. The strength， ductility， and stiffness of CFT-SSW specimens were greater than those of the cast-in-situ concrete shear wall specimens. In addition， the depth-thickness ratio has only marginal effects on the seismic behavior of the CFT-SSWs within the test range of the current tests.

Key words：concrete filled steel tube； sandwich shear wall； quasi-static test； depth-thickness ratio； seismic behavior

随着我国建筑产业现代化的发展，高层建筑（特别是高层住宅）中预制剪力墙的应用较为广泛.国内预制钢筋混凝土剪力墙的研究主要针对全预制混凝土剪力墙、半预制混凝土剪力墙以及叠合式剪力墙，开展了大量的试验研究和数值分析，并对装配式剪力墙进行了抗震性能试验研究，得到了大量装配式剪力墙的抗震性能试验数据[1-5].蒋庆等提出了叠合式剪力墙的力学计算模型并对其进行耗能分析，计算结果与实测结果符合良好[6-7]；叶献国等对叠合板式剪力墙进行了水平承载力试验研究、抗震性能试验分析、不同轴压比下抗震性能试验分析，并取得了大量试验数据[8-10]；文献[11]中对边缘约束构件内配置圆钢管的剪力墙进行了拟静力试验，研究了边缘约束构件的配箍率和轴压比对其抗震性能的影响；其他学者关于钢管混凝土边缘约束构件的研究也取得了不少成果[12-17].本文引入钢管混凝土作为叠合剪力墙的边缘约束构件，形成新型的带钢管混凝土边缘约束的叠合剪力墙（Concrete Filled Tube-confined Sandwich Shear Wall简称CFT-SSW）.CFT-SSW的竖向钢筋可以搭接连接，省去了钢筋套筒，水平钢筋直接与钢管焊接，两侧的预制混凝土面板与钢管在工厂预制而成；钢管和混凝土板运抵现场吊装就位固定后，可以直接浇注混凝土，节省了大量的人工与模板支设工作，降低了成本.目前，对于叠合墙和CFT边缘约束构件的研究比较多，但尚没有对于CFT-SSW的研究文献，其抗震性能有待研究.

1 试验概况

1.1 试件制作

设计制作了4片剪力墙试件，包括1片现浇剪力墙SW-1和3片CFT-SSW墙SW-2，SW-3和SW-4.试件高度均为3 000 mm，宽度为1 200 mm，水平荷载加载点距离剪力墙底面2 850 mm，剪跨比为2.38，试验轴压比为0.15，墙身厚度分别为160，200和250 mm.墙身钢筋均为HRB400级变形钢筋，水平向配筋率为0.41%，竖向配筋率为0.57%；SW1端部暗柱纵筋配筋率2.01%，箍筋体积配箍率0.91%；SW-2，SW-3和SW-4的端部钢管分别为：160 mm×200 mm×4 mm，200 mm×200 mm×4.5 mm，250 mm×200 mm×5 mm，均采用Q235B钢材，预制与现浇混凝土均为C30.CFT-SSW的两块预制混凝土面板间采用2 mm厚的Q235B钢板拉结带，钢板拉结带中间开40 mm直径圆孔，以使两侧现浇混凝土连通，增强整体性.试件的几何尺寸、配筋和构造如图1所示.

1.2 加载装置及加载方式

试验于中国地震局工程力学研究所恢先地震工程综合实验室进行.首先进行预加载使试件各部分充分接触并检查仪器的可靠性，然后分2，3次加载至预定的轴压力，并使轴压力在整个试验过程中保持恒定.采用1 000 kN电液伺服作动器施加水平荷载.试验过程中采用钢板折架进行面外约束，钢板折架可方便地与试验体或其加载装置紧密连接而不留缝隙，能够有效地限制面外变形的发展[18].试验加载装置见图2.

试验加载采用位移控制，加载制度如图3所示.采用7级加载，具体的加载位移取值如下.预加载：层间位移角（D1/HD1为试件的顶点位移；H为试件的净高度，H=2 850 mm.）为1/2 000，循环1次；剪力墙结构弹性层间位移角限值1/1 000，循环2次；框架结构弹性层间位移角限值1/550，循环一次；日本抗震设计第一水准层间位移角限值1/200，循环一次；剪力墙结构弹塑性层间位移角限值1/120，循环2次；框架结构弹塑性层间位移角限值1/50，循环一次；层间位移角1/30，循环一次.以观察到墙体下端截面出现肉眼可见的裂缝确定为开裂荷载Fc，采用基于等效弹塑性屈服法确定屈服荷载Fy，以骨架曲线上荷载的峰值点作为峰值荷载Fm，以峰值荷载的85%作为极限荷载Fu对应的位移作为极限位移.

