建筑结构学报 Jour nal of Bu ildi ng Structures 第32卷第1期2011年1月V ol 32N o 1Jan 2011002文章编号:1000 6869(2011)01 0017 13三类钢板剪力墙结构试验研究郭彦林,周 明,董全利,王小安(清华大学土木工程系,北京100084)摘要:防屈曲钢板剪力墙已被试验证明是优秀的抗侧耗能构件,但墙板嵌入受弯框架时,二者之间的相互作用尚需进一步研究。
为此进行了两层单跨钢框架内嵌防屈曲钢板剪力墙的试验研究,作为比较同时进行了两层单跨钢框架内嵌非加劲钢板剪力墙与两层单跨钢框架内嵌组合钢板剪力墙结构的试验研究。
在试验的基础上,对试件进行有限元分析,比较了三类钢板剪力墙之间的性能差异。
研究表明,防屈曲钢板剪力墙能够消除无加劲钢板剪力墙在水平荷载下产生的巨大屈曲噪声,具有较大的初始刚度与承载力,拥有良好的延性与滞回耗能性能,而且由于其屈服先于屈曲发生,对周边框架产生的附加弯矩很小;组合钢板剪力墙的性能与防屈曲钢板剪力墙相似,但由于后期外包的混凝土发生脱离,内嵌钢板剪力墙会产生拉力带,不仅对框架产生不利影响,而且自身承载力、刚度与耗能能力均有不同程度的退化。
关键词:钢板剪力墙;非加劲;防屈曲;组合;拟静力试验;拉力场;滞回耗能;抗侧性能中图分类号:TU311 文献标志码:AExperimental study on three types of steel plate shearwallsunder cyclic loadi ngGUO Yan lin,ZHOU M i ng,DONG Quanl,i WANG X i aoan(Depart ment of C i vilEngi neeri ng,TsinghuaUn i versity,Beiji ng100084,Ch i na)Abstract:Buckli ng restra i ned steel plate shear wa ll(BR SPS W)has been pr oven to be an effective co m ponent for resisti ng lateral force and dissipati ng seis m ic energy.Ho w ever,perfor mances ofm o m ent resisti ng fra m e struct ures w ith steel plate shear walls,especially the i nteracti ons bet w een the w alls a nd the fra mes re ma i n to be i nvestigated.A n experm i ental study on a fra m e struct ure w ith BR SPS W under cyclic loadi ng w as carried out,and as a contrast t wo m ore e xperm i ents on fra m e str uctures w ith non st iffened a nd co mposite SPS W were c onducte d.A fi nite ele m e nt analysis on the three SPS W specm i ens w as m ade,and t he differences bet w een the three k i nds of SPS W s w ere discussed.It is sho wn that fra m e str ucturesw ith BR SPS W have litt l e buckli ng noise under lateral force,and possess better stiffness,larger ultm i ate l oadi ng capacity,better duct ility and m ore stable hysteresi s ener gy perfor m ance than fra m e structuresw ith non stiffene d SPS W.W ith its yieldi ng happens before buc kling,the unfavorable effect on the adjacent colu m ns i nduced by BR SPS W is substantially lo w er than non st iffened SPS W.Co mposite SPS W s have sm i ilar perfor mances w ith BR SPS W s,but after the covered concrete splits fro m the infill steel plate,te nsion f i eld which bri ngs additional m o m ents to the fra me colu mns appears in the steel