第４３卷第５期　２０１１年１Ｏ月　西　安　建　筑　科技　大　学　学　报（自然科学版）　Ｊ．Ｘｉ　ａｎ　Ｕｎｉｖ．ｏｆ　Ａｒｃｈ．＆Ｔｅｃｈ．（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｖｏ１．４３　Ｎｏ．５　０ｃｔ．２０１１　

钢板剪力墙抗震性能的试验研究　

李　峰　，李　慎　，郭宏超　，王　栋　，刘建毅　

（１．西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安７１００５５；　２．中国石油天然气管道工程有限公司上海分公司，上海２００１２７）　

摘要：通过对非加劲、十字加劲、开洞和开洞开缝四组钢板剪力墙试件进行低周反复荷载试验，系统研究了　这四种形式钢板剪力墙的整体抗震性能，对比分析其滞回曲线、承载能力、抗侧移刚度和延性等性能指标．试　验结果表明：非加劲钢板剪力墙具有较高的抗侧移刚度和承载能力，而其滞回曲线却呈现出明显的捏缩效应；　非加劲钢板墙设置了十字加劲肋后，其滞回曲线的捏缩效应基本没有改变，而内填钢板的抗侧移刚度和承载　能力可大幅度提高；非加劲钢板墙开设了洞口或缝之后，内填钢板的抗侧移刚度和承载能力虽有所下降，但是　其滞回曲线很饱满，改善了非加劲薄钢板墙在循环荷载作用时零位移附近的零刚度、甚至负刚度现象，显著地　提高了其耗能能力．　关键词：钢板剪力墙；低周反复荷载；延性；滞回曲线　

中图分类号：ＴＵ３９２．４　文献标志码：Ａ　文章编号：１００６—７９３０（２０１１）０５—０６２３—０８　

钢板剪力墙作为一种新型的抗侧力构件，具有较高的侧向刚度和极限承载能力、较好的延性性能和　

耗ｔｔｔｔ力．对于薄钢板剪力墙的力学性能、试验研究和数值模拟，国内外已做了很多相关研究，理论成果　

较为成熟．文献［１］研究了钢板剪力墙的力学性能，给出了钢板墙的极限承载力、屈服点位移、边框刚度　

和强度等力学指标的有关算法；文献［２—３］分别对非加劲板和十字加劲板的屈曲后性能和极限承载力进　

行了详尽的研究，提出了钢板墙承载力的设计简化公式．已有研究结果表明：薄钢板墙的屈曲后强度远　

远大于其初始弹性强度，可以有效利用薄钢板在水平荷载作用下的屈曲后性能来耗散能量［４］，但是薄钢　

板在循环荷载作用下的滞回曲线有明显的捏缩效应［５＿６］，在零位移附近有零刚度甚至负刚度的现象［７］，　

薄钢板墙的力学性能有待进一步改善．已有关于钢板墙的研究成果大体只针对一种板型进行研究，本文　

依据薄钢板墙的已有研究理论，主要研究薄钢板设置十字加劲肋、开设洞口和开设缝，通过改变墙体的　刚度和改变结构型式，从而改变薄板的受力性能，对比分析不同形式钢板墙在循环荷载作用下的抗侧力　

性能，综合分析薄钢板墙改变结构形式后滞回性能的变化．　

１　试验概况　

１．１试件设计　

试验采用四组比例为１：３的单层单跨钢板墙试件，四组试件分别为非加劲钢板剪力墙（以下简称　ＳＰＳＷ—Ｈ）、十字加劲肋钢板剪力墙（以下简称ＳＰＳＷ－ＨＳ）、开洞钢板剪力墙（以下简称ＳＰＳＷ—ＨＤ２）和　

