不同屈曲约束形式的钢板剪力墙往复剪切性能试验

周绪红，曹昀琦，谭继可，王宇航

(1. 重庆大学土木工程学院，重庆 400045; 2. 重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室,重庆 400045)

0 引 言

钢板剪力墙(简称钢板墙)结构具有抗侧刚度大、承载力高的特点，20世纪70年代开始，逐渐发展成为一种新型的抗侧力结构形式[1-3]。钢板剪力墙结构由内嵌钢板、竖向边缘构件和水平边缘构件组成。研究表明，地震作用下钢板剪力墙内嵌的薄钢板屈曲后将形成类似于斜撑的拉力场，使结构仍然具有良好的水平荷载承载能力[4]。由于薄钢板剪力墙具有较好的延性和耗能能力，并且具有厚度薄、自重轻、易安装等优点[5]，近年来得到了快速的发展和广泛的应用。

目前的薄钢板剪力墙也存在受力及使用上的缺点。受力性能方面，内嵌钢板的提前屈曲会带来包括屈曲噪声、滞回曲线捏缩及拉力场给边框柱造成附加弯矩等不利影响[6-7]。薄钢板采取不同形式的屈曲约束，可以改善钢板的屈曲行为，主要措施如下：一是在钢板上焊接加劲肋以提高其屈曲承载力[8-11]，但这种方法容易产生焊接残余应力和面外变形，降低钢板墙的延性和抗侧刚度；二是在钢板的两侧外加混凝土盖板防止钢板发生面外屈曲，但是由于混凝土板刚度大，地震作用下容易受损并与钢板脱离[12-14]，无法有效防止钢板屈曲。上述防屈曲形式均没有考虑钢板剪力墙墙体保温、隔声、装饰等使用功能要求。因此，笔者提出了一种帽型冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙结构[15-16]，如图1所示。这种新型钢板剪力墙结构由内嵌钢板、型钢、保温隔声材料和定向刨花板(OSB板)组成。通过对拉螺栓在内嵌钢板两侧设置冷弯薄壁型钢向钢板提供持续的面外约束。钢板墙上的螺栓孔大于对拉螺栓直径，使得冷弯薄壁型钢不参与钢板墙面内受力变形。钢板墙最外层为OSB装饰板，可通过自攻螺钉固定于冷弯薄壁型钢龙骨上，OSB装饰板与钢板之间可填充保温隔声材料。这种结构实现了结构功能与建筑功能的一体化,且具有自重轻、易于加工制造、现场装配式施工便捷的特点，具有重要的推广意义。

笔者针对竖向设置冷弯薄壁型钢约束的钢板剪力墙已经进行了一系列研究，结果表明竖向设置冷弯薄壁型钢屈曲约束能有效提高钢板剪力墙的耗能能力[15-17]。本文为了对比不同冷弯薄壁型钢屈曲约束形式的钢板剪力墙的往复剪切性能，设计了3个不同屈曲约束形式的钢板剪力墙结构试件和1个纯钢板剪力墙结构试件进行拟静力试验研究，试验采用铰接框架结构形式。本文通过试验与理论分析，揭示不同屈曲约束形式在往复剪切作用下的力学性能与失效机理。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验共设计4个试件，其中试件FSP0为纯钢板剪力墙对比试件，其余3个试件FSP1～FSP3为带有不同形式的屈曲约束钢板剪力墙试件。试件由内嵌钢板墙和冷弯薄壁型钢约束件组成。钢板墙两侧的冷弯薄壁型钢通过12.9级M12高强螺栓连接。参考已有研究成果[15-17]，选择带有卷边构造的冷弯薄壁型钢截面形式，以提高冷弯薄壁型钢对钢板墙的面外屈曲作用。为保证冷弯薄壁型钢不参与钢板墙受力，钢板墙上的螺栓孔直径均为14 mm，大于螺栓直径12 mm。试件内嵌钢板尺寸均为1 080 mm×1 080 mm。试件主要参数为冷弯薄壁型钢对数与冷弯薄壁型钢构造形式，相关参数见表1。试件构造和尺寸如图2所示。

