多腔式双钢板组合剪力墙抗震性能对比试验

沙振方，徐文平，杜轶琦，司心池

(1.张家港保税区金港建设工程质量检测有限公司，江苏 苏州 215633;2.东南大学 土木工程学院，江苏 南京 211189)

目前，我国超高层建筑主要采用钢管混凝土框架-钢筋混凝土剪力墙结构体系，钢筋混凝土剪力墙自重大、抗震延性差，在罕遇地震时，钢筋混凝土剪力墙将会首先破坏，此时，钢管混凝土框架的延性没有充分发挥，钢管混凝土框架没有发挥其抗震二道防线作用，钢管混凝土框架柱和钢筋混凝土剪力墙两者抗震延性不匹配[1～3]。

双钢板混凝土组合剪力墙具有优良的抗震性能，已经成为土木工程界的研究热点。国内外的众多学者围绕双层钢板混凝土组合剪力墙的构造进行创新，并进行了大量的抗震试验研究和有限元分析[4～7]。

2011—2013年，清华大学的聂建国等对带钢管混凝土柱的双钢板-混凝土组合剪力墙进行了一系列试验研究[8～10]。

2015年美国学者Epackachi对4片双层钢板混凝土组合剪力墙进行试验，研究钢板厚度、配筋率、栓钉间距和拉杆间距对滞回性能的影响[11]。

2016年加拿大学者Hossian等对双层压型钢板-混凝土组合剪力墙进行试验研究[12]。

2016年同济大学的程春兰、周德源等对带约束拉杆的双钢板混凝土组合剪力墙进行试验研究，其主要特点是端部设置槽钢与C型钢加劲[13,14]。

2019年，同济大学的武晓东对隔板连接的双钢板组合剪力墙进行了水平低周荷载试验，研究表明：腔体内填混凝土受钢板的约束，其强度和延性得到改善；隔板能将两侧钢板的屈曲限制在各腔体范围内，钢板的屈曲性能得到显著改善[15]。

2021年东南大学的韩建红和东南网架的周观根等提出一种内置桁架式双钢板组合剪力墙，该种剪力墙采用桁架作为连接件，桁架由弦杆角钢和腹杆波形钢筋焊接而成[16]。

目前，国内外对双钢板混凝土组合剪力墙的研究缺乏系统性，尤其是没有进行对比性抗震试验研究，本文拟对6片剪力墙进行对比抗震试验，获取滞回曲线和骨架曲线，进行极限水平位移角、延性、强度退化、刚度退化和耗能能力等抗震性能参数分析，从而验证多腔式双钢板混凝土组合剪力墙的抗震优越性，可为在超高层建筑结构中采用双钢板混凝土组合剪力墙替代钢筋混凝土剪力墙提供科学依据。

1 试验设计

为了验证多腔式双钢板组合剪力墙的抗震优越性，制作了六个对比试验构件，试件编号见表1。

表1 试件基本情况

表1中抗震试验试件分为3个对比分析组：

第1对比组：钢筋混凝土剪力墙(CW-1)与多腔式双钢板组合剪力墙(CSW-2)对比组，两个剪力墙试件几何尺寸相同，墙厚相同，轴压比相同(均为0.2)，目的是研究不同材料剪力墙的对比抗震试验的滞回曲线、骨架曲线、延性耗能和破坏形态的差异，从而验证多腔式双钢板混凝土组合剪力墙的抗震优越性。

第2对比组：多腔式双钢板组合剪力墙(CSW-1，CSW-2和CSW-3)对比组，试验目的是研究在不同轴压比0.1,0.2和0.4条件下多腔式双钢板组合剪力墙的抗震性能指标的差异。

第3对比组：多腔式双钢板组合剪力墙(CSW-2)、钢管混凝土框架(F-1)和钢管混凝土框架-多腔式双钢板组合剪力墙结构体系(FSW-1)对比组，目的是研究钢管混凝土框架和多腔式双钢板组合剪力墙两者的抗震延性匹配性，拟研究钢管混凝土框架作为抗震二道防线的参与工作机理。

(1)钢筋混凝土剪力墙试件CW-1

制作1片钢筋混凝土剪力墙作为对比试件，编号为CW-1，试件的混凝土强度等级为C40，钢筋强度等级为HRB400，其轴压比为0.2，尺寸如图1所示。

图1 试件CW-1/mm

(2)多腔式双钢板组合剪力墙试件CSW-1～CSW-3

制作了3片多腔式双钢板组合剪力墙，编号为CSW-1，CSW-2和CSW-3，其几何尺寸相同，宽度均为1150 mm，厚140 mm，剪力墙高2400 mm，剪跨比为2.26，加载制度采用力-位移控制制度，轴压比分别为0.1，0.2和0.4。

