半剛性節(jié)點鋼框架內填鋼筋混凝土剪力墻結構試驗研究

1、基金項目:國家自然科學基金(50378058作者簡介:彭曉彤,博士,副教授收稿日期:2007-02-半剛性節(jié)點鋼框架內填鋼筋混凝土剪力墻結構試驗研究彭曉彤1顧強2林晨3(1.濟南大學,山東濟南250022;2.蘇州科技學院,江蘇蘇州215011;3.山東工藝美術學院,山東濟南250014摘要:鋼框架內填鋼筋混凝土剪力墻結構(SRCW 彌補了傳統(tǒng)抗彎鋼框架側向剛度不足的缺點,為采用較為經濟的半剛性節(jié)點提供了可能。為了研究該結構體系的滯回性能和傳力機理,對一榀1/3比例采用半剛性節(jié)點的SRCW 結構進行水平循環(huán)加載試驗,從整體性能、局部性能和傳力機理三個方面對試件結構進行分析評價。結果表明:該結構

2、擁有多重側向力傳遞途徑,因而具有較高的側向承載力和強度儲備,其側向極限承載力為設計承載力的3.11倍;結構表現(xiàn)出良好的延性和耗能能力;栓釘?shù)膹姸取?shù)量和位置都直接影響到結構的各個性能指標;鋼框架承擔80%100%的傾覆彎矩,剪力墻承擔80%90%的側向力;節(jié)點剛度不宜過大,采用半剛性節(jié)點是合理的,并在此基礎上提出了設計建議。關鍵詞:SRCW 結構;半剛性節(jié)點;滯回性能;試驗研究中圖分類號:TU398文獻標識碼:A文章編號:1000-131X (200801-0064-06Experimental study on steel frame-reinforced concrete infill w

3、allstructures with semi-rigid jointsPeng Xiaotong 1Gu Qiang 2Lin Chen 3(1.University of Jinan,Jinan 250022,China ;2.Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215011,China;3.Shandong University of Art and Design,Jinan 250014,China Abstract:The composite steel frame-reinforced concrete infill

4、 wall (SRCW structural system increases the lateral stiffness of the traditional moment resistant steel frame,which provides the opportunity to use partially-restrained (PR instead of more expensive fully-restrained connections.In order to study the hysteretic behavior and force distribution of such

5、 structural system,a model of one-third scale was tested under cyclic load,and based on which the general behavior,local response and force distribution of the model were analyzed and evaluated.The experimental results indicate that the structure has ample lateral bearing capacity and high safety fa

6、ctor for its multiple load-transfer paths.The ultimate lateral baring capacity is 3.11times of the design lateral load.The structure performs well in ductility and energy dissipation.The strength,number and location of headed studs significantly affect theperformances of the structure.The steel fram

7、ework undertakes 80%100%of the whole overturning moment and the infill wall takes 80%90%of overall lateral load.It is more suitable to use partially-restrained connections than fully-restrained connections.Keywords:SRCW structure;partially-restrained connection;hysteretic behavior;experimental study

8、 E-mail:pengxito引言抗彎鋼框架存在側向剛度弱、水平荷載作用下變形較大及強震下節(jié)點轉動能力不足等問題,在設計中可采用側向支撐來滿足工程使用的要求。典型的支撐框架結構是由承受重力荷載的框架和抗側力體系兩部分組成?？箓攘w系若采用鋼板剪力墻時穩(wěn)定問題突出,造成在設計中不得不采用厚板或加勁鋼板墻方案,經濟效果較差。采用鋼筋混凝土剪力墻可降低造價、節(jié)約鋼材,并可按照設計澆注成各種復雜斷面形式,經過合理設計可獲得較好的抗震性能。由于鋼筋混凝土剪力墻抗側移剛度大,彌補了鋼框架側向剛度土木工程學報CHIN A CIVIL ENGINEERING JOURNAL第41卷第1期2008年1月Vol

