半刚性节点钢框架内填钢筋混凝土剪力墙结构试验研究

1、基金项目:国家自然科学基金(50378058作者简介:彭晓彤,博士,副教授收稿日期:2007-02-半刚性节点钢框架内填钢筋混凝土剪力墙结构试验研究彭晓彤1顾强2林晨3(1.济南大学,山东济南250022;2.苏州科技学院,江苏苏州215011;3.山东工艺美术学院,山东济南250014摘要:钢框架内填钢筋混凝土剪力墙结构(SRCW 弥补了传统抗弯钢框架侧向刚度不足的缺点,为采用较为经济的半刚性节点提供了可能。为了研究该结构体系的滞回性能和传力机理,对一榀1/3比例采用半刚性节点的SRCW 结构进行水平循环加载试验,从整体性能、局部性能和传力机理三个方面对试件结构进行分析评价。结果表明:该结构

2、拥有多重侧向力传递途径,因而具有较高的侧向承载力和强度储备,其侧向极限承载力为设计承载力的3.11倍;结构表现出良好的延性和耗能能力;栓钉的强度、数量和位置都直接影响到结构的各个性能指标;钢框架承担80%100%的倾覆弯矩,剪力墙承担80%90%的侧向力;节点刚度不宜过大,采用半刚性节点是合理的,并在此基础上提出了设计建议。关键词:SRCW 结构;半刚性节点;滞回性能;试验研究中图分类号:TU398文献标识码:A文章编号: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引言抗弯钢框架存在侧向刚度弱、水平荷载作用下变形较大及强震下节点转动能力不足等问题,在设计中可采用侧向支撑来满足工程使用的要求。典型的支撑框架结构是由承受重力荷载的框架和抗侧力体系两部分组成。抗侧力体系若采用钢板剪力墙时稳定问题突出,造成在设计中不得不采用厚板或加劲钢板墙方案,经济效果较差。采用钢筋混凝土剪力墙可降低造价、节约钢材,并可按照设计浇注成各种复杂断面形式,经过合理设计可获得较好的抗震性能。由于钢筋混凝土剪力墙抗侧移刚度大,弥补了钢框架侧向刚度土木工程学报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期不足的缺点,从而降低了钢框架对节点抗震的要求。由此激发了一种新的设计理念,提出了半刚性节点钢框架内填钢筋混凝土剪力墙混合结构(以下简称SRCW。SRCW 结构为钢-混凝土混合的框剪结构,钢框架与钢筋混凝土剪力墙之间采用栓钉连接,形成组合作用(见图1。钢框架作为边界构件抵抗全部竖向荷载和大部分整体弯矩,而RC (钢筋混凝土内填充墙可承担几乎全部水平力,并可有效地提高结构侧向刚度,减小侧移,降低对钢框架的抗震要求。因此系统研究SRCW 结构的滞回性能,提出抗震设计建议具有理论和工程意义。本文通过试验研究就SRCW 结构的滞回性能和传力机理进行分析与评

10、价。1试验方案1.1试件设计、试验装置原型结构为6层钢框架剪力墙结构,层高3.9m ,混凝土强度等级为C35,钢材选用Q345钢,拟作办公楼。试验模型取自核心区的一榀SRCW 结构的底部两层,并按13的相似系数来制作试件(图2。框架柱强轴垂直于框架平面,取材为热轧宽翼缘工字钢,规格为HW150×150,梁为热轧工字钢,规格为I18,钢材均为Q235-B 。剪力墙厚90mm ,混凝土强度等级为C35,墙内水平分布钢筋为HPB235(级钢筋d=8mm ,间距120mm ,配筋率为0.895%;墙内竖向分布钢筋为HPB235(级钢筋d=6mm ,间距120mm ,配筋率为0.505%。暗柱

11、、暗梁内纵向受力钢筋为4根HPB335(级钢筋d=8mm ;箍筋为钢丝d=4mm ,间距50mm 。抗剪栓钉直径为13mm ,全长为95mm ;钉头厚度为10mm ,钉头直径22mm ,沿钢框架梁、柱与内填剪力墙接触的四周以间距110mm 设置。四角钢半刚性节点,采用角钢(L140×90×10及高强螺栓M 16将梁上、下翼缘与柱翼缘连接;用角钢2L63×6及高强螺栓M12将梁腹板与柱翼缘相连。高强螺栓为大六角型,级别为10.9s ,材质为20M nTiB 。角钢材质为Q235-B 。如图2,利用两台100t 的水平作动器并排作用在试件顶端的加载梁上,实施循环反复加

