裝配式鋼板剪力墻不連續蓋板連接的抗震性能研究

摘 要：傳統裝配式鋼板剪力墻的抗震效果較差，因此本文提出利用填充板將裝配式鋼板剪力墻的不連續蓋板連接結構與梁結構進行連接。試驗結果表明，3個試件在相同的層間位移角下均達到了彈塑性階段，但S-6的初始剛度大于S-4R和S-4。可以觀察到，S-6的耗能能力明顯小于S-4和S-4R，因此增加填充板的厚度可顯著提高耗能能力。當層間漂移角為1°～2°時，所有構件的耗能增加速度較慢，當層間漂移角大于6°時，所有構件的耗能增加幅度較快。當填充板厚度為6mm時，試件的耗能能力小于填充板厚度4mm，對稱布置蓋板的軸可以明顯提高試件的抗震能力。

關鍵詞：裝配式；鋼板剪力墻；不連續蓋板；抗震安全

中圖分類號：TU 398 文獻標志碼：A

裝配式高層鋼結構主要采用高強度螺栓預制模塊，具有施工速度快、抗震性能好等優點。且裝配式高層鋼結構可有效化解鋼鐵產能過剩，促進建筑工業化發展。其中，鋼板剪力墻體系是一種高效的抗側力體系，可以承受結構的大部分側向荷載，提高結構的承載能力和側向剛度，保護主體框架不受破壞，提高結構的抗倒塌能力。鋼板剪力墻系統由填充板和邊界框架構件組成，可通過螺栓或焊接連接[1]。而要在預制高層鋼結構中使用鋼板剪力墻，必須研究填充板和邊界框架之間預制連接的力學性能。

而當填充板與周圍框架的四邊連接時，填充板的拉力場作用會對柱子有很高的軸向和彎曲要求[2]。針對多層鋼板剪力墻，由于軸向荷載和彎矩要求以及剛度要求較高，因此對支柱的設計要求也會進一步提高[3-4]。且使用鋼板剪力墻與純梁連接也能有效減少螺栓數量。此外，還可以方便地調整結構的開度和剛度，避免填充板屈曲對支柱的不利影響。而傳統裝配式鋼板剪力墻的抗震效果較差，因此本文提出利用填充板將裝配式鋼板剪力墻的不連續蓋板連接結構與梁結構進行連接。研究結果可為裝配式鋼板剪力墻的設計提供參考。

1 試驗方法與設計

1.1 試樣設計

本文提出利用填充板將裝配式鋼板剪力墻的不連續蓋板連接結構與梁結構進行連接。為使組裝過程簡單，并降低地震后維修和更換不連續蓋板連接的結構難度，采用2種設計方案減少加工可能造成的累積誤差。1）在填充板和梁翼緣上創建超大螺栓孔。2）減小單個連接蓋板的尺寸，以減少單個蓋板上的開口數量，并在連接蓋板之間留出間隙。填充板被夾在蓋板和底板上，以增加摩擦面的數量[5]，從而增加臨界摩擦力，有效控制螺栓滑動。蓋板和底板采用加固件進行加固，以確保地震后連接區域不會出現殘余變形，并方便填充板的維修和更換。預制鋼板剪力墻的不連續蓋板連接采用高強度螺栓將填充板與邊界梁連接起來。不連續蓋板連接結構的設計應避免填充板與連接板之間的滑動。因此，不連續蓋板連接結構的設計應確保來自單個高強度螺栓的最大剪力不小于其共享拉力場的極限抗拉強度。且在高寬比和填充板厚度不變的情況下，單個高強度螺栓的極限荷載大致相同。縮小比例后，差異在1%以內，進一步證明按比例試樣的有效性[6]。

1.2 試驗裝置

本文共設計3個試樣（S-6、S-4和S-4R）承受準靜態荷載。S-6和S-4試樣的上、下蓋板位于填充板的同一側。S-4R的上蓋板和下蓋板位于填充板的不同側。S-6試樣的填充板厚度為6mm，S-4和S-4R試樣的填充板厚度為4mm。為研究填充板和預制連接件的效果，試驗中使用銷端支柱。因此，可以忽略柱子的橫向剛度。試樣的參數特性見表1。

