双钢板混凝土组合剪力墙是一种新型组合结构, 主要由外包钢板、混凝土以及连接件三部分组成, 经过近几十年的试验和理论研究, 目前双钢板混凝土组合剪力墙中连接件的形式主要有以下几种:

　　 (1) 贯通整体式隔板。Link和Emori^[1,2]的试验研究表明, 带有贯通整体式内隔板的双钢板组合剪力墙具有良好的轴压承载力和抗剪承载力, 峰值荷载后可以保持稳定的后期承载力直至达到很大的变形, 延性和耗能能力高, 如图1 (a) 所示。随着隔板数量的增加, 宽厚比的减小, 组合墙的承载力和延性都有提高, 但提高的幅度变缓, 但内隔板设置时的钢板内表面焊接施工困难, 构造复杂, 造价较高。2014年, 金天德^[3]采用一系列热轧H型钢, 沿型钢翼缘焊接形成了一种双钢板混凝土组合墙, 型钢的腹板即为组合墙的内隔板, 这种组合墙避免了钢板内隔板与面板的面内焊接, 但面板的焊接工作量大, 当钢板较薄时面板的平整性不易保证, 同时墙体面板的工作性能受焊缝质量的影响较大。

　　 (2) 栓钉。试验研究^[4,5]表明, 仅设置栓钉的双钢板组合墙在承受压力时, 两块钢板之间无拉结, 栓钉的设置虽然能增强钢板与混凝土之间的相互作用, 但钢板的局部屈曲性能取决于栓钉的拔出强度, 而钢板的局部屈曲将降低结构的稳定性和承载能力, 即组合剪力墙的受力性能受栓钉距厚比的影响较大。

　　 (3) 钢拉杆 (Bi-steel) 。为增强两块钢面板间的拉结作用, 2003年, 英国学者Clubley等^[6]通过高速摩擦焊将圆钢杆焊接于两块钢板之间, 如图1 (b) 所示, 试验结果表明, 在承受推出荷载时焊有钢拉杆的组合墙具有很强的抗剪承载力, 但鉴于焊接工艺和操作空间的需求, 组合墙的厚度不宜太薄, 应不小于200mm。

　　 (4) 对拉螺栓。对拉螺栓的工作原理和Bi-steel连接相似, 但施工相对简单。文献[7,8]试验结果表明, 在受力过程中, 对拉螺栓能有效防止钢板局部屈曲, 组合墙的抗震性能随着对拉螺栓间距的减小而增强, 对拉螺栓呈梅花式布置比并列式布置抗震效果好, 但钢板上螺栓孔的开设对面板的强度有削弱, 且螺帽的布置占用了一定墙外空间。

　　 (5) 联合型连接件。鉴于以上四种连接方式各有优势和不足, 有些学者设计研究了设置混合型连接件的组合墙。如栓钉和对拉螺栓联合使用^[9]、栓钉和内隔板联合使用^[10]、栓钉和加劲缀板联合使用^[11] (图1 (c) ) 以及栓钉、对拉螺栓和内隔板三者同时使用^[12] (图1 (d) ) 等。用对拉螺栓、内隔板或加劲缀板来弥补栓钉的不足, 使组合墙的整体作用增强, 同时用栓钉的设置来减少对拉螺栓、内隔板等的用量。

　　 由此可见, 连接件的设置是保证墙身钢板 (墙板) 与混凝土协同工作、抑制墙板屈曲以及提高组合墙性能的重要措施, 且连接件的形式和布置对双钢板组合墙的受力性能有很大的影响。以国内外关于连接件研究为基础, 本课题组提出两种新型的连接件, 分别为L形连接件和C形连接件, 并对这两种连接形式的双钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能以及连接件的连接效果进行研究^[13]。

　　 设计制作了四片高剪跨比双钢板混凝土组合剪力墙, 其中包含两片带L形连接件双钢板混凝土组合墙 (简称L形连接件组合墙) 和两片带C形连接件的双钢板混凝土组合剪力墙 (简称C形连接件组合墙) , 并进行了低周反复荷载试验。组合墙体试件参数为:设计高度为2 145mm, 宽度为1 020mm, 厚度为150mm, 剪跨比为2.1, 端部钢管柱尺寸均为150×150。试件DSCW-L1, DSCW-L2的连接件为L形, 间距为240mm;试件DSCW-C1, DSCW-C2的连接件为C形, 间距为240mm;墙体钢面板厚4mm, 端部钢管柱壁厚5mm, 连接件厚3mm, 如图2所示。

