轴压比与剪跨比对部分包覆钢-混凝土组合剪力墙抗震性能影响研究

杨宇焜, 赫约西,2, 蒋 路, 徐国军, 黄亚男

(1. 浙江绿筑集成科技有限公司, 上海 201199； 2. 北京工业大学 城市建设学部, 北京 100124；3. 同济大学 土木工程学院, 上海 200092)

部分包覆钢-混凝土组合剪力墙(partially encased composite shear wall，PEC剪力墙)是主钢件采用工字钢与钢板焊接，并在翼缘与纵向加劲肋间设置一定间距的横向拉结筋(钢筋或扁钢)，主钢件外周轮廓间浇筑混凝土形成的一种新型装配式钢-混凝土组合剪力墙，构造如图1所示。

近年来，国内外学者对部分包覆钢-混凝土组合梁(PEC梁)、部分包覆钢-混凝土组合柱(PEC柱)和部分包覆钢-混凝土组合梁柱节点(PEC梁柱节点)等方面进行了大量的研究[1-3]，结果表明：相较于钢构件，由于混凝土的存在，PEC构件不会过早发生局部屈曲，且耐火性能显著提升；相较于钢筋混凝土构件，PEC构件表现出组合构件传统优势，强度和延性相对提升，且主钢件作为天然模板，制作时无需大量支模，提高施工效率。而剪力墙作为侧向受力构件，被大量应用于中高层建筑，但目前针对PEC剪力墙的研究还很少。基于此，张其林等[4]对3种不同构造形式的PEC短肢剪力墙进行研究，结果表明：装配式PEC短肢剪力墙具有良好的延性和耗能能力。石韵等[5]对1榀三层混合连肢PEC剪力墙进行研究，结果表明：该结构抗震性能及协同工作性能良好，钢连梁和PEC剪力墙均表现出良好的延性和耗能能力。张莉莉等[6]在PEC连肢剪力墙试验基础上进行了结构弹塑性时程分析，结果表明：在罕遇地震下，结构的连梁和框架梁作为第一道防线先发生屈服，结构最大弹塑性层间位移角满足弹塑性层间位移角限值。

不同轴压比下的抗震性能决定了PEC剪力墙在中、高层建筑中的使用范围，PEC剪力墙在不同剪跨比下表现出不同的破坏形式。为进一步研究此类剪力墙的受力性能，本文通过6个PEC剪力墙试件的拟静力试验研究，分析轴压比和剪跨比对PEC剪力墙抗震性能的影响，完善PEC剪力墙的抗震设计理论。

1 试验概况

1.1 试件设计

以轴压比n和剪跨比λ为主要试验参数，参考国家规程和实际工程应用，本试验共设计了6个足尺PEC剪力墙试件，编号为PECSW1～PECSW6，具体设计参数见表1。同一剪跨比下PEC剪力墙的外观尺寸、钢筋和型钢规格、材料强度等均一致。试件底部750 mm加密区边区格水平布置连杆(扁钢)，中区格水平布置钢筋，间距为100 mm；非加密区腔体均水平布置钢筋，间距200 mm。其中扁钢截面高30 mm、厚4 mm；钢筋直径为10 mm，试件具体几何尺寸见图2。

表1 试件基本参数

1.2 材料性能试验

试件中钢板强度等级均采用Q235，钢筋采用HRB400，墙身混凝土强度等级为C30，加载梁和底座采用Q355B制作。墙身混凝土分两批浇筑成型，即先浇筑钢腹板一侧的混凝土，在常温下自然养护7 d后，翻身浇筑另一侧混凝土。根据GB 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[7]，每批混凝土浇筑时预留6个尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的混凝土标准试块，同条件同期养护后进行混凝土材性试验。钢材力学性能见表2，混凝土力学性能见表3。