开洞开缝钢板剪力墙（以下简称ＳＰＳＷ—ＨＤ１）．　

四组试件采用同样的钢框架，材料均为Ｑ２３５钢，跨度为１　２００　ｍｍ，层高为１　５００　ｍｍ，地梁截面为　

ＨＭ４４０×３００×１１×１８，框架梁截面为ＨＮ３００×１５０×６．５　Ｘ　９，框架柱截面为ＨＷｌ５０×１５０×７×１Ｏ，内　

填板的厚度均为３．５　ｍｍ，柱帽尺寸为一２００×２００×２０，梁柱节点和柱脚节点均为刚接．ＳＰＳＷ—Ｈ为内　

填整块薄板，四周用耳板与框架连接成整体，如图１所示；ＳＰＳＷ－ＨＳ是在非加劲钢板墙模型的基础上，　

收稿日期：２０１０－０５－２４　修改稿日期：２０１１－０７－１２　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０８７８１８１）　作者简介：李

峰（１９６３一），女，河南郑州人，副教授，博士，主要从事钢结构教学与研究　６２４　西安建筑科技大学学报（自然科学版）　第４３卷　

在中间部分设置截面为一４０Ｘ　３．５的横向１和竖向加劲肋，如图２所示；ＳＰＳＷ—ＨＤ２是在非加劲钢板墙　

的加载柱一侧开设宽度为３００　ｍｍ的通长洞Ｉ＝Ｉ，薄钢板在洞口一侧通过三条加劲肋来加强，加劲肋截面　

尺寸分别为－－８０Ｘ３．５和－－９３Ｘ３．５，如图３所示；ＳＰＳＷ—ＨＤ１除了开设３００　ｍｍ的通长洞１：３，在薄板中　

部开设９条狭长缝，缝高２４０　ｍｍ，缝宽５　ｍｍ，缝间距５５　ｍｍ，洞口处设置一条加劲肋，加劲肋截面尺寸　

为：一８０　Ｘ　３．５如图４所示．　

图１　ＳＰＳＷ—Ｈ　Ｆｉｇ．１　Ｓｐｅｃｉｍｅｎ　ＳＰＳＷ－Ｈ　

图３　ＳＰＳＷ—ＨＤ２　

Ｆｉｇ．３　Ｓｐｅｃｉｍｅｎ　ＳＰＳＷ—ＨＤ２　矧　二Ⅱ＝　ＪＬ社　＝　Ｈ日舷Ｉ　×９　二Ⅱ＝　二　ｉ　

＿＿——　＿＿——　

．６ｏ　●６Ｏ　＝＝‘＝＝＝一　§　目　—４伽‘　５　＼　５　

●　…　０　协　…ｌ　ｉ　

【　

图２　ＳＰＳＷ—ＨＳ　Ｆｉｇ．２　Ｓｐｅｃｉｍｅｎ　ＳＰＳＷ—ＨＳ　

８ＩｎＤＤＩｉｌＤｉ］　

：　－一∞×３５　１　－…一一－４　

图４　ＳＰＳＷ—ＨＤ１　Ｆｉｇ．４　Ｓｐｅｃｉｍｅｎ　ＳＰＳＷ－ＨＤ１　

１．２材性试验　

试样取样及尺寸根据《金属材料室温拉伸试样方法））（ＧＢ／Ｔ２２８—２ｏ０２）Ｅ。　和《钢材力学及工艺性能试　

验取样规定））（ＧＢ／Ｔ２９７５—１９９８）　的有关规定进行试验，实测结果见表１，表中数据均为平均值．　

表１材性试验结果　Ｔａｂ．１　Ｍａｔｅｒｉａ１　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　

１．３加载方案　

依据ＪＴＧ１０１—９６《建筑抗震试验方法规程》［

　］，采用力和位移双控制加载．首先施加竖向荷载，在每　第５期　李　峰等：钢板剪力墙抗震性能的试验研究　６２５　

个柱顶同步施加４００　ｋＮ的轴向压力，分两级加载，第一级加载完毕检查各仪表是否工作正常．整个试　

验过程保持竖向荷载不变，然后施加水平荷载．水平荷载施加采用力和位移双控制方法，试件屈服前采　

用荷载控制，每级增量为１００　ｋＮ，循环一次；试件屈服后，以位移控制加载，每级增量为屈服位移的倍　

数，每级循环三次，直到试件破坏，加载循环示意图如图５所示．试验中水平力采用悬臂式加载法．水平　

力由１　０００　ｋＮ拉压千斤顶施加，加载器两端铰接于试件左端并与钢筋混凝土反力墙连接，试验加载装　

置见图６．　

Ｌｏａｄｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　

图５　加载循环示意图　

Ｆｉｇ．５　Ｌｏａｄｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　—　一　一　一　下　一　上　．Ｌ　．＿－　一　—・——　ＪＬ　Ｑ■■■■●■　｜　．　岫　ｍ　