9、 .41No.1Jan .2008第41卷第1期不足的缺點,從而降低了鋼框架對節(jié)點抗震的要求。由此激發(fā)了一種新的設計理念,提出了半剛性節(jié)點鋼框架內填鋼筋混凝土剪力墻混合結構(以下簡稱SRCW。SRCW 結構為鋼-混凝土混合的框剪結構,鋼框架與鋼筋混凝土剪力墻之間采用栓釘連接,形成組合作用(見圖1。鋼框架作為邊界構件抵抗全部豎向荷載和大部分整體彎矩,而RC (鋼筋混凝土內填充墻可承擔幾乎全部水平力,并可有效地提高結構側向剛度,減小側移,降低對鋼框架的抗震要求。因此系統(tǒng)研究SRCW 結構的滯回性能,提出抗震設計建議具有理論和工程意義。本文通過試驗研究就SRCW 結構的滯回性能和傳力機理進行分析與評

10、價。1試驗方案1.1試件設計、試驗裝置原型結構為6層鋼框架剪力墻結構,層高3.9m ,混凝土強度等級為C35,鋼材選用Q345鋼,擬作辦公樓。試驗模型取自核心區(qū)的一榀SRCW 結構的底部兩層,并按13的相似系數(shù)來制作試件(圖2。框架柱強軸垂直于框架平面,取材為熱軋寬翼緣工字鋼,規(guī)格為HW150×150,梁為熱軋工字鋼,規(guī)格為I18,鋼材均為Q235-B 。剪力墻厚90mm ,混凝土強度等級為C35,墻內水平分布鋼筋為HPB235(級鋼筋d=8mm ,間距120mm ,配筋率為0.895%;墻內豎向分布鋼筋為HPB235(級鋼筋d=6mm ,間距120mm ,配筋率為0.505%。暗柱

11、、暗梁內縱向受力鋼筋為4根HPB335(級鋼筋d=8mm ;箍筋為鋼絲d=4mm ,間距50mm ?？辜羲ㄡ斨睆綖?3mm ,全長為95mm ;釘頭厚度為10mm ,釘頭直徑22mm ,沿鋼框架梁、柱與內填剪力墻接觸的四周以間距110mm 設置。四角鋼半剛性節(jié)點,采用角鋼(L140×90×10及高強螺栓M 16將梁上、下翼緣與柱翼緣連接;用角鋼2L63×6及高強螺栓M12將梁腹板與柱翼緣相連。高強螺栓為大六角型,級別為10.9s ,材質為20M nTiB 。角鋼材質為Q235-B 。如圖2,利用兩臺100t 的水平作動器并排作用在試件頂端的加載梁上,實施循環(huán)反復加

12、載。在試件兩側中梁的位置分別安裝兩個工字鋼梁來提供側向約束。試件底部利用基礎壓梁和水平支撐來實現(xiàn)固端約束。1.2量測方案和加載方式柱子的關鍵位置(每層柱的上、中、下三個截面處、節(jié)點的頂?shù)捉卿撎?、中間梁兩端、每個栓釘根部對稱部位分別設置應變片(應變花來得到變形值(內力值。地梁、中梁和頂梁端處設置3個位移計來測其水平位移;柱子的節(jié)點域設置斜向位移計來量測剪切變形;梁端的上下翼緣水平設置兩個位移計并將測點生根于柱翼緣來量測節(jié)點的轉動位移;沿混凝土墻對角線方向放置一對位移計來測量相對變形;鋼框架與剪力墻的接觸面上,設置豎直、水平位移計來量測界面的分離和滑移變形。循環(huán)加載的前三級按力控制,分別為:300

13、kN (循環(huán)一周、450kN (循環(huán)一周、600kN (循環(huán)三周。四到六級荷載按位移(頂點位移取結構總高的百分數(shù)控制,分別為:頂點位移19.4mm (0.75%、頂點位移25.8mm (1.0%、頂點位移32.3mm (1.25%,每級循環(huán)3周,直到試件破壞。1.3材性鋼框架及用于混凝土部分的冷拔鋼筋基本材料性能見表1。混凝土試塊(150mm ×150mm ×150mm 的平均強度f cm =46.89N/mm 2,根據(jù)規(guī)范計算公式則f ck =36.863N/mm 2,基本達到設計C35的要求?，F(xiàn)場測定栓釘?shù)臉O限抗拉強度為f u =527.81N/mm 2,5=4.643