表1 试件参数Tab.1 Parameters of Specimens

按照文献[18]方法对所用材料进行拉伸试验，每批钢材中各抽取3个试件作为标准试样，材料的力学性能见表2。

1.2 加载装置

试验采用的加载装置如图3所示。该装置底座通过预应力锚杆固定在地面上；装置顶梁和立柱通过单向铰相连，以避免框架参与承受水平荷载，达到单独研究剪力墙抗震性能的目的；试件通过摩擦型高强螺栓与焊接在装置上的鱼尾板连接，形成四边约束剪力墙结构。作用于顶梁上的电液伺服水平作动器为装置提供往复的水平荷载。

表2 钢材材料特性Tab.2 Material Properties of Steel

1.3 量测方案

图4给出了力传感器和位移传感器的布置情况。距顶梁中轴线左右100 mm分别设置1个LVDT位移计(LVDT1，2)，以测量水平方向上的位移。立柱中轴线上分别设置1个LVDT位移计(LVDT3，4)，以测量顶梁的竖向位移。顶梁所受的水平荷载则通过安装在电液伺服水平作动器上的力传感器采集。

1.4 加载制度

根据文献[19]，加载过程采用荷载和位移双重控制。正式加载前，先进行50 kN预加载以检查仪器读数是否正常。正式加载时，先采用荷载控制，每级荷载增量为100 kN，每级循环1次，接近预估屈服荷载时荷载增量减小为50 kN；试件屈服后采用位移控制，每级位移增量为屈服位移，每级荷载循环3次。试件承载力下降到峰值荷载的85%时，试件破坏，停止加载。加载时，记推为正，拉为负。加载制度见图5。

2 试验现象与破坏模式

全部试件的最终破坏形式如图6所示。纯钢板试件FSP0在加载过程中，钢板沿45°拉压主应力方向形成斜向拉力带。随着位移的循环加载，拉力带在钢板45°对角线上交替出现，并由1条发展为多条。最终试件出现多处折痕撕裂破坏，试验结束后钢板仍存在很大的面外X形残余变形[图6(a)]。

试件FSP1内嵌钢板上通长的斜向拉力带被竖向设置的冷弯薄壁型钢阻断，在两侧冷弯薄壁型钢之间区域形成局部斜向鼓屈拉力带[图6(b)]。加载前期，试件几乎没有面外变形；达到屈服荷载后，试件未被冷弯薄壁型钢覆盖的角部开始出现鼓屈变形；随着加载圈数的增加，内嵌钢板上在冷弯薄壁型钢之间形成了斜向排列的短拉力带，冷弯薄壁型钢端部的卷边被挤压变形；试件达到峰值荷载后，边排螺栓孔处钢板观察到撕裂裂缝，最终发展为边排螺栓孔位置X形撕裂裂缝和贯穿裂缝，与此位置对应的薄壁型钢两端变形明显。

与FSP1相比，FSP2钢板剪力墙在加载过程中中部区域也出现了明显的面外屈曲，内嵌钢板整体面外变形也更大[图6(c)]。

试件FSP3加载过程中在推、拉2个方向上表现出明显的差异性。试件承受拉力时，冷弯薄壁型钢约束平行于拉力带方向，对面外屈曲的约束作用很弱。冷弯薄壁型钢随着拉力带的出现沿自身纵轴转动。试件承受推力时，冷弯薄壁型钢垂直于拉力带方向，对面外屈曲的约束作用极强。冷弯薄壁型钢之间的内嵌钢板几乎没有发生面外屈曲，内嵌钢板的屈曲变形主要出现在冷弯薄壁型钢端部区域[图6(d)]。加载过程中，试件随着推、拉方向的改变发出较大的“噔噔”响声；试件达到屈服点荷载后，内嵌钢板开始出现明显的面外变形；随着加载级的继续增加，内嵌钢板的面外变形逐渐增大，并对冷弯薄壁型钢边缘造成挤压，导致冷弯薄壁型钢端部发生明显变形；在试件达到峰值荷载时，试件内嵌钢板与冷弯薄壁型钢端部的螺栓连接处首先出现细微的裂缝，并逐渐发展出X形撕裂裂缝。