表2 钢材力学性能

表3 混凝土力学性能

1.3 试验装置及加载制度

本试验在同济大学防灾减灾国家重点实验室完成，试件底部设置刚性底座，通过地锚螺栓与实验室地梁连接；试件顶部设置刚性加载梁，通过螺栓与竖向荷载分配梁连接。反力装置采用400 t龙门架和反力墙，竖向采用额定荷载为400 t的千斤顶加载，水平向分别采用两个±100 t作动器并联加载，并布置1个±30 t作动器保证墙顶与千斤顶共同作用。试件的加载梁左端通过水平连接装置与水平伺服作动器连接，加载梁上端由刚性分配梁将竖向千斤顶作用的集中荷载转化为均布荷载，试验加载装置和现场布置如图3所示。

(a) 试验加载装置

试验采用分级拟静力往复加载制度，正式加载前需要先进行预加载，分三级施加竖向荷载，进行竖向对中调整。正式加载时首先通过千斤顶逐级施加竖向荷载，达到设计轴压比后，荷载维持不变，通过2台±100 t水平作动器施加水平荷载。根据JGJ/T 101—2015《建筑抗震试验方法规程》[8]，水平荷载加载采用位移控制：试件屈服前，位移级差为1 mm，每级反复加载1次。当试件两侧翼缘板下部达到屈服应变时，认为试件进入屈服状态，此时对应的位移Δy为屈服位移，位移级差更改为1倍屈服位移Δy，每级重复加载3次。试件无法稳定承载额定竖向荷载，或两个方向的最大水平荷载均下降至试件整体加载峰值荷载的85%以下时，停止试验，认定试件发生破坏。其中，加载制度如图4所示，以水平作动器推为正向加载，拉为负向加载；试件与水平作动器连接侧为左侧，另一侧为右侧；试件刷有白色涂漆并画有10 cm方格一侧为正面，另一侧为背面。

1.4 测点布置

加载梁中部内、外两侧对应位置各布置一个水平位移计，取二者读数的平均值作为试件在水平荷载加载高度处的位移，以此判断试件扭转对位移测值的影响。加载梁底板、试件顶部和试件底板处各布置一个水平向位移计，二者测量结果的差值为螺栓连接处的滑移，后续试验数据去除滑移的影响。试件底板左右两侧各设置一个竖向位移计，测得基础转角的影响。试件左右两侧分别设置连续竖向位移计，获取各高度区间内弯曲变形。试件背面设置2-3道斜向交叉位移计，获取各高度区间的剪切变形。试件背面中部左右两侧布置两个面外位移计，检测加载过程中的整体稳定性。整体位移计布置图如图5所示。

图4 加载制度

(a) 试件PECSW1～试件PECSW3

2 试验结果及其分析

2.1 试验现象及破坏形态

试验过程中，各试件在墙体中下部均有不同数量的斜裂缝出现，但由于PEC剪力墙中混凝土被纵向加劲肋分割成相互独立的混凝土长细柱，试件的最终破坏形态均为典型的压弯破坏。以PECSW1试验现象为例：当位移角达到1/750时，试件边区格中下部出现多条水平裂缝，如图6(a)所示；随后裂缝分布区域变大，数量增多；当位移角达到1/150时，左侧边区格脚部混凝土表皮略有鼓突，右侧边区格脚部混凝土表皮小块脱落；当位移角达到1/80时，两侧边区格下部混凝土表皮大块脱落，缀板露出，两侧翼缘下部发生略微屈曲，如图6(b)所示；当位移角达到1/75时，试件下部表层混凝土严重脱落，两侧翼缘下部略微屈曲，纵向加劲肋屈曲程度明显，如图6(c)所示；当位移角达到1/68时，试件下部混凝土损伤严重，两侧翼缘下部严重屈曲，纵向加劲肋严重屈曲，两侧承载力均下降至峰值荷载的85%以下，如图6(d)所示。

(a) 位移角1/750

整体来看，PEC剪力墙试验过程大致描述如下：加载初期，墙体受拉侧混凝土表面出现多条水平裂缝；随着屈服位移倍数的增加，PEC剪力墙试件两侧下部水平约束部件断裂，混凝土压碎挤出，钢翼缘外鼓；破坏时墙体底部有效截面面积变小，刚度减小，受弯占据主导作用，试件发生压弯破坏，其它试件最终破坏形态如图7所示。