14、%,栓釘屈服強度取f y =0.85f u =448.639N/mm 2。圖1鋼框架-鋼筋混凝土剪力墻結構Fig.1The composite Steel Frame-RC Infill Wall System圖2試驗裝置Fig.2Test Setup表1鋼材及鋼筋性能Table 1Material properties of steel member位置梁腹板柱腹板柱翼緣頂?shù)捉卿摳拱褰卿?4!6!8f y(MPa 316337310272298563431371f u(MPa 526471442437430704539464E(105MPa 2.12.12.072.12.092.02.052

15、.06彭曉彤等半剛性節(jié)點鋼框架內填鋼筋混凝土剪力墻結構試驗研究65土木工程學報2008年表2試驗結果(強度、剛度、層間位移Table 2Experimental results (strength ,stiffness ,interstory drift 注:表中31(-31表示第三級荷載正向(負向加載的1/4循環(huán);1表示一層的層間位移;2表示二層的層間位移;表示結構的總側移。由于試驗失誤未進行-33循環(huán)。荷載級循環(huán)推(正向表示符號1/(%2/(%位移(mm 反力(kN 反力(kN +1/+2/-2/-一300kN 8.12323.80-4.68-324.40-1152.7147.2959.4

16、0二450kN 11.30457.40-6.78-455.80-2150.6249.3857.23三600kN一周15.03609.20-9.08-608.60-3148.5051.5057.71二周15.47600.20-9.47-631.00-3248.0351.9757.80三周16.19610.60/46.4053.60/四25.8mm一周22.02819.00-14.47-849.60-4144.5055.5058.33二周24.08872.40-13.74-811.60-4240.4559.5556.91三周24.24839.00-13.80-799.60-4340.0259.98

17、57.25五32.3mm 一周28.50928.40-16.33-890.80-5139.4460.5657.20二周29.84883.20-16.36-855.40-5237.4062.6058.80六38.7mm三周一周29.7632.71832.20786.60-16.20-15.15-816.40-731.80-53-6136.5635.1963.4464.8159.7563.74拉(負向位移(mm 50.6450.5450.5349.39/45.7444.5443.0839.4437.6335.8731.73剛度(kN/mm -1/-40.6042.7742.2942.20/41.6

18、743.0942.7542.8041.2040.2536.26112131323341424351525361表示符號2試驗結果2.1整體評價一級荷載末,二層兩個上角部出現(xiàn)45°的斜向裂縫,并向中間區(qū)域擴散,鋼框架未見變形的跡象。二、三級荷載,原有裂縫不斷延伸和擴張,相近的裂縫相互貫通,二層下角部有新增裂縫。四級荷載作用下,以原有裂縫擴展為主,二層兩個上角部混凝土翹起,伴隨有混凝土片狀物剝落。本級荷載卸載后,試件整體向東傾斜,并發(fā)生了整體的剛體位移,原因為基礎壓梁剛度不足、水平支撐設置不當以及組件間隙過多,從而造成荷載-位移曲線上滯回環(huán)相對于原點不對稱,反向加載時側移小于正向加載。五

19、級荷載的51循環(huán),試件達到了極限荷載928.40kN (表2,二層西頂角部原來翹起的混凝土開始大塊地壓碎剝落,同時試件發(fā)出咔咔的聲音,疑為最上層栓釘部分發(fā)生破壞。框架柱靠近頂梁的位置出現(xiàn)屈服現(xiàn)象,塑性變形較為明顯。六級荷載的61循環(huán),加載到頂點位移32.71mm 時,荷載達到786.60kN 后突然下降,此時頂梁沿剪力墻整個界面上的混凝土大量剝落,并產生明顯的錯動。鋼框架變形嚴重特別是頂部節(jié)點和柱子,于是卸載反向加載。-61循環(huán),加載到731.80kN 時,試件突然晃動并發(fā)生破壞,整個頂梁與混凝土墻全部錯開,界面處混凝土全部松動,角部壓碎并露出鋼筋籠,估計該處栓釘全部破壞(試驗后檢查結果也是如