1.3 材料性能測試和滑移系數測定

試樣的梁和柱由H200×200×8×12的工字形鋼材制成。連接底板和蓋板的厚度為10mm。填充板的厚度為4mm或6mm，除高強度螺栓外，所有鋼材均為Q235B。用于材料性能測試的試樣來自同一批鋼板，鋼材性能的測試結果見表2。制備高強度螺栓連接試樣，摩擦表面經過噴砂處理。試驗使用10.9級高強度螺栓M20和M24。鋼板材料為Q235B鋼，滑移系數為0.50。

1.4 試驗加載裝置

對3個試件進行低頻循環加載試驗，底梁固定在2個可調反力架上，并采用側向約束系統來限制頂梁的平面外自由度，以避免梁在低頻周期荷載作用下產生平面外變形。且參考抗震規范，采用變幅位移控制加載模式，利用液壓伺服系統施加低循環往復載荷。在每個試樣上放置7個位移傳感器和41個應變片。位移傳感器W1、W4和W5為電纜位移計，分別用于測量梁加載頂部的位移和底部蓋板兩端的平面外變形。傳感器W2和W3位于蓋板兩端，用于測量滑移。傳感器W6和W7位于梁的底部，用于測量梁的變形。應變儀集中安裝在連接區域的蓋板、底板和梁邊緣，以檢測承受較大應力區域的應變。

2 結果與討論

2.1 裝配式鋼板剪力墻失效模式

在試樣的整個加載過程中，對加載點的載荷位移曲線進行監測。觀察試樣的變形和接觸面的滑動。在加載初期，3個試件均處于彈性階段，加載點的荷載位移曲線呈線性變化。填充板沒有彎曲變形。位移傳感器（W2和W3）的讀數相對較小，讀數之間的差值約為零。因此，蓋板沒有滑動。測量底梁位移的位移傳感器（W6和W7）沒有讀數。測量蓋板平面外位移的位移傳感器（W4和W5）的讀數近似為零，因此交界處沒有發生屈曲。通過觀察，連接板和墻板之間沒有相對滑動。如圖1（a）和圖1（b）中圓圈所示，在漂移水平±4%的條件下，加載點位移分別達到-43.3mm和-44mm時，S-4和S-4R的填充板開始撕裂。在推拉過程中，鋼填充板在“屈曲”和“壓平”之間反復交替（如圖1（c）所示）。每塊填充板都有2處撕裂，中間的撕裂由反復的橫向屈曲造成，而連接區的撕裂則是由連接板邊緣的反復彎曲造成的[7]。然而，S-4和S-4R的承載能力并沒有突然下降，直到加載結束，S-4和S-4R的邊界橫梁都沒有出現彎曲變形，蓋板和底板也沒有明顯變形。且試驗結束時，S-6的填充鋼板沒有出現裂縫（如圖1（d）所示）。

2.2 骨架曲線變化分析

對3個試樣的骨架曲線進行比較，試驗結果如圖2所示。由圖2可知，S-4和S-4R的骨架曲線變化相似，當層間位移角為-6°～ -2°時，其初始剛度值大致相等，平均荷載為300kN。當裝配式鋼板剪力墻進入彈塑性階段后，骨架曲線趨于漸變，并在峰值載荷后逐漸減小；因此，試樣達到塑性階段。S-6的初始剛度在開始時較大，最大剛度為380kN。且可以觀察到，3個試件在相同的層間位移角下均達到了彈塑性階段，但S-6的初始剛度大于S-4R和S-4。而當層間位移角大于4°時，S-6的極限破壞承載力沒有明顯增加，表明3組鋼板剪力墻試件均表現出良好的延性和抗震性能。且由圖2可知，在低周反復加載過程中，試件的破壞模式由下向上依次為開裂破壞、屈服破壞、剪切破壞、彎曲破壞、壓潰破壞。1）開裂和屈服破壞主要是由板梁連接處鋼板斷裂造成的。試件屈服后，板梁連接處鋼板沒有出現開裂現象，說明板梁連接處鋼板沒有發生屈曲現象。2）彎曲和剪切破壞主要是由試件的剪切破壞引起的。當板梁斷裂后，試件底部板和隔板會出現裂縫，在地震荷載作用下，板中鋼板會發生彎曲和剪切變形，從而導致試件底部板開裂和屈服[8]。3）壓潰主要是由板梁斷裂后板梁與蓋板之間出現較大縫隙造成的。當試件處于低周反復加載時，板梁斷裂會導致試件底部板發生彎曲和剪切變形。同時，板梁斷裂會導致蓋板產生較大的拉應力和壓應力。這些拉應力和壓應力都會導致蓋板發生拉斷或壓碎。