(a) PECSW2

2.2 滞回曲线

试件的水平荷载-位移滞回曲线如图8所示。由图可知，各试件的滞回曲线呈较为饱满的梭形，无明显的捏缩现象，呈现良好的耗能能力：

(1) 加载初期，各试件滞回曲线近似为一条直线，基本不产生残余变形，试件处于弹性工作状态；

(2) 随着荷载加载级数的增长，加载刚度和卸载刚度略下降，残余变形逐渐增大，试件处于弹塑性阶段；

(3) 试件荷载达到峰值后，由于左右两侧下部混凝土鼓突并发生部分脱落，同级荷载步内3个循环的承载力和刚度均略有退化；

(4) 加载后期，由于试件左右两侧下部水平约束部件断裂，钢翼缘外鼓，混凝土压碎挤出，同级荷载步内3个循环的承载力和刚度退化严重，最终水平承载力下降至峰值荷载的85%以下。

(a) PECSW1

2.3 骨架曲线

PEC剪力墙在不同轴压比和剪跨比下的骨架曲线如图9所示，均呈斜向反S形，其受力过程可近似分为弹性、塑性和破坏3个阶段。由图可知：

(1) 加载前期，同一剪跨比下，PEC剪力墙刚度相差不大。

(2) 同一剪跨比下，图9(a)中试件PECSW2、PECSW3水平峰值荷载较试件PECSW1的水平峰值荷载略低；图9(b)中PECSW5水平峰值荷载也略低于PECSW4，这是因为轴压比过大，PECSW2、PECSW3先两级发生压弯破坏，PECSW5先一级发生压弯破坏。加载后期，随着轴压比的增大，水平承载力下降速度越快。

(a) 剪跨比1.88

(3) 随着剪跨比的增大，PEC剪力墙的刚度和水平峰值荷载随之减小；加载后期，PECSW4和PECSW6水平承载力下降较为平缓，PECSW2承载力下降较快，表明在低剪跨比下PEC剪力墙的延性较差。

2.4 特征点承载力

各试件在加载过程中主要阶段特征点的承载力、位移实测值和强屈比见表4。其中Py为屈服荷载，Pu为峰值荷载，Pd为极限荷载，Δy为由Park法[9]确定的名义屈服位移，Δu为峰值荷载对应的峰值位移，Δd为水平承载力下降至85%以下的极限位移。由表4可知：

(1) 同一剪跨比下，正向加载时，试件PECSW2、PECSW3的峰值荷载比试件PECSW1的延性系数分别降低了13.91%和3.57%；反向加载时，试件PECSW2、PECSW3的峰值荷载比试件PECSW1的峰值荷载分别降低了9.01%和16.12%。

(2) 同一轴压比下，正向加载时，试件PECSW4、PECSW6的峰值荷载比试件PECSW1的峰值荷载分别下降了29.65%和51.38%；反向加载时，试件PECSW4、PECSW6的峰值荷载比试件PECSW1的峰值荷载分别下降了29.32%和48.65%。表面剪跨比对试件的承载力影响很大。

(3) 强屈比基本在1.30左右，表面材料达到屈服强度后仍有较大的强度储备。

表4 特征点荷载、位移汇总

2.5 变形能力

各试件的层间位移角和位移延性系数见表5。其中θy为屈服点层间位移角，θu为峰值点层间位移角，θd为极限点层间位移角，位移延性系数μ=Δd/Δy。从表5可见：

(1) 由试件PECSW1～PECSW3可知，随着轴压比的增大，极限层间位移角θd随之减小；由试件PECSW2、PECSW4和试件PECSW6可知，随着剪跨比的增大，极限层间位移角θd随之增大。

(2) 各试件位移延性系数范围为2.22～2.93，略小于剪力墙结构位移延性系数3～4的要求，但各试件极限层间位移角范围为1/56～1/80，均满足JGJ/T 380—2015《钢板剪力墙技术规程》[10]对罕遇地震下对组合剪力墙限值的要求，说明PEC剪力墙仍具有良好的变形能力。

表5 特征点变形值

2.6 应变发展

一方面，应变较大时，主钢件应变片受混凝土影响测得结果误差很大；另一方面，混凝土应变片由于表面开裂而失效。分别截取水平位移角1/167、1/250和1/200的应变片读数分析。以不同剪跨比(试件PECSW2、PECSW4和PECSW6)为例，所得主钢件和混凝土应变发展如图10所示。