20、此。兩個柱端產生塑性鉸,西面柱子與墻體接觸面的上部被拉開1cm 的距離,在混凝土墻體暗柱邊緣位置產生一條寬大的裂縫,破壞模態(tài)見圖3,滯回曲線見圖4。2.1.1強度按照我國相應規(guī)范進行試件設計時,設計側向承載力1為298.5kN ,約等于一級控制荷載。在設計荷載作用下,結構除了出現(xiàn)少量裂縫外幾乎保持完好,圖4試驗荷載-位移曲線Fig.4Total drift vs.lateral load curves圖3裂縫及破壞模式Fig.3Cracking and failure Patterns66第41卷第1期可以認為在彈性階段工作。極限荷載(928.4kN 為設計荷載的3.11倍,可見SRCW 結構

21、具有較高的強度儲備。破壞荷載(731.8kN 為最大荷載的78.8%。2.1.2剛度本文采用點-點剛度對試件的剛度進行評價。點-點剛度是連接每級荷載正負方向最大荷載的直線斜率K pp (以下簡稱剛度。每級荷載的計算剛度見表2?？梢钥闯?前三級荷載剛度幾乎沒有變化,認為結構處在彈性階段。從第四級荷載開始結構的剛度下降,較初始剛度第一循環(huán)下降9.7%、第二循環(huán)下降12.1%、第三循環(huán)下降14.9%;同級荷載內第三循環(huán)比第一循環(huán)剛度下降5.8%,剛度弱化明顯。第五級荷載三個循環(huán)剛度分別下降22.11%、25.69%、37.34%,第三循環(huán)剛度下降較大,因為頂梁處栓釘大量破壞,角部混凝土壓碎所致。試件

22、破壞時的剛度為31.73kN/mm ,約為初始剛度的62.66%,剛度損失約為40%。一、二層的層間側移和剛度是不同的(表2。正向加載時,前三級荷載一、二層的層間位移幾乎是相同的,說明此時結構整體變形呈線性變化的。第四級荷載開始,一層的層間位移減小,二層的層間位移成為結構變形的主導,二層層間位移最大時占到總位移的64.24%,原因為:二層的裂縫要多于一層,出現(xiàn)的時間也較早;其次,二層角部的混凝土不同程度地壓碎,一層角部的混凝土基本保持完好;最后,一層的約束強于二層,造成二層的剛度小于一層。當反向加載時,一開始變形就呈非線性變化,二層的變形就是結構變形的主導,隨著荷載的增加,二層層間位移穩(wěn)定在總

23、側移的59%左右。分析結構的變形模式,前兩個荷載組,一層的層間位移大于二層,呈現(xiàn)明顯的剪切型側移;加載的后期,二層的層間位移增加并大于一層,出現(xiàn)彎曲型的側移模式。2.1.3延性、耗能采用延性系數(shù)(=u /y和相對變形值對結構的延性進行評價。如表2所示,結構整體剛度從第四級荷載開始明顯下降,故取第三級荷載第二循環(huán)作為彈性階段末,即y =15.47mm ,相應F y 為600.2kN 。u 取滯回曲線外包絡線下降段范圍內85%極限荷載(84.7%×928.4kN=786.6kN對應的位移,即取第六級荷載第一循環(huán)頂點位移u =32.71mm 。計算試件的延性系數(shù)(和相對變形值見表3?？梢钥?/p>

24、出,一、二層的延性和變形能力是不同的,二層的延性系數(shù)(2.64是一層的(1.551.7倍,是整體的1.25倍。二層的變形能力和延性要好于一層,這是因為,底部約束較強限制了一層的變形從而造成上下兩層變形不均勻。在實際工程中,由于一層往往擁有較高的層高、可能存在地下室、基礎,能允許一定的變形,因此這個因素完全可以忽略。采用功耗比W r 來定量地描述結構的耗能能力。根據(jù)試驗荷載-位移曲線(滯回環(huán),計算每一個滯回環(huán)在第一象限的面積A i ,除以A y (A y =F y ×y =600.2kN ×15.47mm 即得每一荷載水平的功耗比W ri (W ri =A i /A y

