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裝配式鋼板剪力墻與鋼梁連接的試驗研究

2016-03-11 16:51:03 安裝信息網(wǎng)

李幗昌張雪楊志堅

（沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，沈陽 110168）

摘要：雙魚尾板連接件是一種新型裝配式鋼板剪力墻與鋼框架梁的連接形式。對這種新型連接形式和傳統(tǒng)的單魚尾板連接件進行單調(diào)荷載和往復(fù)荷載作用下的試驗研究，研究兩種連接件的承載能力、剛度、延性和耗能能力，為裝配式鋼板剪力墻的抗震設(shè)計和工程應(yīng)用提供參考。試驗結(jié)果表明，雙魚尾板連接件連接構(gòu)造合理、傳力可靠、具有更高的剛度和承載力，能為鋼板剪力墻提供更強的約束作用，其延性和耗能能力均優(yōu)于單魚尾板連接件。

鋼板剪力墻是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型抗側(cè)力構(gòu)件，具有良好的延性和耗能能力，廣泛應(yīng)用于高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)中。鋼板剪力墻單元由內(nèi)嵌鋼板和豎向邊緣構(gòu)件（柱或豎向加勁肋）、水平邊緣構(gòu)件（梁或水平加勁肋）構(gòu)成，內(nèi)嵌鋼板與梁、柱之間通過魚尾板連接。與鋼筋混凝土剪力墻相比，鋼板剪力墻大大降低了結(jié)構(gòu)自重，減輕了基礎(chǔ)的負擔(dān)，節(jié)約使用空間，并能有效地降低結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)，剛度與鋼框架可更好地匹配，使其優(yōu)越的抗震性能得以充分發(fā)揮。在實際工程中，鋼板剪力墻通過工廠預(yù)制、現(xiàn)場裝配等工業(yè)化程序，大大提高了施工速度，節(jié)省了施工費用，是一種非常有效且經(jīng)濟的抗側(cè)力構(gòu)件。

目前，國內(nèi)外針對與周邊框架梁、柱均連接（四邊連接）鋼板剪力墻的研究和應(yīng)用較多，但鋼板對框架柱的作用力較大，可能導(dǎo)致框架柱過早發(fā)生破壞。鑒于上述問題，Xue和Lu于1994年率先提出兩邊連接鋼板剪力墻。兩邊連接鋼板剪力墻由鋼板和周邊框架組成，鋼板通過高強螺栓或焊縫僅與框架梁連接。這種剪力墻消除了內(nèi)嵌鋼板對柱子的依賴，避免了框架柱過早發(fā)生破壞；且兩邊連接鋼板剪力墻布置靈活，便于門窗、過道的布置，還可根據(jù)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的需求，在結(jié)構(gòu)體系中設(shè)置不同跨高比的鋼板剪力墻。美國AISC 341 - 05( 2005)、FEMA 450( 2003)、加拿大CAN/CSA S16 - 94( 2001)等規(guī)范中要求鋼板剪力墻僅承受水平剪力的作用，豎向荷載由結(jié)構(gòu)中的邊緣約束構(gòu)件承擔(dān)。因此，工程實踐中一般在主體框架施工完成后再安裝鋼板剪力墻。

鋼板剪力墻與鋼框架的連接設(shè)計是裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，目前常用的連接形式主要包括螺栓連接和焊縫連接。工程中由于設(shè)計不合理、連接強度不足，焊縫開裂等情況時有發(fā)生，因此合理的連接形式是預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)得以廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。目前對于裝配式鋼板剪力墻與鋼梁連接構(gòu)造的研究幾乎空白，針對這一研究現(xiàn)狀，本文對一種新型裝配式鋼板剪力墻與鋼梁的連接形式（雙魚尾板連接件連接）和傳統(tǒng)的單魚尾板連接形式進行單調(diào)荷載和往復(fù)荷載試驗，對其承載能力、剛度、延性、耗能能力等進行對比分析，可為裝配式鋼板剪力墻在工程中的應(yīng)用提供參考。