(a) PECSW2型钢应变发展

由图可知，型钢应变沿墙长度方向近似呈线性分布，基本符合平截面假定；混凝土受压区近似呈线性分布，而受拉区由于混凝土的开裂误差较大，但受拉区对试件性能影响很小，因此认为PEC剪力墙试件在压弯作用下满足平截面假定。

2.7 刚度退化

各试件环线刚度[11]与墙顶水平位移的关系曲线如图11所示。由图可见，各试件在整个加载过程中刚度退化持续、均匀，表明PEC剪力墙在水平荷载作用下受力性能稳定。

(1) 根据图11(a)和11(b)，轴压比对PEC试件的刚度退化影响较小，但整体表现为：退化速率随轴压比的增大而增大。

(2) 根据图11(c)，试件的初始刚度和刚度退化速率随剪跨比的增大而减小。

(a) 剪跨比1.88

2.8 承载力退化

承载力退化指试件承载力随加载循环次数的增加而降低的特性，可用承载力退化系数λ表示[12]。试件承载力退化系数与水平幅值的关系如图12所示。

(a) 剪跨比1.88

根据图12可知：各试件的承载力退化系数λ整体随位移幅值的增大而减小，在最后两级循环下降最为明显，表明随着位移幅值的增大，各试件承载力退化加剧。各试件的承载力退化曲线基本相似，说明轴压比和剪跨比对PEC剪力墙试件的同级承载力退化影响不大。

2.9 耗能能力

根据试件的滞回曲线计算其每周耗能和累计每周耗能[13]，具体计算结果如图13所示。由图13可知：

(1) 加载初期，试件处于弹性工作状态，耗能增长较慢；随着水平位移的增大，试件进入塑性工作状态，耗能增长加快。

(2) 随着轴压比的增大，同一水平幅值下每周耗能和累计每周耗能均随之增大，但由于PECSW5提前两级发生破坏，最终累计耗能小于PECSW4，说明轴压比太大会影响PEC剪力墙试件的耗能能力。

(3) 随着剪跨比的增大，同一水平幅值下每周耗能和累计每周耗能均随之减小很多。

在往复荷载作用下，滞回曲线的滞回环面积受到强度和刚度退化的影响，可采用等效黏滞阻尼系数he[14]来表征这一特性，具体计算结果如图14所示。由图14可知：

(1) 加载初期，水平位移较小，由于加载头连接处对缝隙和混凝土内部缝隙的挤压耗散了部分能量，加载装置误差所占比例较大，导致黏滞阻尼系数呈下降趋势；随着水平幅值的增大，等效黏滞阻尼系数基本随水平幅值的增大而增大。

(2) 随着轴压比的增大，等效黏滞阻尼系数随之增大，试件PECSW1～PECSW3的黏滞阻尼系数分别达到了0.16、0.22和0.25；试件PECSW5同累计耗能一样，由于提前两级加载破坏，最终等效黏滞阻尼系数小于PECSW4，说明轴压比太大会影响PEC剪力墙试件的耗能能力。

(3) 随着剪跨比的增大，等效黏滞阻尼系数随之减小，PECSW2、PECSW4、PECSW6的黏滞阻尼系数分别为0.25、0.22和0.18。

3 结 论

(1) 通过试验现象分析，由于纵向加劲肋的设置，将混凝土切分成了若干柱体，限制了墙体内部剪切裂缝的形成，PEC剪力墙试件在不同剪跨比和不同轴压比下均发生压弯破坏，破坏形式表现为：试件两侧下部水平约束部件断裂，混凝土压碎挤出，钢翼缘外鼓。

(2) 各试件极限层间位移角范围为1/56～1/80，均满足规范对罕遇地震下对组合剪力墙限值的要求，说明PEC剪力墙具有良好的变形能力。

(3) 随着轴压比的增大，试件的刚度和耗能能力呈先增大后减小的趋势，延性降低明显。

(4) 随着剪跨比的提高，试件的水平峰值荷载降低、极限层间位移角增大、刚度退化速度减缓、耗能能力下降明显。