多腔钢板组合剪力墙试件的管内混凝土强度等级均为C40，外侧钢板均采用3 mm厚Q235钢材，拉结钢板采用焊接工字钢(由L30×3角钢和3 mm厚钢板焊接而成)，剪力墙两端设置[14a型号的热轧普通槽钢，所有钢材之间均焊接连接。试件构造及尺寸如图2所示。

图2 试件CSW-1～CSW-3/mm

(3)钢管混凝土框架试件F-1

钢管混凝土框架中，两个框架柱间距为2 m，框架柱采用D159×5的钢管，钢材采用Q235钢，内填C40混凝土；钢横梁为200 mm×100 mm的H型钢梁，梁柱节点设置加强环板，并设置竖向加劲肋，试件尺寸如图3所示。

图3 试件F-1/mm

(4)CFST框架-多腔式双钢板剪力墙FSW-1

在钢管混凝土框架-多腔式双钢板组合剪力墙试件FSW-1中，多腔式双钢板组合剪力墙轴压比为0.2，钢管混凝土柱的轴压比同F-1为0.4，试件FSW-1尺寸如图4所示。

图4 试件FSW-1/mm

2 试验现象

(1)试件CW-1

CW-1构件的轴压比为0.2，对应轴压力为900 kN。当加载至水平荷载为150 kN时，混凝土开裂。加载至水平荷载为180 kN时，试件钢筋屈服，进入位移控制加载阶段。随加载位移的增大，裂缝迅速发展，斜向裂缝交汇，在试件表面形成“X”形裂缝。当水平位移为22.5 mm(水平位移角1/115)时，试件CW-1根部的混凝土压溃，钢筋骨架外露，试件破坏。CW-1破坏形态如图5，滞回曲线和骨架曲线如图6。

图5 试件CW-1破坏现象

图6 试件CW-1的试验曲线

(2)试件CSW-1～CSW-3

试件CSW-1～CSW-3的竖向轴压力分别为450,900,1800 kN，对应的试验轴压比分别为0.1,0.2,0.4，CSW-1～CSW-3抗震试验装置如图7。

图7 试件CSW-1～CSW-3的试验现场

CSW-2的水平位移为16 mm(水平位移角1/162)，试件端部的槽钢达到屈服应力，剪力墙试件屈服，改为位移加载控制。当加载位移为45 mm(水平位移角1/58)时，承载力稳步上升，试验过程无异常现象。当加载位移到达54 mm(水平位移角1/48)时，剪力墙试件根部发出“沙沙”声。当加载位移达到63 mm(水平位移角1/41)时，剪力墙根部发出“咔咔”声，试件根部的钢板发生明显鼓胀。水平位移达到72 mm(水平位移角1/36)时，端部槽钢出现开裂，加载至该级荷载的第3循环后，端部槽钢的横向裂缝贯通，裂缝深入墙体外侧双钢板，试验构件承载力下降至峰值荷载的68.6%，试件破坏。

3个多腔式双钢板组合剪力墙试验构件(CSW-1～CSW-3)的破坏形态类似，均为弯曲型破坏，CSW-1的极限水平位移角为1/32，CSW-3的极限水平位移角为1/40，CSW-1～CSW-3的破坏形态如图8，CSW-1～CSW-3的滞回曲线如图9。

图8 试件CSW-1～CSW-3的破坏现象

图9 试件CSW-1～CSW3的滞回曲线

试验分析表明：多腔式双钢板组合剪力墙具有承载力高、结构刚度大、延性好和耗能能力强的优点，其极限水平位移角约为1/36左右。

试验构件最终破坏时，虽然管内混凝土受压塑性变形发展较大，并导致了外侧双钢板明显鼓胀，但是，管内混凝土并没有压碎，管内混凝土可以继续工作承担荷载；破坏时，受拉钢板撕裂破坏，属于延性破坏，是一种理想的破坏形态。

