新型钢-砼-钢组合剪力墙抗震性能试验研究

严加宝，胡惠韬，王 涛

新型钢-砼-钢组合剪力墙抗震性能试验研究

严加宝1，胡惠韬1，王 涛2

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2. 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，哈尔滨 150080)

本文提出一种采用加强槽钢剪力连接件的新型钢-砼-钢组合剪力墙．通过对4个试件进行推出试验研究该新型剪力连接件的受剪性能，分析其破坏模式、荷载-滑移曲线、极限抗剪承载力以及极限滑移量等．为研究采用该新型加强槽钢连接件的钢-砼-钢组合剪力墙试件的抗震性能，完成了3个剪跨比为2.0的组合剪力墙试件的拟静力试验，研究了该新型组合剪力墙在低周往复作用下的破坏形态、滞回性能、承载能力、变形能力以及耗能能力，分析钢板厚度和是否设置边柱对其抗震性能的影响．试验结果表明：推出试验试件的荷载-滑移曲线可划分为5个阶段，其破坏模式是试件的破坏模式为两侧螺栓和槽钢连接件腹板的剪切破坏，与普通槽钢连接件相比具有更好的受剪性能并且其极限滑移量满足规范要求．采用加强槽钢连接件的钢-砼-钢组合剪力墙试件的破坏形态为墙体底部钢板屈曲、底部焊缝开裂以及内部混凝土压溃．试件平均破坏位移角可达1/63rad，具有良好的变形能力．试件耗能随着变形的增大而迅速增大，抗震性能良好．钢板厚度的增加对试件承载能力有着显著提升，对变形能力的影响较小；边柱的设置能显著提升此新型剪力墙试件的承载与变形能力．增加钢板厚度以及边柱的设置可显著改善该组合剪力墙的抗震性能．

钢-砼-钢组合剪力墙；槽钢连接件；推出试验；抗剪性能；拟静力试验；抗震性能

钢-砼-钢组合结构是由两侧钢板、钢板间混凝土以及其中设置的剪力连接件组成的一种新型组合结构．这种结构形式能充分发挥钢板和混凝土的材料特性，并有着性能优越、提高施工效率等优势．近年来，钢-砼-钢组合结构因在沉管隧道、核电建筑、高层建筑剪力墙等领域的广泛应用而成为热点．

剪力连接件是组合结构中将钢板和混凝土组合在一起的重要部件．国内外提出了许多剪力连接件的形式，Tomlinson等[1]采用交错栓钉连接钢板和混凝土．Bowerman等[2]对其进行改进，利用高速旋转摩擦焊将剪力连接件焊接在钢板上，便于模块化施工，但这种结构形式要求截面高度不小于200mm. Liew等[3]提出J型钩连接件形式，与交错栓钉比能更好地传递钢板和混凝土之间剪力，但在施工中也存在着J型钩装配错误的风险．就以往的研究表明，目前可用于钢-砼-钢组合结构的剪力连接件有其优点，也有其潜在的缺点．因此，有必要开发一种滑移性能好、抗分离性能好、成本低的剪力连接件．

国内外学者对钢-砼-钢组合结构的抗震性能也进行了一系列的试验研究．Eom等[4]对一字型钢-砼-钢组合剪力墙和T字型钢-砼-钢组合剪力墙进行了拟静力试验研究．聂建国等[5]和李盛勇等[6]对不同形式的钢-砼-钢组合剪力墙的抗震性能进行了试验研究.刘鸿亮等[7]对提出的连接件为约束拉杆的钢-砼-钢组合剪力墙进行了拟静力试验．纪晓东等[8]提出钢管-双层钢板-混凝土组合剪力墙，并对其进行了拟静力试验研究．张有佳等[9]对栓钉连接件形式的钢-砼-钢墙体构件进行了抗震性能试验研究．刘皞等[10]对提出的连排型钢混凝土柱-分块钢板组合剪力墙进行了拟静力试验研究．此外，马欣伯等[11]对仅与框架梁连接的两边连接钢板剪力墙的抗震性能进行了试验研究.