ｌ　Ｉ　Ｉ　ＩｌＩ　

图６试件加载装置　

Ｆｉｇ．６　Ｌｏａｄｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｐｅｃｉｍｅｎ　

为了测得试件变形，在试件上共布置了７个位移计（用ｗ表示）和５个百分表（用Ｄ表示）共１２个　

测点，ＳＰＳＷ—Ｈ和ＳＰＳＷ—ＨＤ１的测点具体布置如图７所示，ＳＰＳＷ—ＨＳ和ＳＰＳＷ—ＨＤ２测点布置分别与　

ＳＰＳＷ—Ｈ和ＳＰＳＷ—ＨＤ１相同．　

匝　匝　Ｄ３　６　。Ｗｌ　

｝．Ｖ¨ｂ４　：　－　Ｉ　Ｉ　Ｗ２　！　ｉ　！；　Ｗ６　；　

－．Ｗ５　ｌ　ＩＢ－　Ｉ　ｌ　Ｗ３　：Ｗ７ｉ　：　Ｉ　ｌ　Ｄ２　：　ｏ　Ｄｌ　

．１　ＩＩ　ｌＩ　ｌＩ　

（ａ）ＳＰＳＷ－Ｈ　匝　匝　二Ⅱ＝　Ｄ３　二Ⅱ＝　６　Ｗｌ　

－　Ｄ４　０Ｗ２　Ｗ４　

Ｗ６　－●　－Ｗ３　Ｗ５　Ｗ７　■　Ｄ２　ｏ　ｏＤｌ　¨　ｉ－　¨　¨　¨　¨　¨　ｌｌ　¨　¨　ｌｌ　¨　

图７　测点布置图　

Ｆｉｇ．７　Ｌａｙｏｕｔ　ｏｆ　ｇａｕｇｅ　ｐｏｉｎｔｓ　（ｂ）ＳＰＳｗ－ＨＤ１　Ｄ５　

１．４试验现象　ＳＰＳＷ－Ｈ试验现象：在前两个加载级，试件整体没有明显变形，随着荷载增大，沿板斜对角线方向　

产生面外变形，加载控制位移比较小时，面外变形能够完全恢复，在反向加载到零位移附近时，内填板产　

生明显的“呼吸效应”．加载侧移进一步增大，内填板面外变形不能完全恢复，随着加载循环的持续，拉压　

产生的残余变形不断累积，形成交叉的波纹状变形．在加载后期，梁柱节点处翼缘屈曲，柱脚节点发生撕　

裂，加载柱出现明显的面外弯扭变形，内填板的中心部位由于反复拉压下的累积变形发生开裂，不适于　

继续承载，试验结束．　

ＳＰＳＷ—ＨＳ试验现象：在前四个加载级，试件没有明显的试验现象；１倍屈服位移加载级，试件产生　

了面外变形，并伴随着巨大响动；加载控制位移为３倍屈服位移时，柱脚焊缝开裂，随着加载循环的持　㈣啪啪伽差

暑。瑚伽　咖咖　６２６　西安建筑科技大学学报（自然科学版）　第４３卷　

续，裂缝不断延伸，在此加载级后期，柱脚腹板处焊缝开裂达一半，外侧翼缘焊缝开裂贯通；在４倍屈服　

位移加载级，板加劲肋屈曲比较明显，柱脚腹板开裂贯通，加载最后板加劲肋被撕裂断开，失去作用，板、　

柱面外变形严重，柱脚柱顶多处开裂，试验结束．　

ＳＰＳＷ—ＨＤ１试验现象：在力控制加载时，板产生了轻微的面外变形，卸载后变形消失，试件处于弹　

性工作阶段；在１倍屈服位移加载级，板的推拉变形都比较明显，内填板开始出现残余变形；在３倍屈服　