1試驗概況

1.1 試件設(shè)計

本試驗設(shè)計了兩組試件，即單魚尾板連接件和新型雙魚尾板連接件，共4個1：3縮尺的試件，其構(gòu)造示意如圖1所示。試驗加載鋼梁選用HW350×350×10 x16，長度為900 mm，在加載鋼梁上焊接肋板來保證加載鋼梁的局部穩(wěn)定。為實現(xiàn)本試驗所需要的加載條件，在試件加載鋼梁的一端焊接鋼板，用于與試驗的自反力架及加載設(shè)備MTS連接，鋼板尺寸為560 mm x560 mm x30 mm，試件兩側(cè)與連接板焊接用于與固定裝置相連，如圖2所示。加載鋼梁與連接件、連接件與鋼板墻之間均為角焊縫連接，兩種連接件的構(gòu)造及尺寸如圖3所示。試件各構(gòu)件幾何尺寸及試件編碼見表1。

1.2 材性試驗

本試驗所用鋼材均選用Q235B。鋼材的材料力學(xué)性能由標(biāo)準(zhǔn)單向拉伸試驗確定，測得材性指標(biāo)如表2所示。

1.3 試驗裝置

本試驗在沈陽建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實驗室完成。加載平臺采用1 200 kN的自反力架，采用1 500 kN的MTS液壓式伺服加載系統(tǒng)進行加載，作動器行程為±250 mm。試驗試件與固定裝置采用M20高強度螺栓摩擦型相連，為防止試件平面內(nèi)失穩(wěn)，固定裝置與支撐采用焊接連接，支撐與實驗室地錨孔通過壓梁、地錨栓連接固定。在加載鋼梁平面外方向設(shè)置一對側(cè)向支撐，來保證平面外穩(wěn)定，并在側(cè)向支撐與加載鋼梁間設(shè)置滑板來考慮加載過程中摩擦過大對試驗結(jié)果的影響，液壓式伺服作動器一端固定在自反力架上，另一端與加載鋼梁相連來施加荷載作用，試驗裝置如圖4所示。

1.4 加載制度

正式試驗前先對試件進行預(yù)加載，使試件與試驗裝置間接觸良好，檢查試驗裝置與采集設(shè)備是否正常。單調(diào)加載試驗采用荷載控制分5級加載至屈服（試件荷載一位移曲線出現(xiàn)明顯拐點），屈服后緩慢連續(xù)加載至試件破壞。低周往復(fù)試驗加載按照JGJ 101-96《建筑抗震試驗方法規(guī)程》規(guī)定采用荷載一位移雙控制加載制度。正式加載時，試件屈服前采用荷載控制并根據(jù)預(yù)估的屈服荷載分3級加載直至屈服，每級荷載循環(huán)一次；試件屈服后，采用位移控制加載，并以屈服位移值的倍數(shù)為級差進行控制加載，每級荷載循環(huán)兩次。

1.5 數(shù)據(jù)采集

試驗中所施加的荷載由MTS加載裝置自動測得；在加載鋼梁下端布置位移計來測量鋼梁的實際位移，避免由于螺栓滑移和連接間隙對試驗結(jié)果的影響；并在鋼板墻上布置對稱的位移計測量試件的面外變形；在鋼板墻的中部和角部對稱布置應(yīng)變花，量測在受力過程中鋼板剪力墻的應(yīng)力變化，其數(shù)值由DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。

2試驗現(xiàn)象

2.1 試件DLD的試驗現(xiàn)象

加載初期，并無明顯變化；當(dāng)加載至100 kN時，試件開始發(fā)出響聲；繼續(xù)加載至370 kN時，鋼板剪力墻出現(xiàn)較小的平面外變形，試件開始屈服，此時對應(yīng)的屈服位移為0. 93 mm；當(dāng)加載至600 kN時，鋼板剪力墻的平面外變形增大到4.42 mm；當(dāng)荷載增加到830 kN時，鋼板剪力墻發(fā)生明顯屈曲變形，試件發(fā)生失穩(wěn)破壞，停止加載，此時鋼板剪力墻的平面外變形達到13. 43 mm，試件破壞形態(tài)如圖5所示。