1.3 位移测量

位移计布置如图4所示.

在加载梁中部布置水平位移计D1，以测量整个墙体的水平位移；在墙体中部沿着作动器方向布置水平位移计D2，以测量剪力墙的水平位移；在地梁的中部布置位移计D3，D4，以监控剪力墙底座是否发生平动滑移；在地梁的上部布置位移计D5，D6，以监控地梁的转动滑移.

1.4 材性试验

实测C30混凝土预制部分的立方体抗压强度平均值47.6 MPa，现浇部分33.81 MPa，HRB400钢筋和Q235B钢板的力学性能实测值见表1.

2 试验现象及破坏模式

现浇混凝土剪力墙SW-1的裂缝数量相对较少，裂缝主要分布在墙高的1/2以下，当水平荷载较小时，试件保持为弹性，未出现明显裂缝.当顶点位移角为1/610 （对应的水平力为245.75 kN）左右时，首先在剪力墙右下部与暗柱的交界处观察到明显的水平裂缝，如图5（a）所示；随着荷载增大，裂缝逐渐向墙身扩展，当顶点位移角为1/200 （对应的水平力为424.97 kN）左右时，裂缝变宽加深，底部水平裂缝最宽达到0.30 mm，裂缝由剪力墙左下部与暗柱的交界处沿墙体高度方向延伸；当顶点位移角为1/120时，墙身底座混凝土出现碎落迹象，墙身裂缝增多，且集中分布于墙身下半部分；当顶点位移角为1/75时，荷载达到峰值荷载431.71 kN；当顶点位移角为1/68时，荷载下降至极限承载力，同时墙身底部两端的混凝土剥落严重，受力钢筋弯曲外露，试验结束，试件主要发生弯曲型破坏.

SW-2加载初期未出现裂缝，当位移角为正向1/550时，距地梁顶面250 mm高处出现肉眼可见的水平裂缝；当位移角为正向1/120时，达到峰值承载力561.68 kN，此时裂缝已基本贯穿整个剪力墙；当顶点位移角为正向1/50时，试件承载力急剧下降，试件裂缝数量急剧增加，布满整个混凝土剪力墙.当试件承载力下降到峰值承载力的85%，即477.42 kN时，极限位移角约为1/49.6，试件发生弯曲破坏.在CFT-SSW中，为了增强外侧预制混凝土面板之间的拉结，在剪力墙中央沿竖向增设贯穿墙高的Z形钢板拉结带，当位移角为正向1/200时，沿该钢板拉结带自下而上形成细小裂缝；当顶点位移角为正向1/120时，钢板拉结带裂缝加宽，最大裂缝宽度达到0.2 mm，形成一条竖向裂缝带并有少量混凝土剥落；当位移角为正向1/50时，沿钢板拉结带有大面积混凝土脱落；当位移角为正向1/30时，钢板拉结带处混凝土整体脱落，钢板拉结带外露.SW-3和SW-4的破坏现象与SW-2基本相同，破坏以弯曲型破坏为主，并伴随钢板拉结带处的竖向裂缝.

在本文试验中，CFT-SSW中混凝土墙身的裂缝分布与现浇混凝土剪力墙（SW-1）有较大差异，主要表现为裂缝数量相对较多，分布范围广，几乎遍布整个钢管混凝土剪力墙，这主要与Z形钢板拉结带的构造有关；由于Z形钢板拉结带贯穿墙身全高，Z形钢板附近成为墙身的薄弱环节，因而混凝土墙身沿着Z形钢板拉结带发生严重破坏，尽管如此，从图5的照片可以看出CFT-SSW中的钢管已经发生了外鼓，外鼓位移达到15～20 mm，说明除了Z形板处薄弱层的破坏外，CFT-SSW的破坏仍主要集中在试件底部，为弯曲破坏.在随后的研究中，应注意改进预制混凝土板的拉结构造，避免形成明显的薄弱部位.

