鋼桁架連梁聯肢剪力墻耗能機理及抗震性能試驗研究

摘要：對設置全鋼桁架連梁和設置鋼筋混凝土、鋼桁架混合連梁的雙層聯肢剪力墻平面結構進行了擬動力試驗和低周反復荷載試驗，研究了不同工況地震波作用下剪力墻的時程響應，以及其破壞機理、承載力、滯回延性性能、耗能機理、剛度及強度退化機理。試驗結果表明：全部設置鋼桁架連梁的剪力墻的剛度分布合理，耗能機理及剛度強度退化機理符合聯肢剪力墻抗震設計的要求。大震時，在保證較高耗能能力的同時能夠維持較高的承載力和剛度，持續約束墻肢，抗震性能優于混凝土連梁聯肢剪力墻體系，是一種較理想的連梁設置方案。

關鍵詞：鋼桁架連梁聯肢剪力墻；抗震性能；擬動力試驗；低周反復荷載試驗；耗能機理

中圖分類號：TU398.2

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）01001609

地震荷載作用下，高層建筑聯肢剪力墻的墻肢會出現剪切破壞或彎曲破壞，墻肢的內力分布及破壞形態與連梁的剛度和承載力有十分密切的關系，特別是為了滿足建筑設計和保證建筑整體抗側剛度的要求，連梁常被設計成小跨高比形式，而剛度設計過大或者配筋較多的混凝土連梁不屈服，使聯肢剪力墻趨近于懸臂墻，對于實現超靜定結構及提高剪力墻的延性是極為不利的[1]。為解決小跨高比連梁剛度過大、延性差、耗散地震能力低和震后不便更換等問題，中國、美國、加拿大及韓國的學者研究了實腹型鋼連梁形式[28]，對其跨高比、耗能能力、設計理念及錨固方案等進行了試驗研究，以期利用鋼材延性耗能好的優勢改善聯肢剪力墻的抗震性能。在實腹鋼連梁的基礎上，提出并研究了鋼桁架連梁形式，比較實腹式鋼連梁，其剛度可以控制調節，可以按抗震需要設計剛度值，使其避開地震波卓越周期，避免產生共振。正常使用狀態及小震作用下，與剪力墻一起工作保持彈性狀態，大震作用下，交叉腹桿抗剪屈服，形成塑性鉸，耗散大量地震能量，構筑了聯肢剪力墻的多道抗震防線。

課題組先期對這種連梁形式進行了單個構件和節點層面的研究[912]，證明了其結構合理性。為了進一步研究其剪力墻平面結構的耗能機理和抗震性能，設計了兩榀剪力墻，采用擬動力和擬靜力方法（低周反復荷載試驗方法）進行試驗研究，以期掌握其地震響應規律（包括位移、加速度、底部剪力等時程變化），并研究這種剪力墻結構的耗能機理、滯回延性性能、剛度和強度退化等內容，總結規律，為實現把這種結構體系應用于抗震設計創造條件。

林倩，等：鋼桁架連梁聯肢剪力墻耗能機理及抗震性能試驗研究

1試驗概況

1.1試驗設計

試件設計參考某高層框架剪力墻結構頂部2層，橫向考慮3個開間、縱向2個進深的平面，開間尺寸為4.5 m，進深尺寸6.0 m，層高為3.0 m。按1：3的縮尺比例，制作完成了SW及RSW兩榀聯肢剪力墻模型。其中SW2層配置的是鋼桁架連梁，RSW的連梁首層采用鋼桁架、第2層按強度相等的原則采用的是鋼筋混凝土連梁。試件的墻肢及連梁具體尺寸、配筋如圖1所示。

圖1剪力墻試件設計詳圖

鋼桁架連梁上下弦桿采用半工字型10號鋼，交叉腹桿采用L30×3等邊角鋼，尺寸如圖1（c）所示，腹桿焊接到半工字型鋼的腹板上，桁架端頭每邊焊接4根角鋼埋入剪力墻，與剪力墻混凝土形成錨板，具體情況如圖2所示；聯肢剪力墻及混凝土連梁各截面配筋如圖1（d）所示，剪力墻邊緣的箍筋加密形成暗柱，墻肢底部500 mm高度范圍內箍筋及縱向鋼筋加密。型鋼及鋼筋的材料力學性能如表1所示。28 d混凝土立方體抗壓強度平均值為48.98 N/mm2。

1.2試驗加載儀器設備

試件水平荷載通過作動器作用于剪力墻加載端頭上，并在樓層高度處設置位移計測量剪力墻側移大小，如圖3所示。

試驗采用電液伺服加載系統FCS101A。水平荷載中心線處設置上下2根傳力鋼拉桿；設置上下2個壓電式位移傳感器，與作動器相接，輸入信號以控制作動器位移加載。

1.3加載方案

試驗分2階段：1）采用擬動力試驗，輸入地震波，研究結構的地震響應；2）擬動力試驗結束后，采用低周反復荷載試驗進行位控加載，研究耗能及抗震性能。

擬動力試驗輸入EL Centro（SN）地震波，根據試驗的相似理論，一二樓層質量輸入為m1=m2=19 300 kg；調整EL Centro（SN）波峰值為：50、100、200、300、400、600 cm/s2，分別模擬6～9、9度以上的地震加速度，時間間隔Δt按相似關系計算調整為0012 s，地震波持時12 s。阻尼比輸入根據文獻[13]取定，如表2所示。