plate,and ultm i ate l oad,st iff ness a nd energy dissi pating ability o f the w all all dege nerate sm i ulta neousl y.K ey wor ds:steel plate shear wal;l non stiffene d;buc k ling restrained;co mposite;pseudo static test;tensi on fiel d; hysteretic energy dissi pat i ng;lateral force resisting基金项目:国家自然科学基金项目(50778101),北京市自然科学基金项目(8092018)。
作者简介:郭彦林(1958 ),陕西富平人,工学博士,教授。
E ma i:l gy@l tsi nghu a edu cn收稿日期:2009年7月0 引言钢板剪力墙是一种新型抗侧力构件,具有良好的延性和耗能能力。
目前对无加劲钢板剪力墙的研究较多。
但传统的无加劲薄钢板剪力墙的不足之处也比较突出:在水平荷载作用下会发出巨大鼓曲声响并伴随很大的面外变形;在往复荷载作用下刚度会严重退化,滞回环不断捏拢致使耗能能力下降。
为解决上述问题,文献[1]提出了一种防屈曲钢板剪力墙(图1)。
在纯钢板剪力墙基础上,用预制混凝土盖板抑制内嵌钢板屈曲,混凝土盖板与内嵌钢板之间通过螺栓连接,但混凝土盖板上预留孔径要大于螺杆直径(孔径的大小由大震作用下钢板和混凝土盖板的相对滑移量决定),此关键构造是保证盖板与内嵌墙板有足够的滑动空间,通过二者可相互错动的变形机制释放盖板的面内受力,仅为钢板提供持续的面外约束。
图2 三类钢板剪力墙试件及加载示意图F ig .2 Three types speci m ens o f shear w all s and test set up此外,受 改进型!组合钢板剪力墙的启示[2],盖板与梁柱之间留有一定间隙(间隙的确定原则是大震作用下框架不应与盖板挤紧),避免混凝土盖板过早与框架接触而损坏。
文献[3]通过试验研究,证实了防屈曲钢板剪力墙性能的优越性。
试件的特点在于周边框架无限刚,且梁柱销接,目的是消除框架的影响,着重考察墙板本身的性能。
但在实际结构中,墙板往往与受弯框架一起协同抵抗水平剪力,墙板的性能变化对剪力的分担比例有一定影响,而且在周边框架构件刚度有限,框架与墙板共同抗侧的条件下,防屈曲剪力墙性能的优越性还需深入分析验证。
针对上述问题,本文对一个内嵌防屈曲钢板剪图1 防屈曲钢板剪力墙示意F i g .1 Confi gurati on of BR SPS W力墙(以下简称防屈曲墙)框架试件(图2a)进行试验研究。
为方便对比,对一个内嵌非加劲钢板剪力墙(以下简称非加劲墙)框架试件(图2b)与一个内嵌组合钢板剪力墙(以下简称组合墙)框架试件(图2c)也进行了试验。
试验旨在通过对比三类钢板剪力墙在低周反复荷载作用下的力学性能(包括强度、刚度、冗余度、滞回耗能、延性以及框架作用、节点区影响、墙板与框架的相互作用等),揭示不同类型钢板墙的受力差异。
此外,通过试验可评价不同类型钢板剪力墙诸多构造细节的受力表现,如非加劲墙中鱼尾板与边缘构件的连接构造、防屈曲墙中螺栓的排布形式及混凝土盖板的厚度等。
防屈曲墙作为一种新型抗侧力构件,从性能研究过渡到工程应用的关键在于提出简化的等代分析模型。
因此,仔细观察并分析试验现象,特别是内嵌墙板的变形模式和应力响应是试验的另一个关键目的。
需要提及的是,非加劲薄钢板剪力墙的等代分析模型Stri p M odel [4],其灵感就来源于以拉杆条去替代墙板试验时所观察到的直观拉力带。
1 试件设计与安装将试件设计为两层是为了反映结构楼层之间的相互作用及倾覆力矩对钢板剪力墙整体性能的影响,若将试件设计为二层以上,造价较高。
每类钢板剪力墙只制作一个试件,考虑进行少量的精致的性能试验,而不是用大量试件去做类似于参数分析的研究工作。
试件框架柱轴线间距为1300mm,总高度为3425mm,内嵌钢板尺寸为1100mm ∀1100mm,三类钢板剪力墙的内嵌钢板厚度均为2 2mm,板件宽厚比为 =500。
除内嵌钢板材质为Q 235外,试件其余部分材质均为Q345,目的是希望符合 强框架、弱墙板!的概念设计。
为方便内嵌钢板与周边框架的连接,在梁、柱内侧翼缘设6mm 厚的鱼尾板,避免内嵌钢板的加工误差或变形造成安装困难。
用于防屈曲墙试件的钢筋混凝土盖板在实验室预制并养护28d ,其尺寸为1000mm ∀1000mm,厚度为50mm,内置HPB235钢筋:6@100,且双向配置,单向体积配筋率约0 5%。
盖板上预留40螺栓孔,内嵌钢板相应位置的孔径为13,8 8级M 12高强度连接螺栓采用4∀4的排布形式,间距240mm,见图2b 与图2d 。
组合墙试件两侧的混凝土板厚度及配筋与防屈曲墙试件相同。
区别在于组合墙试件的混凝土盖板是与内嵌钢板整体现浇,且4∀4排布的22栓钉与内嵌钢板预先焊接。
为约束试件的平面外稳定,在非加劲墙试件的顶梁处布置了一道面外支撑,而防屈曲墙及组合墙在中梁附近又增布了一道面外支撑,其原因将结合试验过程详细说明。