25、15;100%,見表4。結構表現(xiàn)出較好的耗能能力,最大的功耗比達84.72%。前兩級荷載,結構尚在彈性階段工作,僅有剪力墻上的少量裂縫,吸收能量較小,功耗比小于10%;第三級荷載,裂縫擴展貫通并不斷產生新裂縫使得功耗比達到18.69%;從四級荷載開始結構耗能能力提高較多,這是因為混凝土大量開裂后鋼筋參與吸收能量、節(jié)點發(fā)生轉動,角鋼參與耗能、鋼框架變形以及栓釘耗能。五、六級荷載,頂角部混凝土不斷壓碎、栓釘不斷破壞、柱子和鋼筋不斷屈服使得功耗比不斷增加,在結構破壞前耗能達到極值。上下兩層耗能相差不大,隨著荷載的加大,二層逐漸成為耗能的主體,因為二層變形能力要好于一層。2.2局部性能2.2.1柱內力

26、受拉、受壓柱共同組成力矩來抵抗傾覆彎矩。軸力沿柱高是不斷減小的,因為傾覆彎矩是逐漸變小的,受拉柱底部軸力最大但受壓柱卻是一層中部最大,原因是,受壓柱靠近底部與混凝土結合緊密,混凝土更多地參與受壓使柱子承擔的壓力下降;受拉柱周圍的混凝土參與受拉的能力較低,傾覆彎矩產生的拉力主要由柱子來承受。受拉柱的拉力總是大于受壓柱的壓力,因為受壓柱與周圍的混凝土墻體結合緊密使墻體更多地參與受壓,受拉柱周圍的墻體靠栓釘傳名稱y (mm u (mm 高度H(mm 延性系數(shù)(變形能力u /H(%一層7.4311.5112001.550.96二層8.0421.2012902.641.64整體15.4732.71249

27、02.111.31表3延性和變形能力Table 3Ductility and displacement capability表4功耗比(%Table 4Energy dissipation荷載級一層W r 二層W r 整體W r一層W r /整體W r 二層W r /整體W r一3.412.776.1855.2444.76二4.763.908.6654.9345.07三8.0410.6518.6943.0256.98四16.9023.5040.4041.8458.16五30.6342.8573.4841.6958.31六30.3954.3484.7235.8664.14彭曉彤等半剛性節(jié)點鋼框架

28、內填鋼筋混凝土剪力墻結構試驗研究67土木工程學報2008年遞剪力來幫助抗彎,作用力相對較小,從而使兩個柱子形成的力矩中性軸偏向受壓端。反向加載受壓柱的軸力大于正向加載受壓柱的軸力,因為正向加載過后,變形不協(xié)調使受拉柱與混凝土結合不緊密,因此反向加載時混凝土對受壓柱(原受拉柱的有利幫助減小。2.2.2半剛性節(jié)點根據(jù)節(jié)點的兩個水平位移計的讀數(shù)來計算節(jié)點整體的轉角和伸長值,在加載初期(一、二級荷載,節(jié)點的轉動很小,可以忽略不計。從三級荷載開始節(jié)點開始出現(xiàn)轉動,到31循環(huán)轉角為0.003rad。四、五級荷載轉角較上級荷載增加一倍達0.006rad。在61循環(huán)轉角突然增加到0.0115rad達到了極值。

29、梁端彎矩并沒有隨著轉角的增大而增大相反卻有下降的趨勢,分析原因為:11循環(huán)節(jié)點被混凝土包裹緊密,此時節(jié)點的轉角與梁端的彎矩是呈線性比例增加的; 21循環(huán)末,角部混凝土裂縫與節(jié)點結合的緊密程度下降,同時角鋼的厚度小于梁翼緣的厚度,加之梁與柱之間存在間隙(12mm,使梁端對頂?shù)捉卿撍街a生撬力,節(jié)點的轉動開始主要由角鋼的變形產生,梁端只是發(fā)生剛體轉動,所以直到41循環(huán)轉角增大而梁端彎矩卻沒有變化。51循環(huán)節(jié)點附近的混凝土裂縫相互貫通降低了對梁端的約束,角鋼可以更多地自由轉動造成轉角繼續(xù)增加而梁端彎矩下降的現(xiàn)象。說明當剪力墻角部發(fā)生破壞,結構組合作用下降后,半剛性節(jié)點起到了抗彎的作用,保證了結構必

