軸壓比與剪跨比對部分包覆鋼-混凝土組合剪力墻抗震性能影響研究

楊宇焜, 赫約西,2, 蔣 路, 徐國軍, 黃亞男

(1. 浙江綠筑集成科技有限公司, 上海 201199； 2. 北京工業大學 城市建設學部, 北京 100124；3. 同濟大學 土木工程學院, 上海 200092)

部分包覆鋼-混凝土組合剪力墻(partially encased composite shear wall，PEC剪力墻)是主鋼件采用工字鋼與鋼板焊接，并在翼緣與縱向加勁肋間設置一定間距的橫向拉結筋(鋼筋或扁鋼)，主鋼件外周輪廓間澆筑混凝土形成的一種新型裝配式鋼-混凝土組合剪力墻，構造如圖1所示。

近年來，國內外學者對部分包覆鋼-混凝土組合梁(PEC梁)、部分包覆鋼-混凝土組合柱(PEC柱)和部分包覆鋼-混凝土組合梁柱節點(PEC梁柱節點)等方面進行了大量的研究[1-3]，結果表明：相較于鋼構件，由于混凝土的存在，PEC構件不會過早發生局部屈曲，且耐火性能顯著提升；相較于鋼筋混凝土構件，PEC構件表現出組合構件傳統優勢，強度和延性相對提升，且主鋼件作為天然模板，制作時無需大量支模，提高施工效率。而剪力墻作為側向受力構件，被大量應用于中高層建筑，但目前針對PEC剪力墻的研究還很少?；诖?，張其林等[4]對3種不同構造形式的PEC短肢剪力墻進行研究，結果表明：裝配式PEC短肢剪力墻具有良好的延性和耗能能力。石韻等[5]對1榀三層混合連肢PEC剪力墻進行研究，結果表明：該結構抗震性能及協同工作性能良好，鋼連梁和PEC剪力墻均表現出良好的延性和耗能能力。張莉莉等[6]在PEC連肢剪力墻試驗基礎上進行了結構彈塑性時程分析，結果表明：在罕遇地震下，結構的連梁和框架梁作為第一道防線先發生屈服，結構最大彈塑性層間位移角滿足彈塑性層間位移角限值。

不同軸壓比下的抗震性能決定了PEC剪力墻在中、高層建筑中的使用范圍，PEC剪力墻在不同剪跨比下表現出不同的破壞形式。為進一步研究此類剪力墻的受力性能，本文通過6個PEC剪力墻試件的擬靜力試驗研究，分析軸壓比和剪跨比對PEC剪力墻抗震性能的影響，完善PEC剪力墻的抗震設計理論。

1 試驗概況

1.1 試件設計

以軸壓比n和剪跨比λ為主要試驗參數，參考國家規程和實際工程應用，本試驗共設計了6個足尺PEC剪力墻試件，編號為PECSW1～PECSW6，具體設計參數見表1。同一剪跨比下PEC剪力墻的外觀尺寸、鋼筋和型鋼規格、材料強度等均一致。試件底部750 mm加密區邊區格水平布置連桿(扁鋼)，中區格水平布置鋼筋，間距為100 mm；非加密區腔體均水平布置鋼筋，間距200 mm。其中扁鋼截面高30 mm、厚4 mm；鋼筋直徑為10 mm，試件具體幾何尺寸見圖2。

表1 試件基本參數

1.2 材料性能試驗

試件中鋼板強度等級均采用Q235，鋼筋采用HRB400，墻身混凝土強度等級為C30，加載梁和底座采用Q355B制作。墻身混凝土分兩批澆筑成型，即先澆筑鋼腹板一側的混凝土，在常溫下自然養護7 d后，翻身澆筑另一側混凝土。根據GB 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[7]，每批混凝土澆筑時預留6個尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的混凝土標準試塊，同條件同期養護后進行混凝土材性試驗。鋼材力學性能見表2，混凝土力學性能見表3。