　　 L形连接件组合墙的加工过程为:先将一对L形连接件通过交错断续单面角焊缝分别与墙体的两块钢面板相连, 再将其中一块连有连接件的钢面板与两个端部钢管柱通过点焊固定, 然后将另一块钢面板的连接件卡入组装 (图3 (a) ) , 亦与钢管柱点焊固定, 最后将钢面板与钢管柱进行坡口焊连接形成整体, 浇筑内里混凝土后形成组合双钢板剪力墙。C形连接件组合墙的加工过程为:先将C形连接件通过交错断续单面角焊缝与一边钢面板相连, 再将连有连接件的钢面板与两个端部钢管柱通过点焊固定, 然后盖上另一块钢面板, 此钢面板与钢管柱先点焊固定, 在面板上按一定间距在相应位置打孔与C形连接件塞焊连接 (图3 (b) ) , 最后将钢面板与钢管柱进行坡口焊连接形成整体, 浇筑混凝土后形成双钢板组合剪力墙。相比较而言, L形连接件组合墙的加工组装较为方便, 但拉结性能取决于连接件拉结边的扣合作用;C形连接件组合墙的塞焊工序较费工, 但连接件整体性好, 相对于已有的一字形内隔板连接件, C形连接件翼边的存在使得打孔塞焊要求的精度降低。

　　 钢材均为Q235, 钢板的材性试验结果见表1。双钢板内填充的混凝土强度等级为C30, 由标准试块实测的立方体抗压强度标准值的平均值f_cu=31.61MPa, 换算的混凝土轴心抗压强度标准值f_c=24.02MPa。

　　 加载装置如图4 (a) 所示, MTS加载系统的A, B两个作动器通过连梁连在一起, 同时对试件进行加载;加载梁和千斤顶之间放置四氟板, 保证千斤顶可以与试件整体移动, 降低摩擦对试验结果的影响。试件的拟静力加载方式采用荷载-位移双控制的方法, 见图4 (b) , 试件在屈服前采用荷载控制并分级加载, 屈服后采用位移控制方法, 位移加载的幅度按照屈服位移Δ_y倍数增加, 且每次位移加载循环两次, 水平荷载开始下降时每级循环三次, 直至荷载下降到最大水平荷载的85%后停止试验。

　　 试验主要研究双钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能, 测量内容主要包括墙体水平位移、墙体钢面板的应变以及墙内连接件的应变, 应变片位置如图5所示。

　　 四个试件破坏过程基本相同, 试验现象见图6。在加载初期, 试件处于弹性工作阶段, 荷载-位移曲线呈线性变化, 试件有轻微的声响。当水平位移加载至约15mm时, 端柱底部焊接热影响区出现微小裂缝, 两侧柱焊接热影响区的细微裂缝不断向周边扩展。此阶段位移的发展速率明显高于荷载发展速率, 荷载与位移呈显著的非线性关系, 双钢板混凝土组合剪力墙以柱底部焊接热影响区出现微小裂缝以及端柱钢板屈曲的现象为主。

　　 当加载至峰值荷载, 端柱内凹处断裂, 墙身鼓凸。随后端柱内凹处均开始发生断裂, 靠端柱的墙身出现鼓凸现象, 墙身鼓凸向墙中发展, 但是在L形连接件焊接位置, 墙身鼓凸受到抑制, 墙面鼓凸不连续, 墙面鼓凸范围在距底部200mm范围内。与L形连接件组合墙相比, C形连接件组合墙的墙面鼓凸有所区别:C形连接件组合墙在塞焊的一面, 因焊接区域为点, 鼓凸沿墙面贯穿, 如图6 (d) 所示;另一面为错位角焊缝, 墙身鼓凸现象与L形连接件组合墙一样, 鼓凸范围小, 且受到连接件的抑制作用, 如图6 (a) ～ (c) 所示。当荷载下降至峰值荷载的85%时认为试件已经破坏, 停止加载。相比较而言, L形连接件抑制墙身钢板鼓凸的效果更好。