2.2 試件SLD的試驗現(xiàn)象

加載初期，試件處于彈性階段并未觀察到明顯變化；當(dāng)加載到180 kN時，鋼板剪力墻開始出現(xiàn)平面外變形；當(dāng)加載至470 kN時，試件屈服，此時對應(yīng)的屈服位移為0. 89 mm，鋼板剪力墻的平面外變形為2. 47 mm；繼續(xù)加載，鋼板剪力墻的變形增大，當(dāng)荷載達到1 000 kN時，鋼板剪力墻平面外變形為7. 57 mm，屈曲變形明顯，試件破壞，停止加載，試件破壞形態(tài)見圖6。

2.3 試件DLW的試驗現(xiàn)象

加載初期，試件處于彈性階段并無明顯變化；當(dāng)加載至±80 kN時，鋼板剪力墻開始出現(xiàn)平面外變形；加載至±350 kN時，試件開始屈服，此時對應(yīng)的屈服位移為2. 06 mm，可以觀察到鋼板剪力墻有較小的平面外變形，變形值為2.5 mm；繼續(xù)加載至±4 mm時，平面外變形增大到7.94 mm；繼續(xù)加載至±6 mm時，鋼板剪力墻平面外變形達到12. 72 mm；當(dāng)加載至±8 mm時，觀察試件發(fā)生明顯的平面外鼓曲，其平面外變形值為15. 75 mm；繼續(xù)加載，試件及裝置發(fā)出連續(xù)的響聲；當(dāng)加載至±9 mm時，鋼板剪力墻平面外變形達到17.3 mm，停止加載。試件發(fā)生失穩(wěn)破壞，MTS的連接鉸有明顯的平面外轉(zhuǎn)動，卸載后發(fā)現(xiàn)試件有較大的殘余變形，試件破壞形態(tài)如圖7所示。

2.4 試件SLW的試驗現(xiàn)象

在彈性階段，加載初期的幾個荷載循環(huán)并無明顯變化；當(dāng)加載至±100 kN時，鋼板剪力墻開始出現(xiàn)平面外變形；當(dāng)加載至±480 kN時，試件開始屈服，此時對應(yīng)的屈服位移為1.16 mm；加載到±3 mm，可以觀察到鋼板剪力墻有平面外變形，變形值為8.43 mm；繼續(xù)加載至±5 mm時，可以觀察到鋼板剪力墻與支撐處焊縫出現(xiàn)開裂；加載至±7 mm，鋼板剪力墻平面外變形達到43. 14 mm，鋼板剪力墻連接處出現(xiàn)裂紋；繼續(xù)加載，試件及裝置發(fā)出較大響聲，鋼板剪力墻平面外變形明顯，平面外變形達到49.7 mm�？拷B接件處的鋼板剪力墻被撕裂，鋼板剪力墻與支撐處的焊縫被撕裂，完全斷開，試件破壞，停止加載。試件破壞形態(tài)如圖8所示。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1試件荷載一位移單調(diào)加載曲線

圖9為試件DLD與SLD的P-△單調(diào)加載曲線，加載初期兩種試件的曲線非常接近，荷載和位移呈線性關(guān)系增長，試件處于彈性階段；隨著荷載的增加，試件開始屈服，曲線呈現(xiàn)出非線性特征，試件進入塑性工作狀態(tài)；繼續(xù)加載，曲線逐漸趨于平緩，試件達到極限承載力。兩種試件單調(diào)荷載-位移曲線的主要指標(biāo)列于表3，可以得出試件SLD的承載力較DLD提高了21. 4%，剛度退化緩慢，延性較好。