本文提出了一种新型的剪力连接件，即加强槽钢剪力连接件．为了研究该新型连接件的受剪性能，对4个加强槽钢连接件进行了推出试验．此外，本文对3个采用加强型槽钢连接件的钢-砼-钢组合剪力墙进行了拟静力试验，对其抗震性能进行研究．试验参数包括钢板厚度和设置边柱形式，重点研究其破坏形态、承载力、耗能能力等．

1 新型加强槽钢连接件

加强槽钢连接件主要由槽钢和外部连接的螺栓组成，其制作过程如下：①将一侧翼缘已开好孔的槽钢焊接到钢面板上，并将螺母焊接到槽钢翼缘上，如图1[12](a)所示；②使用外部连接的螺栓装配两个钢面板，如图1(b)所示；③浇注混凝土．加强槽钢连接件的主要构成如图1(c)所示．

加强槽钢连接件的优点在于，与普通槽钢连接件相比，可提高连接件的抗剪承载力，增强混凝土与钢板界面的抗分离能力．同时加强型槽钢连接件仅由普通槽钢和螺栓组成，其成本不高．

图1 加强型槽钢连接件的制作过程以及构成

2 加强槽钢连接件的受剪性能试验研究

2.1 试件概况

2.1.1 试件设计

为研究加强槽钢连接件的受剪性能，本文按照Yan等[13]和Xie等[14]的试验方法设计推出试验[12]．

4个加强槽钢连接件推出试验试件按槽钢朝向分成S1和S2两组，其中S1构件中的槽钢腹板水平设置(H-web)，S2构件中的槽钢腹板竖直设置(V-web)．试件选用型号12、腹板宽度为50mm的槽钢，钢板尺寸为360mm×250mm×8mm，混凝土尺寸为300mm×250mm×120mm，如图2所示．在混凝土中设置钢筋网，以保证混凝土不发生劈裂破坏，从而使破坏发生在重点研究的连接件上．

图2 推出试验试件的尺寸(单位：mm)

2.1.2 加载方案及测量内容

试验测量内容主要包括：加载荷载值、钢板与混凝土的相对滑移．加载的竖向荷载大小可通过试验机得到，钢板与混凝土的相对滑移通过架设位移引出杆件利用位移计进行测量．推出试验加载装置如图3[12]所示．

图3 推出试验装置

2.2 试验结果

2.2.1 破坏模式

各试件呈现出相同破坏模式：随着加载的进行，钢板一侧的螺栓发生剪切破坏，试件达到其极限抗剪承载力．之后抗剪承载力减小，第2个螺栓被剪断．最后，试件中槽钢腹板发生剪切破坏，试件失效，如图4所示．

2.2.2 荷载滑移曲线

各试件的荷载滑移曲线可以划分为5个工作阶段，以试件S1A为例予以说明，如图5[12]所示．荷载-滑移曲线首先表现出线性特性，直到达到其弹性极限(即图5中的点)．由于螺栓和槽钢的非线性特性，荷载滑移曲线随后呈现非线性特性．在阶段Ⅱ结束时，一侧的螺栓发生剪切破坏，同时，试样达到了极限抗剪承载力．之后，荷载滑移曲线进入衰退阶段Ⅲ～Ⅴ．由于另一侧的螺栓和槽钢的剪切破坏，荷载-滑移曲线的衰退阶段呈现出几次阶梯式下降.在阶段Ⅲ，抗剪承载力保持几乎不变，直到第2个螺栓在该工作阶段结束时发生剪切破坏(即图5中的点)．在此之后的工作阶段Ⅳ中，抗剪承载力也可以保持在大约60%的极限抗剪承载力，直到该工作阶段结束时，试样中的槽钢发生剪切破坏(即图5中的点)．最后，在阶段Ⅴ，试件失去其承载能力．