30、要的整體性。2.2.3栓釘通過對上下兩層8個界面上栓釘?shù)挠^察,除部分中間區(qū)域的栓釘沒有屈服,其余的栓釘都發(fā)生了屈服或斷裂,特別是破壞面(二層上界面的栓釘全部斷裂(如圖5,破壞斷面較為平整光滑,且發(fā)生破壞時變形值低于上級荷載的變形值,這些現(xiàn)象表明栓釘屬于低周疲勞破壞。栓釘破壞的順序為:二層上界面角部栓釘開始屈服,并向中間延伸;接著一、二層西側界面的下角部區(qū)和一層上界面西角部區(qū)栓釘屈服并向中間擴散;然后二層下界面東角部及東側界面栓釘均勻地屈服;二層下界面西側栓釘最后發(fā)生屈服。栓釘在SRCW結構中起著組合的作用,鋼框架和剪力墻在受力過程中由于變形協(xié)調的原因,使栓釘不僅受剪同時還承受軸向作用力,混凝土

31、會緩解栓釘受到的壓力,因此栓釘主要承受拉剪作用。為了解栓釘受拉作用下的抗剪能力,對不同位置的栓釘軸向應變(N和彎曲應變(M進行對比分析:栓釘以受剪為主,同一界面上的栓釘受到的剪力基本一致,因為剪力墻中暗柱、暗梁相互連接使栓釘受力均勻。加載后期,由于角部混凝土被拉開,使得該處的栓釘主要承受拉力。側向界面上的栓釘受到的剪力普遍小于水平界面的栓釘。同為水平界面的栓釘,越靠近底部受到的剪力越小,因為框架柱分擔了更多的剪力所致。2.3傳力機理2.3.1側向力分配如圖6,SRCW結構的側向力傳遞到基礎的三個理想途徑是:(1通過栓釘在鋼框架與剪力墻之間傳遞;(2剪力墻以斜向壓桿力的方式將側向力向下傳遞;(3

32、用鋼框架自身變形來傳遞剪力。試驗結果表明:B截面,在11循環(huán),栓釘分擔75%的側向力,隨著荷載的增加,栓釘分擔側向力的比例不斷增加。在51循環(huán)達到極限荷載時,栓釘分擔比例最大可達85%。C截面栓釘分擔側向力的比例隨著荷載的增大稍有增加,最大為87%。E截面栓釘在11循環(huán)承擔的側向力比例最大(90%,隨后21、31循環(huán),比例不斷下降,最小為83%。總體來說,栓釘分擔側向力的比例在80%90%之間。混凝土斜向壓桿傳遞的側向力,正向加載時,在11循環(huán)為總側向力的10.4%,在21、31循環(huán)比例稍有增大,最大達15.3%。以A、D截面為例,鋼框架分擔的側向力基本保持在總側向力的10%20%之間,說明鋼

33、框架柱一開始就分擔一定的側向力。圖5二層上界面破壞栓釘(西到東Fig.5Fractured studs on upper interface of second story圖6側向力傳力機理Fig.6Mechanism of lateral shear force transfer68第 卷 第期 彭曉彤等半剛性節(jié)點鋼框架內填鋼筋混凝土剪力墻結構試驗研究 傾覆彎矩的分配 鋼框架分擔 傾覆彎矩 （ 截 面） 的比例從 循 指標?？傮w來說， 增加水平向栓釘是提高結構耗能能 力的好方法。在設計栓釘時， 應計及軸向拉力對抗剪 承載力的影響， 對其抗剪承載力做適當折減。施工時 宜采取相應措施來提高栓釘?shù)钠趬勖?合理設置剪力墻中的暗柱、暗梁有利于提高 環(huán)的 增加 到 循環(huán)的 ； 截 面分配的 傾 覆彎矩的比例一直保持在 左右。 結論及設計建議 結構擁有多重側向力傳遞途徑： 栓釘與剪 結構的整體性能， 將兩者鋼筋籠中的縱向鋼筋 相互貫通并可靠連接， 這樣會在鋼框架內部形成一個 內框架延緩和避免節(jié)點附近混凝土的壓碎， 提高了結 構的承載力， 但會相應降低結構的延性、耗能能力。 鋼框架的節(jié)點剛度不宜過大， 采用剛性節(jié)點是不 合理的。適當降低節(jié)點的剛度有利于結構的延性和耗 能，