位移加载级，内填板的左侧加劲板条出现明显扭转和弯曲，变形呈百叶状，同时，加载柱的翼缘发生局部　

屈曲；在４倍屈服位移加载级，柱上下端翼缘均发生明显的屈　曲变形；在５倍屈服位移加载级时，梁端翼　

缘发生屈曲，板的角部焊缝开裂；在６倍屈服位移加载级，板边加劲肋变形严重，梁柱节点和柱脚节点均　

发生屈曲、开裂，缝间壁弯曲变形严重，试验结束．　

ＳＰＳＷ—ＨＤ２试验现象：在前两个加载级，试件没有明显反应；在４００　ｋＮ加载级时，板的面外变形不　

能完全恢复，开始出现残余变形，板的面外鼓出伴随着较大震动响声；在３倍屈服位移加载级，柱上端下　

端的翼缘均出现明显的屈曲变形；在４倍屈服位移加载级，加载柱下端外侧翼缘焊缝处裂缝贯通，上端　

开裂达３／４，此加载级后期，板中部撕裂，柱脚节点和梁柱节点多处屈曲变形、开裂严重，试件达到极限　

状态，试验结束．四种试件最终破坏见图８所示．　

２试验结果分析　（ｂ）ＳＰＳＷ－ＨＳ　（ｃ）ＳＰＳＷ・ＨＤ　１　（ｄ）ＳＰＳＷ－ＨＤ２　

图８最终破坏图　

Ｆｉｇ．８　Ｔｈｅ　ｆｉｎａｌ　ｄａｍａｇｅ　ｆｉｇｕｒｅ　ｏｆ　ｓｐｅｃｉｍｅｎ　

２．１滞回曲线　以加载点处的相对侧移量作为横坐标（侧移量采用柱顶相对于底梁的相对侧移值），单位为ｍｍ；以　

水平力为纵坐标，单位为ｋＮ．各个试件的滞回曲线如图９所示．　

由ＳＰＳＷ—Ｈ的滞回曲线可以看出：试件加载初期，滞回曲线基本是过原点的直线，同级荷载作用　

下，滞回环几乎重合，所包围的面积非常小，在这一阶段，试件的初始刚度大，耗能少，试件处于弹性工作　

阶段；随着加载循环次数增多，内填钢板部分屈曲，试件刚度不断下降，滞回环开始张开，所包围的面积　

也越来越大，试件处于弹塑性工作阶段；在位移控制加载级，试件承载力、刚度退化明显，两个构件的滞　

回曲线呈现相似的捏拢形状，滞回环均呈捏缩形状．随着加载位移的增大，滞回环捏缩效应越明显，在零　

位移附近，钢板墙出现零刚度甚至负刚度的现象…］．由图９可以看出，ＳＰＳＷ—Ｈ的滞回曲线表现出推拉　

方向不对称，曲线明显偏向拉方向，这是由于加载的不对称性造成的．　

ＳＰＳＷ—ＨＳ的滞回曲线形状与ＳＰＳＷ—Ｈ滞回曲线形状相似，都是经过弹性阶段的曲线线性变化、　

加载位移增大后曲线张开、反向加载时曲线出现明显的捏缩效应和达到极限荷载后仍有良好的位移延　

性性能几个阶段．由纵坐标荷载值可以看出，ＳＰＳＷ—ＨＳ的极限承载能力比ＳＰＳＷ—Ｈ高出很多，设置加　

劲肋后把薄钢板分成了不同的区格，阻碍了整块钢板的拉力带形成，拉力带分别在不同的区格内发展，　

从而改变了薄钢板的受力性能，提高了其承载能力．