随着城镇化进程的不断加快,高层和超高层建筑在数量和范围上得到空前发展。控制水平荷载下结构的侧移是高层建筑结构设计的关键。为提高剪力墙的承载能力与抗震性能,可通过在普通钢筋混凝土(RC)剪力墙中设置钢板或型钢等形成钢-混凝土组合剪力墙的方式提高其刚度、承载能力与抗震性能等 ^[1]。

　　 钱稼茹等 ^[2]研究了在约束边缘构件中设置轻钢构架的剪力墙,并在试验的基础上提出该新型剪力墙的受弯承载力计算方法。纪晓东等 ^[3]提出一种新型钢管-双层钢板-混凝土组合剪力墙,并通过拟静力试验,研究了组合剪力墙的抗震性能,提出了适用于该组合剪力墙正截面和斜截面承载力计算方法。YAN Jiabao ^[4]等提出一种带钢管混凝土端柱的双钢板混凝土夹心剪力墙,通过对5组试件的低周反复荷载试验,研究了结构的抗震性能,提出了该剪力墙的承载力计算方法。夏登荣等 ^[5]针对双钢板混凝土组合剪力墙提出了两种新型连接件,并对四组剪力墙试件完成了低周反复荷载试验,结果表明两种类型的连接件均能有效保证钢板和混凝土的协同工作,新型组合剪力墙承载力高、抗震性能好。

　　 在已有研究基础上,课题组提出了装配式钢-混凝土组合管(SRCT)剪力墙结构体系,其典型墙体截面如图1所示。SRCT剪力墙由预制钢-混凝土组合管(即SRCT)和管内现浇混凝土两部分组成。其中预制SRCT构件由双钢板、拉结筋、U形钢和外皮混凝土组成。拉结筋穿过两侧钢板埋入外皮混凝土内,同时墙体侧面于U形钢腹板位置等间距布置抗剪栓钉,来保证外皮混凝土、钢板和内膛混凝土之间能够良好地协同工作。现场装配时先将预制SRCT构件通过水平与竖向的连接节点采用干式连接进行装配,各墙体之前通过墙顶与墙底的方形法兰焊接或螺栓连接(本文采用焊接连接)进行装配; 墙体与基础之间通过与墙体底部钢板和U形钢内侧加设垫板、外侧加设靴套板的方式与基础预埋底板焊接的方法进行装配,节点构造如图2所示。装配完成后,现场进行内膛混凝土的浇筑形成结构整体,共同承担水平及竖向荷载。

　　 SRCT剪力墙结构集中了钢-混凝土组合结构、约束混凝土和干式连接装配式混凝土结构等优点。同时,预制SRCT构件在钢板外设置40mm厚外皮混凝土改善了剪力墙结构的防火和防腐性能。

　　 本文通过对4个SRCT剪力墙试件和1个RC剪力墙试件的低周反复荷载试验,研究了SRCT剪力墙的承载力与抗震性能等,以期为SRCT剪力墙结构的研究和应用提供参考和依据。

　　 试验共设计4个SRCT剪力墙试件,墙肢截面均为一字形截面,试件编号为SRCTW3,SRCTW4,SRCTW5和SRCTW5^*;1个RC剪力墙试件,试件编号为SW3,为与试件SRCTW3同等条件配筋的钢筋混凝土剪力墙对比试件。各试件参数为:墙高为3 000mm,墙体截面高度为1 686mm,墙厚为200mm,剪跨比为1.65,轴压比为0.2。试件SRCTW3,SRCTW4,SRCTW5的钢板厚度分别为3,4,5mm,拉结筋间距d₁=200mm,d₂=200mm; 试件SRCTW5^*的钢板厚度为5mm,拉结筋间距d₁=150mm,d₂=250mm。其中d₁为墙体截面端部受力较大位置处拉结筋加密区的拉结筋间距; d₂为墙体截面中部受力较小位置处拉结筋非加密区的拉结筋间距。试件立面几何尺寸如图3所示,各试件尺寸及构造如图4所示。

　　 SRCT剪力墙试件的加工过程为:双层钢板与墙体两端的U形钢翼缘焊接组成方钢管,于钢板预先留出的孔洞位置布置拉结筋连接两侧钢板。外皮混凝土浇筑并养护完成后形成钢-混凝土组合管,而后统一进行内膛混凝土的浇筑。