　　 所有试件的水平荷载-位移滞回曲线如图7所示。从图中可以看出:1) 双钢板混凝土组合剪力墙具有较高的承载力、较好的延性及耗能能力。2) 轴压比越小, 滞回曲线越饱满。3) 与同距厚比的L形连接件组合墙相比, C形连接件组合墙的滞回曲线略微饱满一些;轴压比为0.1时, 试件SCDW-L1, SCDW-C1的峰值荷载接近, 但是轴压比为0.2时, 试件SCDW-C2的峰值荷载略大于试件SCDW-L2的峰值荷载。

　　 图8为各试件的水平荷载-位移骨架曲线, 骨架曲线为水平荷载-位移曲线上同向各次加载的荷载极值点依次相连得到的包络曲线。从图中可以看出:各试件的骨架曲线在弹性阶段较为接近, 所有曲线均为S形;试件DSCW-L2与试件DSCW-L1相比, 轴压比较大, 在破坏阶段荷载下降的较快, 另外一组试件也一样;与试件DSCW-C1, DSCW-C2相比, 试件DSCW-L1, DSCW-L2的极限位移角较小, 表明距厚比相同时, C形连接件组合墙比L形连接件组合墙具有更高的变形能力。

　　 L形连接件分为对拉边 (平行于墙面) 和拉结边 (垂直于墙面) , C形连接件仅有拉结边。对L形连接件对拉边的应变分析可知, 试件DSCW-L1, DSCW-L2的对拉边在整个加载过程中最大应变分别为1 164, 1 043με, 小于连接件屈服应变1 558με。表明在整个加载过程中, L形连接件的对拉边未发生屈服, 能充分保证L形连接件的扣合作用。

　　 L形以及C形连接件拉结边的应变-位移曲线如图9所示。图中连接件的应变分别为距底部150, 350, 550mm处在每次单向最大加载幅值下对应的应变, 横向虚线表示连接件的屈服应变1 558με, 竖向虚线表示峰值荷载下的位移。从图中可以看出, 在加载初期, 连接应变很小, 当位移到达20mm之后, 连接件的应变增速逐渐加大, 分析认为组合剪力墙的端柱底部出现裂缝, 两边墙板开始承受较大的平面外方向的力;350mm和550mm处连接件的应变随位移增加的趋势缓慢, 没有超过屈服应变的趋势, 与试验现象仅在200mm范围内墙面钢板发生屈曲相符合;各试件在加载至峰值荷载时, 连接件垂直于墙板方向的拉结边均未达到屈服, 可以保证两块墙板很好地连接在一起。

　　 各试件的特征参数见表2, 表中P_u为试件的峰值荷载;Δ_u为极限位移, 对应于达到破坏荷载 (定义为峰值荷载的85%) 时的位移;Δ_y为屈服位移, 按照理想弹塑性包络曲线与实际包络曲线的面积相等得出^[14];μ为延性系数, 按照Δ_u/Δ_y计算, θ为极限位移角, 由Δ_u/H计算得出。

　　 试件DSCW-1为正向加载时破坏, 试件破坏时对应的位移小于上一级正向加载所达到的最大位移, 因此, 试件DSCW-1仅取反向加载作为比较。由表2可得:1) 各试件的极限位移角在1/79～1/53的范围内, 延性好;2) 试件DSCW-L1与试件DSCW-L2都为L形连接件组合墙, 试件DSCW-L1的轴压比为试件DSCW-L2的0.5倍, 但延性系数约为试件DSCW-L2的1.24倍;3) 试件DSCW-C1与试件DSCW-C2都为C形连接件组合墙, 试件DSCW-C1的轴压比为试件DSCW-C2的0.5倍, 但延性系数为试件DSCW-C2的1.28倍;4) 相同条件下, 试件DSCW-C1负向的延性系数为试件DSCW-L1的1.35倍, 试件DSCW-C2正、负向的延性系数分别为试件DSCW-L2的1.09倍和1.12倍, 可知C形连接件组合墙的延性优于L形连接件组合墙;5) 在本次试验的轴压比范围内, 随着轴压比的增大, 试件的峰值承载力略有增加;6) 相同条件下, C形连接件组合墙的承载力略高于L形连接件组合墙。