3 有限元分析

3.1 有限元模型建立

為進一步探究裝配式鋼板剪力墻不連續蓋板連接的抗震安全性，使用ABAQUS有限元分析軟件進行數值模擬。采用靜態和準靜態有限元方法對3組裝配式鋼板剪力墻（S-6、S-4和S-4R）和2組焊接鋼板剪力墻（p-1和p-2）進行分析，有限元模型如圖3所示。裝配式鋼板剪力墻與建立有限元模型的試樣尺寸相同，焊接鋼板剪力墻p-1和p-2的填充板厚度分別為6mm和4mm。由于模型為純梁連接鋼板剪力墻，因此填充板對柱的影響可以忽略不計。

為簡化有限元模型，使計算更方便，計算模型中的鉸接柱采用剛性柱梁元素RB3D2。其余部分采用三維實體元素（C3D8R）。在 ABAQUS軟件中，用“表面-表面”的方法對螺栓與鋼板間的摩擦力進行建模[9]。其中，高剛度板材的曲面稱為主曲面，低剛度板材的曲面稱為次曲面。板材間的接觸表面進行噴涂，并將其摩擦系數設為0.5。鋼板參數如下：屈服強度為235MPa，泊松比為0.3，彈性模量為206GPa。同時，使用ABAQUS中的“螺栓載荷”對預張力進行建模。首先，對螺栓施加一個小的預緊力（10kN）。其次，將預張力增至設計值。最后，固定螺栓的長度，以確保預張力在后期加載階段能夠正常變化[10]。

3.2 耗能能力

利用ABAQUS有限元分析軟件進一步分析試件的耗能能力，試件不同層間漂移角的耗能能力如圖4所示。由圖4可知，S-4和S-4R試件的耗能能力大致相同，且S-4R試件的耗能大于S-4，當層間漂移角為1°時，S-4的耗能為122kN·m，而S-4R的耗能為125kN·m，隨著層間漂移角增加，S-4與S-4R的耗能均有所增加。當層間漂移角為8°時，S-4的耗能為312kN·m，比S-4R降低了4.24%。一方面，由于蓋板的不同布置對試件的耗能能力影響較小；另一方面，由于填充板厚度較小，因此S-4和S-4R試件的耗能能力變化差距較小。可以觀察到，S-6的耗能能力明顯小于S-4和S-4R，因此增加填充板的厚度可顯著提高耗能能力。當層間漂移角為1°～2°時，所有構件的耗能增加速度較慢，當層間漂移角大于6°時，所有構件的耗能增加幅度較快。主要因為在低周反復加載過程中，試件均發生擠壓收縮，試樣的填充板開始屈曲。而當層間漂移角達到一定值時，填充板開始彎曲并形成張力場。當張力場交替時，填充板的剪切能力提高，導致3個試樣的耗能能力開始呈線性增長，抗震效果較好。且由于S-6的橫向承載力在試驗結束時沒有下降，因此其耗能能力的增加速度比其他試樣慢。當層間漂移角為8°時，S-6的耗能為300kN·m，比S-4和S-4R分別增加了41.51%、35.74%。綜上所述，當填充板厚度為6mm時，試件的耗能能力小于填充板厚度4mm，蓋板的軸對稱布置可以明顯增加試件的抗震能力，主要是因為加載過程中填充板厚度6mm的試件消耗的平均耗能更少，歸功于蓋板較好的承載能力和延展性。

4 結語

S-4和S-4R的邊界橫梁在加載過程中沒有出現彎曲變形，蓋板和底板也沒有明顯變形。且試驗結束時，S-6的填充鋼板沒有出現裂縫。在低周反復加載過程中，試件的破壞模式由下向上依次為開裂破壞、屈服破壞、剪切破壞、彎曲破壞、壓潰破壞。S-4和S-4R試件的耗能能力大致相同，且S-4R試件的耗能大于S-4。而S-6的耗能能力明顯小于S-4和S-4R，因此增加填充板的厚度可顯著提高耗能能力。當填充板厚度為6mm時，試件的耗能能力小于填充板厚度4mm，對稱布置蓋板的軸可以明顯提高試件的抗震能力。

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作者簡介：尚志通（1993—），男，碩士研究生，工程師，研究方向安全風險。

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