3.2試件荷載一位移滯回曲線

圖lOa為試件DLW的P-A滯回曲線。從圖中可以看出，加載初期，試件荷載一位移曲線呈線性，形成的滯回環(huán)面積較小，結(jié)構(gòu)在近似彈性階段工作。隨著荷載的增大，鋼板剪力墻發(fā)生了平面外位移，墻體發(fā)生屈曲變形，曲線開始呈現(xiàn)非線性，滯回環(huán)的面積略有增大，殘余變形增大，荷載緩慢上升，鋼板剪力墻屈曲變形的增大導(dǎo)致試件發(fā)生失穩(wěn)破壞，隨即停止加載。

圖lOb為試件SLW的P-Δ滯回曲線，從圖中可以看出，在彈性階段，試件的承載力隨著位移的增加呈線性增長，剛度較大，形成的滯回環(huán)面積較小，耗能能力較差，正向和反向加載曲線基本對稱；隨著荷載的增大，曲線呈現(xiàn)非線性，滯回環(huán)的面積逐漸增大，由于鋼板剪力墻屈曲后卸載至零位移時，鋼板并不能恢復(fù)至初始的受力狀態(tài)，使得正反兩個方向的曲線稍有差異，試件達到極限承載力后，剛度退化緩慢，耗能能力良好，承載力逐漸下降。

3.3 骨架曲線

圖11為兩種試件的骨架曲線，加載初期，試件SLW與DLW的承載力與剛度幾近相同，隨著荷載的增大，兩種曲線呈現(xiàn)不同的發(fā)展趨勢，試件SLW的剛度明顯大于DLW，曲線呈線性發(fā)展。隨著位移的增加，試件DLW的骨架曲線相對試件SLW的骨架曲線變得平緩，說明鋼板剪力墻與鋼梁采用單魚尾板連接形式的剛度退化明顯，這也表明在試件破壞前，雙魚尾板連接件對鋼板剪力墻的約束作用較強，連接件與鋼板剪力墻的協(xié)同工作性能較好，延緩了鋼板剪力墻的屈曲變形。試件SLW到達極限承載力后，隨著位移加載的增大，承載力緩慢下降，剛度退化，具有較好的延性和耗能能力。兩種試件骨架曲線的正向加載主要指標(biāo)列于表4中，位移延性系數(shù)μ為極限位移△u和屈服位移△y之比，其中極限位移△u取荷載降至85%Pm（Pm為峰值荷載）對應(yīng)的位移。從表4中可以看出：試件SLW的延性系數(shù)高于試件DLW，具有更好的延性。

3.4 剛度退化

本文取各級循環(huán)的割線剛度來反映試件在低周往復(fù)荷載作用下的剛度退化的特性，圖12為兩個試件的割線剛度K隨△的變化曲線。由圖中可以看出，兩個試件的割線剛度均隨水平位移的增大而降低，但降低的幅度逐漸減�。怀跗谠嚰LW比DLW具有更高的剛度，但由于試件裂紋的開展剛度下降較快。

3.5 耗能能力

試件的耗能能力，一般常用荷載一位移滯回曲線所包圍的圖形面積來度量。根據(jù)JGJ 101-96中規(guī)定，結(jié)構(gòu)抗震耗能能力的優(yōu)劣可以用能量耗散系數(shù)E來衡量，它表征了滯回環(huán)的飽滿程度，能量耗散系數(shù)越大，則滯回環(huán)越飽滿。兩種試件在各級荷載下的E-A曲線如圖13所示。加載初期兩種試件的滯回環(huán)面積較小，耗能較少，隨著荷載的增大，滯回曲線變得飽滿，結(jié)構(gòu)的耗能能力也在逐漸增強，加載后期試件SLW表現(xiàn)出良好的耗能能力，能量耗散系數(shù)明顯大于試件DLW，說明采用新型雙魚尾板連接的試件耗能能力有大幅提高。