3 试验结果与分析

3.1 承载力与位移

试件的承载力与相应的位移见表2.由表2可以看出，CFT-SSW的开裂荷载均大于现浇混凝土剪力墙；屈服荷载和极限荷载也有明显提高；3个CFT-SSW试件的延性系数m比现浇混凝土剪力墙分别提高了37.41%，38.55%和38.78%；3个CFT-SSW试件的延性系数m′比现浇混凝土剪力墙分别提高了36.15%，29.39%和40.54%；屈强比也均比现浇混凝土剪力墙小，说明从明显屈服阶段到极限荷载阶段的发展过程很長，这对于实现“大震不倒”的抗震性能目标是有利的.SW-2与SW-1相比，极限位移角为1/50时，水平荷载明显高于SW-1；在配钢率相同的条件下，CFT-SSW随着高厚比的减小，承载力逐渐增大.

3.2 滞回曲线

各试件的水平荷载位移角滞回曲线如图6所示，SW-1在屈服前，滞回环狭长，滞回环面积很小；试件屈服后，滞回环面积明显增大，并在加载后期滞回环有向反S形过渡的趋势，滞回环出现一定程度的捏拢现象.试件SW-2，SW-3和SW-4的滞回曲线也表现出比较明显的捏拢现象，此处由于Z形板的不良构造，对CFT-SSW的耗能能力造成了一定的影响.

3.3 骨架曲线

根据《建筑抗震试验方法规程》（JGJ 101-96）规定，图7给出了骨架曲线特征点的确定方法，定义结构的极限荷载Fu=0.85Fm，相应的位移为极限位移Δu；图8给出了一种屈服点定义的简化方法，最远点法：曲线上距离原点和峰值点连线最远的点为屈服点；如果有多个点，一般可按照这些点的荷载取平均，对应到曲线上得到屈服点.图8中在构件力变形曲线上，以原点与峰值点连线的平行线与力变形曲线的切点为屈服点，且要求平移的距离d值不得过小，当有多个切点时一般取d值最大的点为屈服点：

由图9可见，各试件初始刚度基本一致，墙体开裂前，骨架曲线基本为直线，开裂后，墙体的刚度开始出现明显的下降，墙体进入弹塑性工作阶段，墙体刚度降低，荷载增长减缓，达到峰值荷载后，曲线开始下降.SW-2，SW-3和SW-4的峰值荷载均高于SW-1，分别提高了34.10%，50.97%和65.04%.

采用文献[13]中的钢管混凝土边框组合剪力墙承载力计算方法，计算模型见图10，计算公式如下.

由表3可见，CFT-SSW的承载力计算值与实测值相差2%～6%，两者吻合较好.

3.4 刚度退化

刚度退化曲线上的特征点包括初始点、开裂点、屈服点、峰值点和极限点，根据剪力墙衰减的3个阶段，试件的初始弹性刚度、开裂点割线刚度、屈服点割线刚度、峰值点割线刚度和极限点割线刚度退化与位移关系见图11.可见各个试件的刚度退化过程类似，随着位移的增加，试件的刚度降低，钢管混凝土边缘约束剪力墙的刚度始终大于现浇混凝土剪力墙.

3.5 耗能能力

本文采用等效黏滞阻尼系数ξe来评价结构的耗能能力.以图12为例，滞回环的等效黏滞阻尼系数

试件的耗能能力如表4所示.在峰值荷载时，SW-1的等效黏滞阻尼系数为0.382，与SW-2（0.384）相当，但大于SW-3（0.370）和SW-4（0.372），此时SW-1的耗能能力稍优于CFT-SSW；在极限荷载时，CFT-SSW的等效黏滞阻尼系数均大于SW-1，此时CFT-SSW的耗能能力优于SW-1；高厚比对试件耗能能力影响不大，3个试件等效黏滞阻尼系数之间的偏差不超过10%.

4 结 论

通过本文的试验和相关讨论分析，可以得到以下结论.

1）现浇混凝土短肢剪力墙的裂缝主要分布在墙高的1/2以下，破坏发生在墙体底部，以弯曲破坏为主；CFT-SSW的裂缝虽然几乎贯穿整个墙体，但其破坏仍以底部的弯曲破坏为主.

2）CFT-SSW结合了钢筋混凝土剪力墙侧向刚度和承载力大与钢管混凝土边缘约束延性好的优势，其承载力、刚度和延性均较现浇钢筋混凝土剪力墙有所提高.

3）在所试验的参数范围内，高厚比对剪力墙的力学性能影响不大.通过现有的计算公式，可以比较准确地估算CFT-SSW的承载力.

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