　　 试件混凝土强度等级为C35,实测强度及弹性模量见表1。钢筋及钢板的力学性能见表2。

　　 试验加载装置如图5所示。先将试件由地锚螺栓固定于实验室刚性地面,由千斤顶限制其在加载方向的水平位移,由地锚和垫块限制其平面外转动。采用200t千斤顶施加竖向荷载,分3次将预定轴压荷载全部施加完成,试验过程中保持轴压荷载恒定。水平往复荷载由250t液压伺服加载系统MTS进行加载,千斤顶和反力梁之间设小滑车,保证千斤顶与试件的整体移动。根据《建筑抗震试验规程》(JGJ/T 101—2015) ^[6],试验采用力-位移双控制法,加载制度如图6所示。试件屈服前采用力控制分级加载,每级的级差取50kN,临近屈服状态时级差减小为25kN,每级加载循环1次; 屈服后采用位移控制,取屈服位移的整数倍为增幅,每级循环3次,直至试件破坏或水平荷载下降至峰值荷载的85%后结束试验。

　　 试验过程中各试件的裂缝发展趋势相似,弹性阶段随荷载增加墙肢底部出现水平裂缝,而后大致沿45°朝墙体中心位置发展,随水平往复荷载不断加大,逐渐形成X形交叉裂缝。达到破坏阶段时,试件SW3墙体底部两侧位置混凝土压碎并大面积剥落,最外侧受压钢筋屈曲; 各SRCT剪力墙试件未出现混凝土剥落现象。试件整体裂缝分布如图7所示。由图可知,与现浇RC剪力墙相比,SRCT剪力墙(以SRCTW5为例)墙肢裂缝较少,且墙体底部两侧混凝土破坏程度较轻,整体工作形态较好。

　　 试验结束后,将SRCT剪力墙的外皮混凝土沿墙体底部凿开,观察U形钢及钢板的破坏形态,可分三种类型。A类:U形钢屈服断裂,而后钢板撕裂并伴随向外鼓曲; B类:U形钢屈服断裂,而后U形钢与钢板间焊缝开裂,最后底部钢板与法兰连接水平焊缝开裂; C类:墙体底部U形钢和钢板与法兰连接水平焊缝开裂。三种类型的破坏形态如图8所示。其中A类破坏可充分发挥钢材的材料性能,是最为理想的破坏形态,B,C类破坏均发生了不同程度的焊接破坏,建议后续制作试件时,以于墙体底部受力较大位置的U形钢及钢板外侧加设垫板的形式对焊缝进行补强,同时需严格按照《钢结构焊接规范》(GB 50661—2011) ^[7]中关于焊缝质量的相关检验标准进行焊缝质量检测,以避免出现不利的焊接破坏。

　　 为便于分析试件的抗震性能影响因素,在各试件编号中添加其破坏类型,以便结合各试件的破坏类型进行抗震性能分析。

　　 各试件水平荷载-位移滞回曲线如图9(a)～(e)所示。由图可知:加载初期各试件的刚度大、残余变形小,滞回曲线基本呈一条直线。随荷载的增大,滞回环趋于饱满,呈现出轻微“捏缩现象” ^[8,9],各级荷载下的滞回曲线斜率随之减小,且减小的速率随之增大,表明各试件U形钢和钢板屈服后刚度退化明显。

　　 各试件骨架曲线如图9(f)所示。由图可知:SRCT剪力墙试件的承载能力和刚度均优于RC剪力墙; 在SRCT剪力墙承载能力随钢板厚度增大的基础上,试件U形钢及钢板的破坏形态对承载能力也有不同程度的影响。主要规律表现为:发生A类破坏的试件SRCTW3由于U形钢及钢板材料性能发挥更充分,承载能力较高; 发生C类破坏的试件SRCTW5由于发生焊接破坏,U形钢和钢板未得到充分发挥,承载能力较低; 发生B类破坏的试件SRCTW4的承载力介于二者之间; 随着钢板厚度的增加,试件的破坏形态由U形钢拉断、钢板撕裂为主转变为焊缝开裂为主。