　　 各试件的延性系数变化范围较大, 分析认为本次试验中两端钢管柱为冷拉成品方钢管, 强屈比仅为1.13, 且组合钢板剪力墙与钢底座之间采用焊缝连接, 试验过程中钢管柱的焊接热影响区出现的裂缝对试件的延性系数均有较大的影响。

　　 试验现象显示, L形连接件抑制墙身钢板鼓凸的效果更好, 但主要特征参数表显示轴压比增大, C形连接件组合墙的峰值荷载略大于L形连接件组合墙。分析可知C形连接件组合墙其中一面是塞焊, 受力区域仅为一个点, 此面钢板屈曲时容易贯通, 如图6 (d) 所示, L形连接件组合墙的墙面钢板与L形连接件均由角焊缝焊接, 对墙面钢板的约束更好。连接件在达到峰值荷载的时候并未屈服, 轴压比较小时, 试件受压区高度较小, 位于第一道连接件之外, 试件DSCW-L1, DSCW-C1受压区条件一样;而随着轴压比增大, 受压区高度越过第一道连接件, C形连接件其中一边的错位角焊缝位于两侧, 相当于有两道间距50mm的加劲肋, 对墙面钢板形成局部加强作用。

　　 在指定位移幅值的条件下, 结构的刚度随反复加、卸载循环次数的增加逐渐降低的特性, 称为“构件刚度退化”。取统一位移幅值下的平均折算环线刚度来反映试件在低周反复荷载作用下刚度退化的特性, 环线刚度下降的越平缓, 滞回曲线越稳定, 试件耗能能力越好。环线刚度K_l按式 (1) 计算:

　　 ${\rm K}{}_l=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^n{\rm P}}{}_j^i}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}u}{}_j^i}(1)$

　　 式中:K_l为环线刚度;${\displaystyle \sum _{i=1}^n{\rm P}}{}_j^i$为位移延性系数为j时, 第i次循环的峰值荷载值;${\displaystyle \sum _{i=1}^{n}u}{}_j^i$为位移延性系数为j时, 第i次循环的峰值变形值;n为循环次数。

　　 各试件的环线刚度曲线见图10, 正负向刚度退化总体上对称, 并且从图中可以看出初始刚度退化快, 随后环线刚度的下降趋势趋于平缓, 在接近峰值荷载对应的位移时, 环线刚度下降趋势又略微变大。分析认为, 在接近峰值荷载对应的位移时, 曲线下降变快的主要原因是此时组合钢板剪力墙的端柱距底部约70mm处出现裂缝所致。试件DSCW-L2, DSCW-C2的初始刚度比试件DSCW-L1, DSCW-C1高, 表明轴压比越大, 初始刚度越大。

　　 各试件的累积耗能系数如图11所示。从图中可以看出, 随着加载循环次数增加, 试件耗能不断增加, 进入弹塑性阶段后, 各试件累积耗能呈指数增长趋势, 表明良好的耗能能力;与L形连接件组合墙相比, C形连接件组合墙的耗能能力更好。

　　 本文对带L形连接件和带C形连接件的双钢板混凝土组合剪力墙试件进行拟静力试验, 所有试件均表现出良好的抗震性能。对其试验现象和结果进行分析, 得出以下结论:

　　 (1) 在低周反复荷载作用下, 配置L形及C形连接件的双钢板混凝土组合剪力墙在达到峰值荷载之前, 墙体钢板未发生明显的局部屈曲变形, 具有较高的承载力和较好的耗能能力。

　　 (2) 所有L形连接件组合墙试件的极限位移角的平均值为1/58, C形连接件组合墙试件的极限位移角的平均值为1/59, 表明这两种构造形式的双钢板混凝土组合剪力墙具有很强的变形能力。

　　 (3) 低轴压比状态下, 随着轴压比的增大, 试件的极限水平荷载略有增加, 但延性和耗能能力逐渐变差。

　　 (4) 相对于L形连接件组合墙, C形连接件组合墙的延性与耗能能力较高。但是C形连接件组合墙墙体钢板鼓凸明显且通长, 焊接更为麻烦。