全部试件加载结束后，将冷弯薄壁型钢约束拆下。可以发现冷弯薄壁型钢覆盖下的钢板几乎没有发生面外屈曲，处于平面受力状态。几乎所有的冷弯薄壁型钢构件都是端部变形最为明显，这是因为端部的约束力最弱，冷弯薄壁型钢受到钢板剪力墙面外屈曲的挤压，最终产生较大变形。各试件之间相比，水平或横向设置的冷弯薄壁型钢受到钢板剪力墙挤压更严重，变形比斜向设置的冷弯薄壁型钢更明显。

3 试验结果分析

由于试件是分批次加工完成，为了便于试验结果相互对比，对滞回曲线进行了标准化处理。根据2批钢材的材性试验结果，将试验荷载除以各自的名义剪切屈服承载力Fy[式(1)]，得到各试件标准化剪力-层间位移角滞回曲线。各试件的标准化骨架曲线为标准化的滞回曲线中各级加载第1次循环的峰值点连成的包络线。

(1)

式中：fy为钢材拉伸屈服强度；lw为墙板宽度；tw为墙板厚度。

3.1 剪力-层间位移角滞回曲线

滞回曲线能综合反映结构的抗震性能。根据试验得到的试件剪力-层间位移角(F-θ)滞回曲线如图7所示。

从图7可以看出，各试件的滞回曲线具有以下共同特点：加载初期，试件处于弹性阶段，此时荷载与层间位移角呈线性关系，钢板处于平面受力状态，滞回曲线包围面积很小；随后试件进入弹塑性阶段，开始出现局部屈曲，随着拉力带屈曲程度逐渐加大，滞回环逐渐张开，试件耗能能力得到充分发展；试件达到峰值荷载后，由于损伤积累，试件承载力和刚度快速下降，并出现明显的撕裂破坏。

所有试件均表现出不同程度的“捏缩”现象，这是由于在一个加载循环中，荷载反向使得拉力带先松弛，再反向形成拉力带。这个过程中钢板剪力墙刚度为0，滞回环呈“捏缩”状。

3.2 标准化剪力-层间位移角滞回曲线

将试件承受的荷载按式(1)进行标准化，得到标准化剪力-层间位移角滞回曲线，见图8。可以发现，纯钢板试件FSP0的“捏缩”现象最为明显[图8(a)]，而带不同形式冷弯薄壁型钢约束构造的试件滞回曲线更为饱满，承载能力也有明显提高。这说明冷弯薄壁型钢有效地抑制了钢板剪力墙的面外变形，使钢板由整体面外屈曲转为局部出现屈曲拉力带，局部屈曲拉力带的面积与变形程度相对更小，从而使拉力带松弛的阶段变短，缓解了滞回曲线的“捏缩”现象。

对比试件FSP1与FSP2的滞回曲线可以发现，试件FSP1比试件FSP2的滞回曲线略为饱满[图8(b)]。这是因为加载过程中，试件FSP1只在两侧产生局部屈曲拉力带，中部区域几乎没有面外变形，而试件FSP2在没有冷弯薄壁型钢约束的地方均产生了局部屈曲拉力带。

对比试件FSP2与FSP3的滞回曲线可以看出，FSP2的滞回曲线更为饱满[图8(c)]，且在推、拉方向上的一致性更好。试件FSP3的滞回曲线仍然明显比纯钢板试件FSP0更为饱满[图8(d)]。

因此，从滞回曲线来看，竖向设置冷弯薄壁型钢约束件对限制钢板的面外屈曲最为有效，其次为水平约束，最差的是斜向45°约束。

3.3 耗能能力

在抗震性能研究中，结构的耗能能力常通过等效黏滞阻尼系数ζeq来反映[19]，等效黏滞阻尼系数越大，结构耗能的效果越好。等效黏滞阻尼系数的计算公式为

(2)

