两侧钢管束带加劲肋的钢管束砼组合剪力墙压弯性能试验

宋维国,周新刚,赵亚菲,夏小龙,宋国强

(烟台大学土木工程学院,山东 烟台 264005)

随着装配建筑的发展,一种新型组合剪力墙-钢管束混凝土组合剪力墙得到了研究与应用。国内外学者也开始对其性能进行系统研究。陈志华等[1-3]对不同截面形式的一字型和T型钢管束混凝土剪力墙进行了受力性能试验,以钢板厚度、轴压比、是否布置栓钉等作为研究参数,分析了钢管束砼组合剪力墙的延性、刚度、承载力和耗能等性能。研究表明,剪力墙两侧钢管束屈曲破坏是影响墙体性能的主要因素。为解决端部钢管束屈曲问题,有学者提出了相应解决方法,如对墙体底部屈曲部位采用加强措施[4]、增加两侧钢管束的管壁厚度[5]、采用分缝墙体[6]、采用约束拉杆及角部隅撑构造措施[7],等等。从受力原理看,这些方法都能改善或提高墙体的抗侧力性能,但存在构造较复杂、加工难度较大,而且还有影响墙体装饰及使用效果的问题。本文提出在两侧钢管束中设置加劲肋以加强其刚度及其稳定性,如图1。通过加强两侧端部钢管束,提高其抗屈曲性能,达到改善和提高整体墙体在水平及竖向荷载作用下压弯性能的目的。

图1 两侧内置加劲肋(mm)

1 试验概况

1.1 试验设计及材料性能

为研究两侧钢管束加劲肋的有效性及剪跨比、轴压比等参数对钢管束砼组合剪力墙抗震性能的影响,设计制作了4片两侧钢管束带加劲肋的钢管束砼组合剪力墙试件和2片无加劲肋普通钢管束砼组合剪力墙试件,钢板厚度为3 mm,具体参数见表1,

表1 试件尺寸参数

试件尺寸及构造见图2。其中STW 1和STW 2为无加劲肋普通剪力墙,STW 3和STW 4是剪跨比1.5下不同轴压比的两侧钢管束带加劲肋组合剪力墙,STW 5和STW 6是剪跨比2.0下不同轴压比的两侧钢管束带加劲肋组合剪力墙。

图2 试件尺寸及构造(mm)

试件所用混凝土的实测立方体抗压强度平均值fcu,m=36 MPa;钢板的屈服强度fy=408 MPa,极限强度fu=550 MPa。

1.2 试验装置及加载方式

试验加载装置简图如图3。试件采用1500 kN的液压伺服作动器施加水平力,采用3000 kN液压伺服作动器施加轴压力,设置分配梁将轴压力均匀地传给墙体,竖向作动器与加载架横梁之间设置滑动小车,在水平荷载作用下,能随墙体自由移动。底梁利用压梁和地锚螺栓固定于实验台座上。正式加载前,先检查力传感器、位移计、应变片是否正常工作,并进行预加载。正式加载时,先按试验轴压比的要求施加指定的竖向荷载并保持荷载稳定,然后施加水平荷载。水平荷载采用力-位移混合控制方法[8],试件弹性阶段采用力控制方法,级差为200 kN,每级荷载循环1次。当试件顶点荷载-位移曲线出现明显转折点时认为试件已经屈服,而后采用位移控制方法,位移增量取0.5Δy(Δy为屈服位移),每级荷载循环2次。

1.3 试验现象及破坏过程

试件从加载到破坏经历了弹性、钢管束屈服及最终破坏3个阶段。

1.3.1 弹性阶段 当剪跨比为1.5时,位移角小于1/750时,两侧钢管束带加劲肋的钢管束砼组合剪力墙(STW 3、STW 4)处于弹性工作状态,加卸载曲线重合,无残余变形,且与无加劲肋普通钢管束砼组合剪力墙(STW 1)受力基本一致。当剪跨比增大到2.0时,剪力墙的弹性刚度下降,此时加劲肋效果不明显。

1.加载架横梁；2.加载架立柱；3.反力墙；4.滑动小车；5.竖向液压伺服作动器；6.分配梁；7.水平液压伺服作动器；8.试件；9.水平限位千斤顶；10.限位梁；11.地锚螺栓。