　　 SRCT剪力墙初始刚度计算模型如图10所示。在低周反复加载的初期,假定各SRCT剪力墙试件处于弹性工作状态,单位水平荷载作用下,墙肢将产生相应的变形。可将SRCT剪力墙的侧向变形分解为弯曲变形和剪切变形两部分。

　　 SRCT剪力墙的柔度μ:

　　 $\mu =\mu {}_{\text{s}}+\mu {}_{\text{b}}(1)$

　　 SRCT剪力墙的初始刚度K:

　　 ${\rm K}=\frac{1}{\mu {}_{\text{s}}+\mu {}_{\text{b}}}=\frac{1}{\frac{\zeta {\rm H}}{AG}+\frac{{\rm H}{}^3}{3E{\rm I}}}(2)$

　　 其中:$A=A{}_1+A{}_2,\zeta =\frac{A{}_0}{A{}_{\text{w}}}$。

　　 式中:μ_s为单位水平荷载作用下试件的剪切变形; μ_b为单位水平荷载作用下试件的弯曲变形; H为SRCT剪力墙的计算高度; ζ为剪应变不均匀系数; A₁为SRCT剪力墙水平截面混凝土净截面面积; A₂为SRCT剪力墙水平截面钢材(U形钢和钢板)的截面面积; A₀为SRCT剪力墙水平截面面积; A_w为SRCT剪力墙腹板截面面积; E为弹性模量; G为剪切模量,取0.4E; I为剪力墙水平截面惯性矩。

　　 由式(1)和式(2)可计算得到各SRCT剪力墙试件的初始刚度,与试验的实测初始刚度值对比结果见表3。由对比结果可知,计算值与试验值符合较好,可参考上述公式进行SRCT剪力墙弹性阶段的初始刚度计算。

　　 试验时量测了各SRCT剪力墙试件墙肢底部横截面U形钢和钢板的应变,以考察在竖向轴压荷载和水平荷载作用下U形钢和钢板的应变分布情况。取试件SRCTW3为例进行分析,图11为该试件弹性阶段U形钢及钢板距墙底部100mm高度位置的竖向应变分布。由图可知,弹性阶段的各级荷载下墙肢底部截面应变分布基本符合平截面假定。

　　 结合试验现象分析可知,SRCT剪力墙试件以弯曲破坏为主,当试件发生弯曲破坏则承载能力主要由墙体根部的弯矩决定,故参考偏心受压构件中的正截面承载力计算方法对SRCT剪力墙进行受弯承载力分析。对结构分析模型进行简化并作如下假定:1)截面变形符合平截面假定; 2)不考虑受拉混凝土的作用; 3)按照现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010) ^[10]确定混凝土受压应力-应变关系曲线,ε_c<0.002时为抛物线,0.002≤ε_c<0.003 3时为水平直线,混凝土极限压应变值取0.003 3,相应的最大压应变值取混凝土抗压强度标准值f_ck; 4)受压区混凝土按等效矩形应力图计算; 5)距受压区边缘2x(x为截面受压区高度)范围外的受拉区域钢板全部屈服且参与承载力计算,2x范围内的钢板受压或未受拉屈服,不参与受力计算。

　　 将SRCT剪力墙正截面承载力分为混凝土、U型钢和拉结筋加密区的钢板组成的边缘构件和中部拉结筋非加密区的钢板三部分叠加。1)混凝土承担受压区域的压应力; 2)受压侧边缘构件承担压力,受拉侧边缘构件承担拉力; 3)中部钢板在受压区域内主要承担压应力,在受拉区域内承担拉应力。图12为SRCT剪力墙受弯承载力计算模型。

　　 由力的平衡得:

　　 $\begin{array}{l}{\rm N}={\rm N}{}_{\text{c}}-f{}_{\text{y}\text{p}}A{}_{\text{p}}-f{}_{\text{y}\text{p}}A{}_{\text{p}1}+f{}_{\text{y}}A{}_{{\text{s}}^{\prime }}-f{}_{\text{y}}A{}_{\text{s}}(3)\\ {\rm N}{}_{\text{c}}={\rm N}{}_1+{\rm N}{}_2+{\rm N}{}_3(4)\\ {\rm N}{}_1=\theta \alpha {}_1\beta {}_{1}f{}_{\text{c}}b{}_{\text{c}}l{}_{\text{c}}(5)\\ {\rm N}{}_2=\alpha {}_1\beta {}_{1}f{}_{\text{c}}b{}_{\text{c}}(x-b{}_{\text{w}}-l{}_{\text{c}})(6)\\ {\rm N}{}_3=\alpha {}_1\beta {}_{1}f{}_{\text{c}}(2xb{}_{\text{w}}+b{}_{\text{c}}b{}_{\text{w}})(7)\end{array}$