表2 鋼材力學性能

表3 混凝土力學性能

1.3 試驗裝置及加載制度

本試驗在同濟大學防災減災國家重點實驗室完成，試件底部設置剛性底座，通過地錨螺栓與實驗室地梁連接；試件頂部設置剛性加載梁，通過螺栓與豎向荷載分配梁連接。反力裝置采用400 t龍門架和反力墻，豎向采用額定荷載為400 t的千斤頂加載，水平向分別采用兩個±100 t作動器并聯加載，并布置1個±30 t作動器保證墻頂與千斤頂共同作用。試件的加載梁左端通過水平連接裝置與水平伺服作動器連接，加載梁上端由剛性分配梁將豎向千斤頂作用的集中荷載轉化為均布荷載，試驗加載裝置和現場布置如圖3所示。

(a) 試驗加載裝置

試驗采用分級擬靜力往復加載制度，正式加載前需要先進行預加載，分三級施加豎向荷載，進行豎向對中調整。正式加載時首先通過千斤頂逐級施加豎向荷載，達到設計軸壓比后，荷載維持不變，通過2臺±100 t水平作動器施加水平荷載。根據JGJ/T 101—2015《建筑抗震試驗方法規程》[8]，水平荷載加載采用位移控制：試件屈服前，位移級差為1 mm，每級反復加載1次。當試件兩側翼緣板下部達到屈服應變時，認為試件進入屈服狀態，此時對應的位移Δy為屈服位移，位移級差更改為1倍屈服位移Δy，每級重復加載3次。試件無法穩定承載額定豎向荷載，或兩個方向的最大水平荷載均下降至試件整體加載峰值荷載的85%以下時，停止試驗，認定試件發生破壞。其中，加載制度如圖4所示，以水平作動器推為正向加載，拉為負向加載；試件與水平作動器連接側為左側，另一側為右側；試件刷有白色涂漆并畫有10 cm方格一側為正面，另一側為背面。

1.4 測點布置

加載梁中部內、外兩側對應位置各布置一個水平位移計，取二者讀數的平均值作為試件在水平荷載加載高度處的位移，以此判斷試件扭轉對位移測值的影響。加載梁底板、試件頂部和試件底板處各布置一個水平向位移計，二者測量結果的差值為螺栓連接處的滑移，后續試驗數據去除滑移的影響。試件底板左右兩側各設置一個豎向位移計，測得基礎轉角的影響。試件左右兩側分別設置連續豎向位移計，獲取各高度區間內彎曲變形。試件背面設置2-3道斜向交叉位移計，獲取各高度區間的剪切變形。試件背面中部左右兩側布置兩個面外位移計，檢測加載過程中的整體穩定性。整體位移計布置圖如圖5所示。

圖4 加載制度

(a) 試件PECSW1～試件PECSW3

2 試驗結果及其分析

2.1 試驗現象及破壞形態

試驗過程中，各試件在墻體中下部均有不同數量的斜裂縫出現，但由于PEC剪力墻中混凝土被縱向加勁肋分割成相互獨立的混凝土長細柱，試件的最終破壞形態均為典型的壓彎破壞。以PECSW1試驗現象為例：當位移角達到1/750時，試件邊區格中下部出現多條水平裂縫，如圖6(a)所示；隨后裂縫分布區域變大，數量增多；當位移角達到1/150時，左側邊區格腳部混凝土表皮略有鼓突，右側邊區格腳部混凝土表皮小塊脫落；當位移角達到1/80時，兩側邊區格下部混凝土表皮大塊脫落，綴板露出，兩側翼緣下部發生略微屈曲，如圖6(b)所示；當位移角達到1/75時，試件下部表層混凝土嚴重脫落，兩側翼緣下部略微屈曲，縱向加勁肋屈曲程度明顯，如圖6(c)所示；當位移角達到1/68時，試件下部混凝土損傷嚴重，兩側翼緣下部嚴重屈曲，縱向加勁肋嚴重屈曲，兩側承載力均下降至峰值荷載的85%以下，如圖6(d)所示。

(a) 位移角1/750

整體來看，PEC剪力墻試驗過程大致描述如下：加載初期，墻體受拉側混凝土表面出現多條水平裂縫；隨著屈服位移倍數的增加，PEC剪力墻試件兩側下部水平約束部件斷裂，混凝土壓碎擠出，鋼翼緣外鼓；破壞時墻體底部有效截面面積變小，剛度減小，受彎占據主導作用，試件發生壓彎破壞，其它試件最終破壞形態如圖7所示。