图4 加强槽钢连接件推出试验试件的破坏模式

图5 加强槽钢连接件推出试验典型试件的荷载-滑移曲线

2.2.3 抗剪承载能力以极限滑移量

推出试件的试验结果见表1，其中u为极限抗剪承载力；a表示极限抗剪承载力u对应的位移值；u表示试件的极限滑移量，取荷载滑移曲线抗剪承载力衰退阶段中90%u时对应的位移值[15]．

表1 推出试件试验结果

Tab.1 Test results of the specimens

图6对比了加强槽钢连接件与相同参数(槽钢型号、槽钢宽度、混凝土强度等级)的普通槽钢连接 件[16]的荷载滑移曲线，普通槽钢连接件的抗剪承载力为293.1kN，以采用相同槽钢朝向的S1试件结果为例，加强槽钢连接件的抗剪承载力提高了72.7%．然而，同时由于螺栓的脆性剪切断裂，加强槽钢连接件的延性往往受到一定的影响，但加强槽钢连接件的极限滑移量均值已经满足Eurocode 4中规定的极限滑移量6mm[15]．

图6 加强槽钢连接件与槽钢连接件的受剪性能比较

总体而言，加强槽钢连接件在保证其极限滑移量符合规范要求的同时，极大地增加了连接件的抗剪承载力，值得进一步对其在构件层面上的应用进行研究.

3 采用加强槽钢连接件双钢板混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究

3.1 试验概况

3.1.1 试件设计

试验设计了3个采用加强槽钢连接件的双钢板-混凝土组合剪力墙进行拟静力试验，编号为W1～W3.水平荷载加载点到基础梁顶面的距离为2000mm.墙体截面高度1000mm，核心混凝土厚度100mm．

试件主要变化参数为钢板厚度和是否设置边柱．试件W1的剪跨比为2.0，核心混凝土厚度为100mm，钢板厚度为3mm，混凝土强度为C40，采用不设置边柱的形式；与试件W1相比，W2的钢板厚度为6mm；W3采用设置边柱形式．各试件的截面布置见图7.

各试件具体参数见表2．

图7 试件截面布置

表2 拟静力试验试件参数

Tab.2 Parameter of the specimens

3.1.2 加载装置及加载制度

试验加载装置如图8所示，基础梁由地锚螺栓和限位梁固定于试验基座，加载梁通过丝杠和两侧端板与水平作动器相连．

图8 试件加载装置

施加竖向轴压后，保持轴压力不变，按照《建筑抗震试验规程》(JGJ/T101—2015)[17]，试件水平加载程序采用荷载-变形双控制的方法．在试件达到屈服前采用荷载控制并分3级加载，每级荷载循环一次；试件屈服后采用位移控制方法，每级位移增量为0.5y，且每级位移加载循环两次，直至荷载下降到最大水平荷载的85%以下时，试验停止加载．

3.1.3 测量内容和测点布置

试验测量的内容包括：施加的水平荷载、试件的水平位移、轴向千斤顶压力大小、剪切变形、面外位移和钢板关键位置的应变等(见图9)．

沿墙高度方向布置位移计测量墙体的水平位移；在墙体表面布置两对交叉位移计测量墙体剪切变形；在基础梁的侧面和上表面分别布置位移计来修正基础梁平动、转动对试验结果的影响．此外，墙体底部布置应变花，并在墙体侧边沿高度方向布置两列应 变片．