　　 考虑U形钢及钢板对内膛混凝土的约束,θ为端部约束区混凝土的强度提高系数,按下式计算:

　　 $\begin{array}{l}\theta =1.212+B\tau +C\tau {}^2(8)\\ \tau =f{}_{\text{a}}A{}_{\text{a}}/f{}_{\text{c}}A{}_{\text{c}}\end{array}$

　　 其中,B,C为截面形状对混凝土强度提高系数的影响,具体取值见《钢管混凝土结构技术规范》(GB 50936—2014) ^[11]。

　　 对受压区中心点取矩:

　　 $\begin{array}{l}{\rm M}=f{}_{\text{y}\text{p}}\frac{A{}_{\text{p}}}{h{}_{\text{w}0}}(h{}_{\text{w}0}-2x)\left(\frac{h{}_{\text{w}0}}{2}+\frac{x}{2}\right)+\\ {\rm N}\left(\frac{h{}_{\text{w}0}}{2}-\frac{x}{2}\right)+f{}_{\text{y}}A{}_{\text{s}}(h{}_{\text{w}}-a)+f{}_{\text{y}\text{p}}A{}_{\text{p}1}\left(h{}_{\text{w}0}-\frac{x}{2}\right)(9)\\ V=\frac{{\rm M}-{\rm N}\text{Δ}}{{\rm H}}(10)\end{array}$

　　 式中:N为竖向轴压荷载; N_c为受压区混凝土所承担的竖向荷载; N₁为受压区约束区内膛混凝土所承担的竖向荷载; N₂为受压区非约束区内膛混凝土所承担的竖向荷载; N₃为受压区外皮混凝土所承担的竖向荷载; α₁为混凝土压应力影响系数,取1.0; β₁为混凝土应力的图形影响系数,取0.8; f_c为混凝土轴心抗压强度设计值; l_c为拉结筋加密区截面高度; x为截面受压区高度; f_y为U形钢的屈服强度; A_s′,A_s分别为受压U形钢和受拉U形钢的截面面积; f_yp为钢板的屈服强度; A_p为非约束区双钢板的截面面积; A_p1为约束区双钢板的截面面积; b_c,b_w分别为剪力墙内膛和外皮混凝土厚度; h_w0为墙肢截面有效高度; H为SRCT剪力墙的计算高度; Δ为试件达到屈服状态时对应的顶点位移;

　　 将试验数据代入上述公式,计算可得各SRCT剪力墙试件的受弯承载力,并与试验数据进行对比分析,结果见表4。由对比结果可知,试验值与计算值相差较小,误差控制在8%以内,表明上述公式可用于SRCT剪力墙的受弯承载力计算。

　　 (1)SRCT剪力墙在受力和破坏过程中,整体工作性能良好,与RC剪力墙相比,SRCT剪力墙墙肢裂缝较少、墙趾根部混凝土破坏程度较轻,具有较大的刚度、承载能力和优越的抗震性能,是受力与抗震性能良好的新型剪力墙结构形式。

　　 (2)SRCT剪力墙试件的承载能力在随钢板厚度增大的基础上,受内部U形钢及钢板的破坏类型影响较大。A类破坏的试件由于U形钢拉断、钢板斜向撕裂,其材料性能发挥充分,承载能力最高; C类破坏的试件由于U形钢及钢板与底部法兰连接焊缝破坏,钢材性能未得到充分发挥,其承载能力最低。

　　 (3)随试件钢板厚度的增大,试件内部的破坏形态由钢板撕裂为主转为焊缝开裂为主。预制钢-混凝土组合管制作时需采用可靠措施来提高和保证薄钢板与U形钢和法兰焊缝的焊接质量,以充分发挥材料性能。

　　 (4)建立了SRCT剪力墙承载力计算模型,推导了该新型剪力墙的初始刚度和承载力计算表达式,计算结果与实测结果符合较好,能够较好地应用于SRCT剪力墙的刚度和承载力计算。