(3)试件F-1

试件F-1中钢管混凝土框架柱的轴压比为0.4，对应的竖向压力为186 kN。当水平位移52.5 mm(水平位移角1/50)时，试件的承载力稳定上升，滞回环面积不断增大，试验过程中无异常现象。水平位移达到82.5 mm(水平位移角1/31)时，框架柱根部发出“沙沙”声响，并在一层框架钢梁的梁端位置出现钢梁翼缘局部屈曲的现象。当水平位移达到90 mm(水平位移角1/29)时，钢管混凝土框架柱根部的钢管出现环状鼓胀，形似“游泳圈”。加载至水平位移为97.5 mm(位移角为1/27)时，一层框架钢梁在梁端位置发生钢板撕裂，试件承载力明显下降，终止试验。试件F-1的破坏形态如图10所示，试件F-1的滞回曲线和骨架曲线如图11。

图10 试件F-1的破坏现象

图11 试件F-1的试验曲线

试验分析表明：钢管混凝土框架结构承载力低，抗侧刚度较小，但是，钢管混凝土框架柱具有延性好和耗能能力强的优点，钢管混凝土框架作为抗震第2道防线是可以起到抗震耗能的效果。

(4)试件FSW-1

试件FSW-1为钢管混凝土框架和多腔式双钢板组合剪力墙的联合体系，其中框架柱的轴压比为0.4，多腔式双钢板组合剪力墙的轴压比为0.2。当水平位移小于45 mm(水平位移角1/57)时，试件的承载力稳步增加，加载过程中无异常现象。水平位移达到63 mm(水平位移角1/41)时，多腔式双钢板组合剪力墙底部发出“沙沙”声响。水平位移达到72 mm(水平位移角1/36)时，多腔式双钢板组合剪力墙底部发出“咔咔”声响，双钢板组合剪力墙底部两侧钢板出现明显的鼓胀，并在一层框架钢梁的梁端位置出现钢梁翼缘局部屈曲的现象，钢管混凝土框架柱出现环状鼓胀。水平位移达到81 mm(水平位移角1/32)时，钢管混凝土框架的框架柱根部出现形似“游泳圈”鼓胀，剪力墙端部的槽钢撕裂，一层框架钢梁的梁端处上翼缘撕裂，试件的承载力下降至峰值承载力的80%，终止试验。试件FSW-1的破坏现象如图12所示，试件FSW-1的滞回曲线和骨架曲线如图13。

图12 试件FSW-1的破坏现象

图13 试件FSW-1的试验曲线

分析可知：在CFST框架-多腔式双钢板剪力墙FSW-1结构体系中，CFST框架所起的抗侧力作用较小，多腔式双钢板剪力墙自始至终起到了主要抗侧力作用；试验中CFST框架和多腔式双钢板剪力墙两者延性匹配性良好，临近破坏时，多腔式双钢板剪力墙和CFST框架两者是几乎同时破坏的，CFST框架作为抗震第2道防线其柱脚塑性铰塑性变形发展非常明显，CFST框架柱起到了良好的抗震耗能效果。

3 试验结果对比分析

为证实多腔式双钢板组合剪力墙的抗震优越性，将6个抗震试验分为3个对比分析组，针对3个抗震试验分组，将从滞回曲线、骨架曲线和延性分析等方面进行抗震性能对比分析。

3.1 试件CW-1和CSW-2对比组

本对比组包含钢筋混凝土剪力墙CW-1和多腔式双钢板组合剪力墙CSW-2两个抗震试验试件，相同的几何尺寸，相同的轴压比均为0.2，进行两者不同材料试件的抗震性能对比分析。其试验曲线及骨架曲线特征点对比见图14，15及表2。

图14 试件CSW-2与CW-1的滞回曲线对比

图15 试件CSW-2与CW-1的骨架曲线对比

依据图14，15以及表2，分析可知：(1)多腔式双钢板组合剪力墙具有承载力高和延性好的优点，CSW-2峰值荷载高达954.45 kN，CW-1峰值荷载仅为295.38 kN，两者相差3.23倍，CSW-2具有良好的抗震性能。(2)多腔式双钢板组合剪力墙CSW-2极限变形能大(极限水平位移角高达1/36)，钢筋混凝土剪力墙CW-1极限变形能小(极限水平位移角仅仅为1/115)，两者相差3.20倍。(3)多腔式双钢板组合剪力墙CSW-2强度退化缓慢，刚度退化缓慢，耗能能力强。

表2 试件CSW-2与CW-1骨架曲线特征点对比

3.2 试件CSW-1～CSW-3对比组

本对比组包含3片多腔式双钢板组合剪力墙的抗震试验试件，相同的几何尺寸，轴压比分别为0.1,0.2,0.4，进行不同轴压比试件的抗震性能对比分析，详见图9，16及表3。