图9 试件W1测点布置

3.2 试验结果

3.2.1 破坏过程与破坏形态

3个试件破坏过程和破坏形态基本相同．根据试验现象分析，可将试件破坏过程分为3个阶段：弹性工作阶段、屈服阶段和破坏阶段．以W1为例阐述其破坏过程．

(1) 弹性工作阶段：加载初期，试件无明显现象，试件荷载位移曲线呈线性变化．

(2) 屈服阶段：弹性工作阶段后，试件荷载-位移曲线出现明显转折点，位移角为0.75%时墙体底部连接件之间出现局部屈曲，此时水平荷载为500.6kN；随着水平荷载的增加，墙体侧边钢板出现鼓曲，且墙体钢板屈曲范围和程度增加明显，到达峰值荷载时，水平荷载为615.0kN，墙体底部受压区鼓曲严重．

(3) 破坏阶段：荷载到达峰值荷载之后，随着加载的进行，墙体底部受压区域屈曲现象继续增加，进而贯通整个墙体底部．墙体侧边钢板焊缝开始开裂，混凝土压溃．当荷载下降到峰值荷载的85%，停止试验．最终试验现象为墙体底部鼓曲贯通，墙体侧边钢板焊缝开裂，内部混凝土压溃．

W2和W3的破坏过程与W1相近，试件最终破坏形态如图10所示．

图10 试件破坏形态

3.2.2 滞回曲线以及骨架曲线

各试件的滞回曲线和骨架曲线如图11 所示，由图中可见以下结论．

(1) 加载初期，荷载和位移均基本呈线性增长，没有残余变形．随着加载位移的增加，各试件的刚度明显降低，卸载后残余变形逐渐增大．到达峰值荷载之后，刚度下降迅速．

(2) 试件在屈服前，滞回曲线包围的面积小；随着墙顶位移的增加，试件的滞回环所包围的面积也逐渐增大，达到峰值荷载之后，由于墙体内部混凝土压溃以及墙体底部钢板屈曲加重、焊缝开裂，剪力墙强度退化较快．

(3) 由骨架曲线可以发现，各剪力墙试件骨架曲线均为倒S形，在低周往复荷载作用下均经历了弹性、屈服和破坏3个阶段．

图11 滞回曲线和骨架曲线

3.2.3 承载能力以及变形能力

由于试件的滞回曲线没有明显的屈服点，因此采用几何作图法[18]来确定试件的屈服点；按照《建筑抗震试验规程》(JGJ/T101—2015)[17]建议，把水平荷载下降至峰值荷载m的85%时的荷载确定为试件的破坏荷载u，破坏荷载u(u＝0.85m)相对应的位移定义为破坏位移u．同时将各试件平均屈服位移、平均峰值位移、平均破坏位移与试件高度的比值分别定义为屈服位移角y、峰值位移角m、破坏位移角u，各试件的数据列于表3．

由表3中数据可见：①与试件W1相比，试件W2的峰值荷载提高了44.1%，破坏位移减少了3.2%，这表明钢板厚度的增加极大地提高了承载力，但对变形能力的影响不大；②试件W3比试件W1的峰值荷载提高了28.8%，破坏位移也提高了10.9%. 这表明设置边柱会极大地提高构件承载力以及变形能力．

结构延性通常用位移延性系数来衡量，其值为破坏位移u和屈服位移y比值(＝u/y)．各试件的位移延性系数为1.73～1.87，具有良好的延性性能．各试件的破坏位移角u均超过了《建筑抗震设计规范》[19]规定的框架-核心筒结构位移角限值1/100，表明该类试件具有良好的变形能力．

3.2.4 耗能能力

试件的耗能能力一般用滞回曲线所包围的图形面积来衡量，滞回环包围的面积越饱满，结构的耗能能力越好，试件累计耗能曲线如图12所示．

由图12可知，试件耗能能力随着水平位移的增加而增加．试件钢板厚度从3mm增加到6mm，尽管两者变形能力相当，但试件W2承载力较大，从而增加了试件耗能能力．边柱的设置也提高了试件的耗能能力．

