剪跨比为0.9的钢板混凝土组合剪力墙抗震性能试验

沈鹏程

摘 要：文章基于一片剪跨比为0.9的钢板混凝土组合剪力墙面内低周反复荷载试验，分析实验现象，整理实验数据，得到滞回曲线、刚度退化曲线等抗震性能指标，证明钢板混凝土组合剪力墙具有良好的抗震性能。

关键词：钢板混凝土组合剪力墙；抗震性能；滞回曲线；有限元

作为高层建筑的主要抗侧力构件，剪力墙及其组成的核心筒在承担竖向荷载和水平荷载上发挥着极其重要的作用。随着经济社会不断发展，建筑高度和建筑功能的需求均不断增加。在此基础上，国内外学者提出一种能够提供更大承载力和更好延性的新型剪力墙——钢板混凝土组合剪力墙。

当混凝土墙体与外包钢板结合在一起形成双钢板-混凝土组合剪力墙时，其力学特性会发生显著变化，主要表现在：混凝土和钢板互为约束，混凝土可防止钢板失稳，钢板可避免混凝土裂缝的暴露，从而提高使用性能和耐久性，提高剪力墙受剪承载力和延性，增强结构整体抗震性能。

1 钢板混凝土组合剪力墙的研究现状

近十几年中，日本对SC剪力墙在核电厂房中的应用总结出一套设计方法。美国在引用日本的设计方法的基础上，对钢板组合剪力墙的设计方法进行了规定。加拿大和韩国也进行了大量的理论和试验研究。Wright Howard和加拿大Ryerson大学的Anwar Hossain KM，对在施工和使用阶段荷载作用下的双面压型钢板内填混凝土的組合剪力墙进行了研究。2009年，清华大学的赵洁发表在《工程力学》上的文献提出了用弹簧连接单元模拟混凝土、钢板两种材料共同作用的思路。2013年，中信建筑设计研究总院有限公司的范浩等发表在《建筑结构》上的文献详细介绍了混凝土损伤塑性模型在模拟混凝土剪力墙的滞回性能时各参数的设置方法。

2 钢板混凝土组合剪力墙抗震性能试验

试件形式为单片矩形截面的外包钢板组合剪力墙，宽1m，厚0.15m，高0.9m，钢板内表面设置栓钉，钢板之间设置拉筋。对所有试件进行面内的拟静力试验（低周反复荷载试验），即在试件顶部施加固定的轴力，试件顶部施加面内的往复侧向力，在试件中产生弯矩和剪力。试验过程中试件的设计轴压比为0.4。

试验步骤如下：（1）施加竖向荷载至设计轴压比，并在试验过程中保持恒定不变；（2）试件屈服前，逐级增加荷载，每级循环一次；（3）试件屈服后，以屈服时的位移y控制加载，按照1y，2y，3y….逐级加载，每级循环2次，在达到试件的极限承载力以后，仍采取位移控制加载，每级循环2次，直至试件破坏。破坏判定准则为发生以下情况之一：（1）试件的承载力下降到85%以下；（2）试件严重破坏，钢板鼓曲；（3）试件发生严重的面外失稳导致加载困难。

试件受力全过程可分为如下4个阶段，对应试验现象为：（1）弹性工作阶段，试件无明显现象，组合剪力墙的钢板与混凝土协同工作，各试件顶点水平荷载-位移关系曲线基本呈线性变化；（2）钢板与混凝土界面破坏或混凝土开裂阶段，弹性工作阶段之后，试件刚度开始降低，荷载-位移曲线出现一定程度的转折，定义此时为弹性阶段临界状态；（3）屈服阶段，该阶段为荷载-位移曲线从明显转折点持续到荷载峰值点，钢板出现鼓起；（4）破坏阶段，大量细碎混凝土流出，钢板严重鼓起，钢板表面出现斜向鼓起带。

试件的延性系数都在2.5以上，极限位移角基本都大于1/50，说明钢板混凝土组合剪力墙的变形能力较强。从试件的滞回曲线图可以看出，滞回曲线比较饱满，耗能能力较强。各试件基本在水平加载到50%左右极限承载力时刚度发生明显变化，说明双钢板混凝土组合剪力墙抗剪变形能力较好。

由上述试件的刚度退化曲线可见，试件刚度在初始加载过程中快速下降，但随着位移角的增大衰减幅度逐渐变缓。初始阶段试件刚度的快速下降是由于试件两侧靠近基础梁的边缘墙体内混凝土在往复荷载作用下，由于拉压而快速开裂出现破坏，刚度快速下降；但随着位移角的增大，试件两侧靠近基础梁的边缘钢板焊缝处出现裂缝，细碎混凝土流出而形成局部的空洞，试件刚度基本下降到一个低值，但由于钢板的约束作用，位移角再增大时试件刚度下降也有限。

当钢板未达到屈服之前，即所测应变不超过屈服应变时，基本上能保持平截面假定；当钢板屈服以后，底部截面就不再满足平截面假定，原因在于钢板屈服以后，应变片大多数已经破坏，不能再测得正确的应变，所以就不能反映对应位置的实际变形。

3 结语

由以上试验分析过程，可得出如下结论：

（1）钢板混凝土组合剪力墙相比普通钢筋混凝土剪力墙具有更大的承载能力、耗能能力，更好的变形能力、抗震性能；试件的破坏形态为压弯破坏，说明剪力墙的抗弯承载力低于抗剪承载力。

（2）钢板混凝土组合剪力墙底部截面在钢板屈服以前，考虑一定程度的试验误差，可以基本验证平截面假定，即弯矩作用下构件横截面应变沿截面高度线性变化的正确性。

参考文献

[1] 聂建国，卜凡民，樊健生.低剪跨比双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2011（11）：74-81.

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[3] 赵洁，聂建国.钢板-混凝土组合梁的非线性有限元分析[J].工程力学，2009（04）：105-112.

[4] 范浩，温四清，董卫国，施刚.基于ABAQUS的混凝土剪力墙滞回性能的模拟[J].建筑结构，2013（S2）：549-554.