式中：SABC+CDA为滞回曲线包围的面积；S△OBE+△ODF为△OBE与△ODF的面积之和(图9)。

经过计算得到所有试件第1圈等效黏滞阻尼系数-层间位移角的关系曲线，如图10所示。可以看出，相对于纯钢板试件，所有带冷弯薄壁型钢约束件的试件的等效黏滞阻尼系数均有显著提高，且约束件对数越多，试件的等效黏滞阻尼系数越大。所有试件中，竖向及横向设置约束的试件FSP1和试件FSP2的等效黏滞阻尼系数提高最为明显，其次为带有45°斜向约束的试件FSP3。通过对比结果可以看出，水平及竖向设置冷弯薄壁型钢约束比斜向设置冷弯薄壁型钢约束更能提高试件的等效黏滞阻尼系数，可以得到更好的耗能效果。

结构的滞回环所包围的面积是结构吸收能量转化为非弹性变形的能量，滞回环面积越大，结构耗散的能量也就越多[19]。总耗能等于各滞回环包围面积之和，是结构整个过程中所积累的能量耗散。各试件的总耗能情况如表3所示。

从表3可以看出，相对纯钢板试件FSP0，试件FSP3的总耗能降低了9.35%，这说明45°斜向设置冷弯薄壁型钢约束对钢板剪力墙总耗能没有提高作用。试件FSP1对总耗能的提高幅度最大，为90.04%，而水平设置4对冷弯薄壁型钢约束的试件FSP2的总耗能提高了61.92%。再次说明了竖向及水平设置冷弯薄壁型钢约束比斜向设置冷弯薄壁型钢约束更能提高试件的耗能能力。

表3 试件总耗能Tab.3 Total Energy Consumption of Specimens

3.4 标准化骨架曲线

取标准化剪力-层间位移角滞回曲线中各级加载第1次循环的峰值点连成包络线，得到试件的骨架曲线。以试件FSP1为例，试件特征点在骨架曲线上的位置如图11所示[19]。

取标准化滞回曲线中各级加载第1次循环的峰值点连成包络线，则得到各试件的标准化骨架曲线。各试件的标准化骨架曲线对比见图12，可以看出，试件的骨架曲线形状相似，都呈反S形。

从各试件的骨架曲线可以明显看出：试件处于弹性阶段时，剪力与层间位移角呈线性变化；达到屈服点后，试件进入弹塑性阶段，荷载继续增加，但试件刚度明显降低；达到峰值点后，试件的承载力迅速降低，当荷载降至极限荷载的85%时停止加载，得到试件的极限点。取极限点位移Δu与屈服点位移Δy的比值作为试件的延性系数μ，并用它来评定各试件的延性，其表达式为

(3)

试件的特征点及延性系数见表4。可以看出：相对纯钢板试件FSP0，带冷弯薄壁型钢约束的试件其延性系数均有显著提高，表现出良好的塑性变形性能；试件FSP1，FSP2的平均延性系数分别提高了47%和59%，而FSP3仅提高14%。这说明竖向或水平设置约束比沿45°斜向设置冷弯薄壁型钢约束在提高试件延性方面更为有效。

就承载力而言，所有带冷弯薄壁型钢约束试件的峰值荷载都高于纯钢板试件。为了评估不同冷弯薄壁型钢约束构造对钢板剪力墙抗剪承载力的提高效率，引入承载力提高评价系数α,计算公式为

(4)

式中：ΔFp为同一方向上试件的峰值荷载相对于纯钢板试件FSP0的承载力增量；W为试件带有的型钢约束件质量。

计算得到的各试件承载力提高评价系数α见表5。对比可知，试件FSP1的承载力提高效率较高，且在推、拉2个方向上具有较好的一致性。FSP1推、拉方向上的平均承载力提高评价系数α大于4，而FSP2，FSP3的平均承载力提高评价系数均小于4。这说明竖向设置冷弯薄壁型钢约束比水平或斜向45°设置对试件峰值荷载的提高效果更好。