表3 拟静力试验承载力及位移参数

Tab.3 Bearing capacity and displacement parameters of the quasi-static test

试件的耗能能力通常用等效黏滞阻尼系数来评价．如图13所示，随着位移角的增大，等效黏滞阻尼系数逐渐增大．在构件未屈服前，等效黏滞阻尼系数普遍很低，保持在0.05以下；屈服之后到达峰值荷载之前等效黏滞阻尼系数增加到0.1～0.2，在峰值荷载后，等效黏滞阻尼系数增长速度加快，构件在破坏状态下黏滞阻尼系数可到达 0.25～0.30，证明构件具有良好的耗能能力．

图12 试件累计滞回耗能曲线

图13 试件等效黏滞阻尼系数曲线

4 结 论

本文对加强槽钢连接件的受剪性能进行试验研究，并对采用加强槽钢连接件的钢-砼-钢组合剪力墙进行了抗震性能试验研究，得到了如下结论：

(1) 加强槽钢连接件的破坏模式为钢板一侧的螺栓先发生剪切破坏，试件达到其极限抗剪承载力，之后第2个螺栓被剪断．最终试件因槽钢腹板发生剪切破坏而失效；

(2) 与普通槽钢连接件相比，加强槽钢连接件极大地提升了抗剪承载力，同时极限滑移量也符合规范要求；

(3) 采用加强槽钢连接件的钢-砼-钢组合剪力墙在低周往复荷载作用下的破坏模式为墙体底部钢板屈曲，混凝土压溃；

(4) 采用加强槽钢连接件的组合剪力墙平均极限位移角达1/77rad，平均破坏位移角达1/63rad，有着良好的变形能力；

(5) 增加钢板厚度对组合墙的承载能力、耗能能力有着极大的提高，对变形能力影响不大；

(6) 边柱的设置可极大提升组合墙的承载能力、变形能力以及耗能能力．

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Experimental Study of the Seismic Behavior of Novel Steel-Concrete-Steel Composite Shear Wall

Yan Jiabao1，Hu Huitao1，Wang Tao2

(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，China Earthquake Administration，Harbin 150080，China)

This study proposes a novel steel-concrete-steel composite shear wall with enhanced C-channel connectors. Through four push-out tests，the shear behavior of the novel shear connector was investigated. The failure mode，load-slip curve，ultimate shear capacity，and ultimate slip of the connector were analyzed. To investigate the seismic behavior of novel composite walls，three quasi-static tests of specimens with shear-span ratio of 2.0 were completed，and the failure mode，hysteretic behavior，bearing capacity，deformation capacity，and energy dissipation capacity of composite wallsunder low cycle reciprocating motion were investigated. The effects of steel plate thickness and setting boundary column on seismic behavior were reported. The test results show that the load-slip curve of push-out test specimens can be divided into five stages. The failure mode of specimens includes shearing of the bolts on both sides and shearing of the web of the channel connector. Compared with ordinary channel connectors，novel channel connectors exhibit better shear behavior，and its ultimate slip meets the requirements of the code. The failure modes of novel composite walls are steel plate buckling and weld cracking at the bottom of the wall and concrete crushing. The average failure displacement angle of the specimen can reach 1/63rad，which indicates good deformation capability. The energy consumption of the specimens rapidly increases with the increase in deformation，and the seismic behavior is good. The thickness of the steel plate has a significant effect on the bearing capacity but has only a slight effect on the deformation capacity. The boundary column can significantly improve the bearing and deformation capacities of the specimens. The seismic behavior of novel composite walls can be significantly improved by increasing the thickness of the steel plate and setting boundary columns.

steel-concrete-steel sandwich wall；C-channel connectors；push-out test；shear resistance behavior；quasi-static test；seismic behavior

TU398

A

0493-2137(2021)05-0479-08

10.11784/tdxbz202003055

2020-03-25；

2020-05-15.

严加宝（1982—  ），男，博士，副教授，yanj@tju.edu.cn.

王 涛，wangtao@iem.ac.cn.

国家自然科学基金资助项目(51608358).

Supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 51608358).

(责任编辑：许延芳)