1.3.2 屈服阶段 随着水平位移不断增加,加卸载曲线不再重合,卸载时有残余变形,且随着荷载及位移的增加,残余变形越来越大。当试件STW 3水平荷载达到953.7 kN,位移角为1/122时,水平荷载与位移曲线出现明显的转折点,试件刚度显著降低,卸载时残余变形及滞回环面积也显著增大。由于钢管束对混凝土的约束作用,到达屈服荷载后,试件的承载力还会继续增加,当试件STW 3水平荷载达到1271.6 kN,位移角为1/51时,试件到达峰值承载力。在剪跨比1.5的情况下,极限承载能力时,STW 3由于设置加劲肋,其屈服位置内移,而STW 1的钢管束则全截面屈服,见图4(a)与图4(c)。在剪跨比为2.0的情况下,有相似的破坏现象,见图4(b)、4(e)和4(f)。所不同的是,剪跨比为2.0时的最大水平力较小。在相同剪跨比情况下,轴压比较大的试件,屈服位置钢板屈曲程度更为明显。

图4 各试件破坏状态

1.3.3 破坏阶段 到达峰值承载力后,随着水平位移的增加,承载能力开始缓慢下降,残余变形不断增大,当水平荷载下降到峰值水平荷载的85%时,剪跨比为1.5的带加劲肋的剪力墙的极限位移角约为1/31,不带加劲肋的为1/36;剪跨比为2.0的带加劲肋剪力墙的极限位移角为1/34,不带加劲肋的为1/36。卸载时,不带加劲肋的捏拢现象更为明显,见图5(a),随着轴压比的增加,在低剪跨比的情况下,由于有较大的剪切效应,轴压比大的捏拢现象更为明显,见图5(d);而在较大的剪跨比情况下,由于墙体根部破坏主要是弯压破坏,在较大的轴压比的情况下,滞回曲线更为丰满,见图5(f)。

1.4 试验结果

试验得到的试件水平荷载-位移滞回曲线如图5。从图5可知,在剪跨比为1.5情况下,滞回曲线都有捏拢现象,剪切效应更为明显,在此情况下,轴压比越大,捏拢现象越明显,说明钢管屈服后,钢管对混凝土的约束作用较弱,钢管与混凝土之间有一定的滑动。剪跨比达到2.0,捏拢现象相对较小,剪切效应减弱,主要以弯压破坏为主,滞回环面积增大,耗能能力增加。试验得到的各特征点数据见表2。

图5 各试件滞回曲线

表2 试验结果

由表2数据可见,在剪跨比为1.5的情况下,由于加劲肋的作用,STW 3的根部屈服弯矩与最大弯矩比STW 1都有明显增加,屈服弯矩增加12.8%,峰值弯矩增加13.7%,延性系数也由3.28提高到3.89。在剪跨比为2.0的情况下,由于加劲肋的作用,STW 5的根部屈服弯矩与最大弯矩比STW 2也有明显增加,屈服弯矩增加16.9%,峰值弯矩增加17.6%,延性系数由3.58提高到3.92。在相同的剪跨比下,带加劲肋的STW 5和STW 6的轴压比不同,轴压比大的STW 6的屈服弯矩及极限弯矩都比STW 5高,都高8%左右,延性系数基本相同,但STW 6滞回环的面积更大,说明耗能能力更好。STW 3与STW 4的剪跨比都为1.5,但STW 4的轴压比比STW 3的略大,STW 4的屈服弯矩、峰值弯矩及延性系数都比STW 3低,说明在低剪跨比的情况下,轴压比大对构件的承载能力及延性都有不利影响。

2 参数分析

2.1 加劲肋对剪力墙压弯性能的影响

普通钢管束砼组合剪力墙在水平力作用下,剪力墙受压一侧屈曲,受拉侧撕裂。反复作用下使得剪力墙两侧屈曲部位的部分钢管提前退出工作,角部钢管的撕裂降低了钢管对混凝土的约束作用,使得内部混凝土被压溃。此时两侧钢管束加纵向通长加劲肋后,通过其自身的抗弯刚度为混凝土提供横向约束支点,显著削弱了最外侧钢管束四个角部的应力,增加钢管内壁和混凝土的接触面积,增强了带肋钢管束对核心混凝土的约束作用以及钢管束的稳定性[9],更好地发挥二者的协同作用,从而有效改善剪力墙的底部屈曲,增强剪力墙的极限承载能力,能很好地发挥加劲效果。