(a) PECSW2

2.2 滯回曲線

試件的水平荷載-位移滯回曲線如圖8所示。由圖可知，各試件的滯回曲線呈較為飽滿的梭形，無明顯的捏縮現象，呈現良好的耗能能力：

(1) 加載初期，各試件滯回曲線近似為一條直線，基本不產生殘余變形，試件處于彈性工作狀態；

(2) 隨著荷載加載級數的增長，加載剛度和卸載剛度略下降，殘余變形逐漸增大，試件處于彈塑性階段；

(3) 試件荷載達到峰值后，由于左右兩側下部混凝土鼓突并發生部分脫落，同級荷載步內3個循環的承載力和剛度均略有退化；

(4) 加載后期，由于試件左右兩側下部水平約束部件斷裂，鋼翼緣外鼓，混凝土壓碎擠出，同級荷載步內3個循環的承載力和剛度退化嚴重，最終水平承載力下降至峰值荷載的85%以下。

(a) PECSW1

2.3 骨架曲線

PEC剪力墻在不同軸壓比和剪跨比下的骨架曲線如圖9所示，均呈斜向反S形，其受力過程可近似分為彈性、塑性和破壞3個階段。由圖可知：

(1) 加載前期，同一剪跨比下，PEC剪力墻剛度相差不大。

(2) 同一剪跨比下，圖9(a)中試件PECSW2、PECSW3水平峰值荷載較試件PECSW1的水平峰值荷載略低；圖9(b)中PECSW5水平峰值荷載也略低于PECSW4，這是因為軸壓比過大，PECSW2、PECSW3先兩級發生壓彎破壞，PECSW5先一級發生壓彎破壞。加載后期，隨著軸壓比的增大，水平承載力下降速度越快。

(a) 剪跨比1.88

(3) 隨著剪跨比的增大，PEC剪力墻的剛度和水平峰值荷載隨之減??；加載后期，PECSW4和PECSW6水平承載力下降較為平緩，PECSW2承載力下降較快，表明在低剪跨比下PEC剪力墻的延性較差。

2.4 特征點承載力

各試件在加載過程中主要階段特征點的承載力、位移實測值和強屈比見表4。其中Py為屈服荷載，Pu為峰值荷載，Pd為極限荷載，Δy為由Park法[9]確定的名義屈服位移，Δu為峰值荷載對應的峰值位移，Δd為水平承載力下降至85%以下的極限位移。由表4可知：

(1) 同一剪跨比下，正向加載時，試件PECSW2、PECSW3的峰值荷載比試件PECSW1的延性系數分別降低了13.91%和3.57%；反向加載時，試件PECSW2、PECSW3的峰值荷載比試件PECSW1的峰值荷載分別降低了9.01%和16.12%。

(2) 同一軸壓比下，正向加載時，試件PECSW4、PECSW6的峰值荷載比試件PECSW1的峰值荷載分別下降了29.65%和51.38%；反向加載時，試件PECSW4、PECSW6的峰值荷載比試件PECSW1的峰值荷載分別下降了29.32%和48.65%。表面剪跨比對試件的承載力影響很大。

(3) 強屈比基本在1.30左右，表面材料達到屈服強度后仍有較大的強度儲備。

表4 特征點荷載、位移匯總

2.5 變形能力

各試件的層間位移角和位移延性系數見表5。其中θy為屈服點層間位移角，θu為峰值點層間位移角，θd為極限點層間位移角，位移延性系數μ=Δd/Δy。從表5可見：

(1) 由試件PECSW1～PECSW3可知，隨著軸壓比的增大，極限層間位移角θd隨之減??；由試件PECSW2、PECSW4和試件PECSW6可知，隨著剪跨比的增大，極限層間位移角θd隨之增大。

(2) 各試件位移延性系數范圍為2.22～2.93，略小于剪力墻結構位移延性系數3～4的要求，但各試件極限層間位移角范圍為1/56～1/80，均滿足JGJ/T 380—2015《鋼板剪力墻技術規程》[10]對罕遇地震下對組合剪力墻限值的要求，說明PEC剪力墻仍具有良好的變形能力。

表5 特征點變形值

2.6 應變發展

一方面，應變較大時，主鋼件應變片受混凝土影響測得結果誤差很大；另一方面，混凝土應變片由于表面開裂而失效。分別截取水平位移角1/167、1/250和1/200的應變片讀數分析。以不同剪跨比(試件PECSW2、PECSW4和PECSW6)為例，所得主鋼件和混凝土應變發展如圖10所示。