图16 试件CSW-1～CSW-3的骨架曲线对比

依据图9，16以及表3，分析可知：(1)多腔式双钢板组合剪力墙试件CSW-1～CSW-3的滞回曲线均呈梭形，滞回环较为饱满，耗能能力强，没有明显的捏缩现象，呈现出压弯破坏的特征。(2)承载力高，试件CSW-1～CSW-3的峰值荷载依次为908.1，954.5，996.2 kN，试验水平荷载吨位很大。(3)多腔式双钢板组合剪力墙试件CSW-1～CSW-3的极限变形能力大，极限水平位移角依次为1/32，1/36，1/40。(4)随着轴压比的增加，墙体的峰值荷载有所增加，极限位移有所减小，墙体的延性有所下降。

表3 试件CSW-1～CSW-3骨架曲线特征点对比

分析表明：多腔式双钢板组合剪力墙的管内混凝土受到了三向约束，因此管内混凝土强度和延性大幅度提高；管内混凝土承担全部压力，外侧双钢板不承担压应力，管内混凝土保护了外侧双钢板，可避免外侧双钢板受压屈曲破坏，因而，多腔式钢板混凝土组合剪力墙抗震性能优良。

3.3 试件CSW-2，F-1和FSW-1对比组

本对比组包含3片抗震试验试件：1片多腔式双钢板组合剪力墙、1片钢管混凝土框架和1片钢管混凝土框架-多腔式双钢板组合剪力墙试件，双钢板组合剪力墙的轴压比为0.2，钢管混凝土柱的轴压比为0.4，目的是进行钢管混凝土框架-多腔式双钢板组合剪力墙两者的抗震匹配性分析研究。其试验结果对比详见图17，18及表4。

图17 试件CSW-2，F-1和FSW-1的滞回曲线对比

图18 试件CSW-2，F-1和FSW-1的骨架曲线对比

依据图17，18以及表4，分析可知：(1)多腔式双钢板组合剪力墙的极限水平位移角1/36，钢管混凝土框架的极限水平位移角1/27，两者结构延性匹配。(2)分析3个试件的滞回曲线和骨架曲线，不难发现试件FSW-1的试验曲线接近试件CSW-2和F-1的试验曲线叠加，说明钢管框架与多腔式双钢板组合剪力墙基本实现了“1+1=2”的效应，二者具有较好的适配性。(3)进入弹塑性阶段后，钢管混凝土框架作为抗震二道防线可以有效地参与工作，使得联合结构体系的承载力退化缓慢，刚度退化缓慢，耗能能力增加。(4)钢管混凝土框架-多腔式双钢板组合剪力墙滞回曲线饱满，协同工作，优势互补，二者具有较好的适配性，具有承载力高、结构刚度大、极限水平位移角大、延性好和能耗能力强等优良的抗震性能，可以实现大震不倒的抗震设计目标。

表4 CSW-2，F-1和FSW-1骨架曲线特征点对比

在超高层钢管混凝土框架-多腔式双钢板混凝土组合剪力墙结构体系的超高层大楼中，在罕遇地震弹塑性阶段，钢管混凝土框架是可作为耗能结构参与工作，多腔式双钢板剪力墙自始至终起到了主要抗侧力作用，钢管混凝土框架-多腔式双钢板混凝土组合剪力墙结构两者结构延性匹配，可实现“大震不倒”。

4 结 论

(1)多腔式双钢板组合剪力墙的管内混凝土受到了三向约束，管内混凝土强度和延性大幅度提高；管内混凝土承担全部压力，外侧双钢板不承担压应力，管内混凝土保护了外侧双钢板，可避免外侧双钢板受压屈曲破坏。

(2)相比于钢筋混凝土剪力墙，多腔式双钢板组合剪力墙具有承载力高、刚度大、延性好和耗能能力强的优点，钢筋混凝土剪力墙的极限水平位移角仅为1/115左右，多腔式双钢板组合剪力墙极限水平位移角高达1/36左右。

(3)多腔式双钢板组合剪力墙与钢管混凝土框架两者具有良好的延性匹配性，协同工作，优势互补，钢管混凝土框架作为抗震二道防线可以有效地参与工作，使得联合结构体系的承载力退化缓慢，刚度退化缓慢，耗能能力增加。