通过对比两侧钢管束带加劲肋和无加劲肋普通钢管束砼组合剪力墙的骨架曲线(图6)可知,加劲肋的设置提高了剪力墙的极限承载能力,延缓了剪力墙的破坏,骨架曲线下降段逐渐平缓。

图6 两侧带加劲肋和普通剪力墙骨架曲线

2.2 剪跨比对加劲肋改善性能的影响

在其他参数相同的情况下,当剪跨比由1.5增加到2.0的过程中,由图7可知,试件STW 6的弹性刚度有明显的下降。从骨架曲线的下降段可以看出,随着剪跨比的增大,试件的骨架曲线下降段更为平缓。当试件的剪跨比较小时,以剪切变形为主,滞回曲线有明显的捏拢。当试件的剪跨比增大时,钢管束砼剪力墙的墙体变形由以剪切变形为主逐步发展为以弯曲变形为主[10,11],剪切效应减弱,设置加劲肋提升了剪力墙的抗弯性能,在钢管屈服后,加强了钢管对混凝土的约束作用,降低了钢管与混凝土之间的滑动,捏拢现象减小。所以适当提高剪跨比,对加劲肋改善剪力墙效果更明显。

图7 不同剪跨比剪力墙骨架曲线

2.3 轴压比对加劲肋改善性能的影响

由图8可知,当轴压比在0.2增加到0.3时,STW 6较STW 5相比,承载力略微提升。当轴压较小的时候,钢管束对内部混凝土的约束作用较小,加劲肋的效果不够明显。加大轴压后内部混凝土的横向变形增大,使得钢管束对混凝土的约束作用变强[12],加劲肋改善剪力墙的效果更显著。但是当轴压过大时,对比STW 3和STW 4, 轴压比由0.3增加到0.35时,屈服荷载和峰值荷载均有所降低。这是因为在试件施加轴压阶段时钢管束就进入屈服状态,在施加水平荷载后端部钢管束底部局部屈曲迅速加剧,水平荷载在破坏阶段的骨架曲线下降变陡,剪力墙的变形能力降低、延性变差。所以,在实际工程中,选用合适的轴压比尤为重要。

图8 不同轴压比剪力墙骨架曲线

2.4 加劲肋对剪力墙耗能能力的影响

对比STW 1和STW 3的环线刚度,带加劲肋后的剪力墙刚度增大,刚度退化时持续均匀,结构耗能能力好。

图9 刚度退化曲线

对比等效黏滞阻尼系数可以得出,在弹性阶段,STW 3的等效黏滞阻尼系数低于STW 1,加劲肋的设置使得含钢率增加,此时的耗能并不明显。随着水平位移不断增加,剪力墙进入屈服阶段后,STW 3耗能能力不断增加,等效黏滞阻尼系数也不断增大。最终,两侧钢管束带加劲肋的剪力墙等效黏滞阻尼系数高于空白剪力墙,耗能能力良好。

图10 等效黏滞阻尼系数曲线

3 结 论

试验分析表明,钢管束剪力墙两侧底部钢管的屈服及屈曲破坏是影响该种剪力墙性能的重要因素。通过在两侧钢管束中设置加劲肋,提高了钢管束的抗屈曲能力及对束中混凝土的约束能力,使剪力墙底端屈曲位置内移,明显提高剪力墙的极限承载力、耗能能力,达到改善和提高墙体抗震性能的目的。两侧钢管束设置加劲肋改善墙体抗震性能的效果,还取决于墙体的剪跨比及轴压比。剪跨比越小,墙体的剪切效应越明显,加劲肋的作用相对较弱;而在较大的剪跨比情况下,墙体呈弯压破坏,加劲肋改善墙体性能的作用更为显著。在较大的轴压比情况下,加劲肋能提高钢管的抗屈曲能力,从而更显著地改善墙体性能。