(a) PECSW2型鋼應變發展

由圖可知，型鋼應變沿墻長度方向近似呈線性分布，基本符合平截面假定；混凝土受壓區近似呈線性分布，而受拉區由于混凝土的開裂誤差較大，但受拉區對試件性能影響很小，因此認為PEC剪力墻試件在壓彎作用下滿足平截面假定。

2.7 剛度退化

各試件環線剛度[11]與墻頂水平位移的關系曲線如圖11所示。由圖可見，各試件在整個加載過程中剛度退化持續、均勻，表明PEC剪力墻在水平荷載作用下受力性能穩定。

(1) 根據圖11(a)和11(b)，軸壓比對PEC試件的剛度退化影響較小，但整體表現為：退化速率隨軸壓比的增大而增大。

(2) 根據圖11(c)，試件的初始剛度和剛度退化速率隨剪跨比的增大而減小。

(a) 剪跨比1.88

2.8 承載力退化

承載力退化指試件承載力隨加載循環次數的增加而降低的特性，可用承載力退化系數λ表示[12]。試件承載力退化系數與水平幅值的關系如圖12所示。

(a) 剪跨比1.88

根據圖12可知：各試件的承載力退化系數λ整體隨位移幅值的增大而減小，在最后兩級循環下降最為明顯，表明隨著位移幅值的增大，各試件承載力退化加劇。各試件的承載力退化曲線基本相似，說明軸壓比和剪跨比對PEC剪力墻試件的同級承載力退化影響不大。

2.9 耗能能力

根據試件的滯回曲線計算其每周耗能和累計每周耗能[13]，具體計算結果如圖13所示。由圖13可知：

(1) 加載初期，試件處于彈性工作狀態，耗能增長較慢；隨著水平位移的增大，試件進入塑性工作狀態，耗能增長加快。

(2) 隨著軸壓比的增大，同一水平幅值下每周耗能和累計每周耗能均隨之增大，但由于PECSW5提前兩級發生破壞，最終累計耗能小于PECSW4，說明軸壓比太大會影響PEC剪力墻試件的耗能能力。

(3) 隨著剪跨比的增大，同一水平幅值下每周耗能和累計每周耗能均隨之減小很多。

在往復荷載作用下，滯回曲線的滯回環面積受到強度和剛度退化的影響，可采用等效黏滯阻尼系數he[14]來表征這一特性，具體計算結果如圖14所示。由圖14可知：

(1) 加載初期，水平位移較小，由于加載頭連接處對縫隙和混凝土內部縫隙的擠壓耗散了部分能量，加載裝置誤差所占比例較大，導致黏滯阻尼系數呈下降趨勢；隨著水平幅值的增大，等效黏滯阻尼系數基本隨水平幅值的增大而增大。

(2) 隨著軸壓比的增大，等效黏滯阻尼系數隨之增大，試件PECSW1～PECSW3的黏滯阻尼系數分別達到了0.16、0.22和0.25；試件PECSW5同累計耗能一樣，由于提前兩級加載破壞，最終等效黏滯阻尼系數小于PECSW4，說明軸壓比太大會影響PEC剪力墻試件的耗能能力。

(3) 隨著剪跨比的增大，等效黏滯阻尼系數隨之減小，PECSW2、PECSW4、PECSW6的黏滯阻尼系數分別為0.25、0.22和0.18。

3 結 論

(1) 通過試驗現象分析，由于縱向加勁肋的設置，將混凝土切分成了若干柱體，限制了墻體內部剪切裂縫的形成，PEC剪力墻試件在不同剪跨比和不同軸壓比下均發生壓彎破壞，破壞形式表現為：試件兩側下部水平約束部件斷裂，混凝土壓碎擠出，鋼翼緣外鼓。

(2) 各試件極限層間位移角范圍為1/56～1/80，均滿足規范對罕遇地震下對組合剪力墻限值的要求，說明PEC剪力墻具有良好的變形能力。

(3) 隨著軸壓比的增大，試件的剛度和耗能能力呈先增大后減小的趨勢，延性降低明顯。

(4) 隨著剪跨比的提高，試件的水平峰值荷載降低、極限層間位移角增大、剛度退化速度減緩、耗能能力下降明顯。