试件FSP3在推、拉2个方向上的承载力提高评价系数表现出明显的差异，这是由于其具有非轴向对称的约束形式。如图13(a)所示，承受推力时，钢板右倾斜的45°拉力带被冷弯薄壁型钢约束阻断，约束较强；如图13(b)所示，承受拉力时，钢板左倾斜的45°冷弯薄壁型钢约束平行于拉力带，约束较弱，因此试件FSP3在受推时的承载力显著高于受拉时的承载力。

3.5 刚度退化

循环荷载下，结构在同一荷载水平下的位移逐渐增大，表现出刚度退化。为对比不同冷弯薄壁型钢约束形式对试件刚度退化的影响,采用峰值割线刚度Ki对试件的刚度进行评价，Ki按式(5)计算

表4 试件特征点荷载及延性系数Tab.4 Characteristic Point Loads and Ductility Coefficients of Specimens

表5 各试件承载力提高评价系数Tab.5 Bearing Capacity Improvement Evaluation Coefficient of Specimens

(5)

式中：+Fi和-Fi分别为第i次推、拉向峰值点的荷载值；+Xi和-Xi为第i次推、拉向峰值点的位移值[19]。

由式(5)计算得到的刚度退化曲线如图14所示。

由图14可以看出：

(1)在加载的初始阶段，试件表现出硬化现象，达到峰值刚度后，试件刚度开始退化，并且随着位移的增加，试件刚度退化曲线越来越平缓。

(2)相对于纯钢板试件，带冷弯薄壁型钢约束试件的峰值刚度都有显著提高，达到屈服位移后，带冷弯薄壁型钢约束的试件刚度迅速降低，但仍然高于纯钢板试件，说明不同形式的冷弯薄壁型钢约束都可以减缓试件的刚度退化。

(3)试件FSP1的峰值刚度最低，说明竖向设置冷弯薄壁型钢约束对剪力墙刚度的提高效果最差。

(4)试件FSP3的前期刚度很大是因为在试件加载的弹性阶段，钢板上斜向45°设置的冷弯薄壁型钢约束在推、拉方向上表现出约束效果的明显差异。试件承受拉力时，冷弯薄壁型钢约束平行于拉力带方向，对面外屈曲的约束作用很弱。试件承受推力时，冷弯薄壁型钢约束垂直于拉力带方向，对面外屈曲的约束作用极强。峰值割线刚度计算中|-Fi|，|-Xi|的值与纯钢板类似，而|+Fi|的值可以达到很大，同时位移|+Xi|的值仍然很小，最终表现出Ki的值显著增大。

4 结 语

(1)冷弯薄壁型钢屈曲约束能有效限制钢板剪力墙在往复剪切荷载下的面外变形。水平或竖向设置的冷弯薄壁型钢屈曲约束限制了钢板剪力墙上通长拉力带的产生，使其形成区格间的局部屈曲拉力带。试件的破坏形式普遍表现为钢板剪力墙在屈曲约束较弱处产生撕裂破坏，冷弯薄壁型钢约束件的边缘则因受到钢板的挤压而变形。

(2)设置冷弯薄壁型钢屈曲约束显著提高了钢板剪力墙的耗能能力、塑性变形性能和承载力。其中，竖向设置冷弯薄壁型钢屈曲约束最能提高试件的耗能能力，水平设置冷弯薄壁型钢屈曲约束次之，斜向45°设置冷弯薄壁型钢屈曲约束对试件耗能能力的提高效果最差。

(3)斜向45°设置的冷弯薄壁型钢使得试件在推、拉方向上的受力性能表现出较大的差异性。当拉力带垂直于冷弯薄壁型钢时，冷弯薄壁型钢约束效果较好，而当拉力带平行于冷弯薄壁型钢时，冷弯薄壁型钢约束效果较差。约束效果在推、拉2个方向上的差异使得试件的承载力和刚度都呈现出明显的差异，即在约束较强的方向承载力更高、刚度更大。