12、载。在试件两侧中梁的位置分别安装两个工字钢梁来提供侧向约束。试件底部利用基础压梁和水平支撑来实现固端约束。1.2量测方案和加载方式柱子的关键位置(每层柱的上、中、下三个截面处、节点的顶底角钢处、中间梁两端、每个栓钉根部对称部位分别设置应变片(应变花来得到变形值(内力值。地梁、中梁和顶梁端处设置3个位移计来测其水平位移;柱子的节点域设置斜向位移计来量测剪切变形;梁端的上下翼缘水平设置两个位移计并将测点生根于柱翼缘来量测节点的转动位移;沿混凝土墙对角线方向放置一对位移计来测量相对变形;钢框架与剪力墙的接触面上,设置竖直、水平位移计来量测界面的分离和滑移变形。循环加载的前三级按力控制,分别为:300

13、kN (循环一周、450kN (循环一周、600kN (循环三周。四到六级荷载按位移(顶点位移取结构总高的百分数控制,分别为:顶点位移19.4mm (0.75%、顶点位移25.8mm (1.0%、顶点位移32.3mm (1.25%,每级循环3周,直到试件破坏。1.3材性钢框架及用于混凝土部分的冷拔钢筋基本材料性能见表1。混凝土试块(150mm ×150mm ×150mm 的平均强度f cm =46.89N/mm 2,根据规范计算公式则f ck =36.863N/mm 2,基本达到设计C35的要求。现场测定栓钉的极限抗拉强度为f u =527.81N/mm 2,5=4.643

14、%,栓钉屈服强度取f y =0.85f u =448.639N/mm 2。图1钢框架-钢筋混凝土剪力墙结构Fig.1The composite Steel Frame-RC Infill Wall System图2试验装置Fig.2Test Setup表1钢材及钢筋性能Table 1Material properties of steel member位置梁腹板柱腹板柱翼缘顶底角钢腹板角钢!4!6!8f y(MPa 316337310272298563431371f u(MPa 526471442437430704539464E(105MPa 2.12.12.072.12.092.02.052

15、.06彭晓彤等半刚性节点钢框架内填钢筋混凝土剪力墙结构试验研究65土木工程学报2008年表2试验结果(强度、刚度、层间位移Table 2Experimental results (strength ,stiffness ,interstory drift 注:表中31(-31表示第三级荷载正向(负向加载的1/4循环;1表示一层的层间位移;2表示二层的层间位移;表示结构的总侧移。由于试验失误未进行-33循环。荷载级循环推(正向表示符号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(负向位移(mm 50.6450.5450.5349.39/45.7444.5443.0839.4437.6335.8731.73刚度(kN/mm -1/-40.6042.7742.2942.20/41.6

18、743.0942.7542.8041.2040.2536.26112131323341424351525361表示符号2试验结果2.1整体评价一级荷载末,二层两个上角部出现45°的斜向裂缝,并向中间区域扩散,钢框架未见变形的迹象。二、三级荷载,原有裂缝不断延伸和扩张,相近的裂缝相互贯通,二层下角部有新增裂缝。四级荷载作用下,以原有裂缝扩展为主,二层两个上角部混凝土翘起,伴随有混凝土片状物剥落。本级荷载卸载后,试件整体向东倾斜,并发生了整体的刚体位移,原因为基础压梁刚度不足、水平支撑设置不当以及组件间隙过多,从而造成荷载-位移曲线上滞回环相对于原点不对称,反向加载时侧移小于正向加载。五

19、级荷载的51循环,试件达到了极限荷载928.40kN (表2,二层西顶角部原来翘起的混凝土开始大块地压碎剥落,同时试件发出咔咔的声音,疑为最上层栓钉部分发生破坏。框架柱靠近顶梁的位置出现屈服现象,塑性变形较为明显。六级荷载的61循环,加载到顶点位移32.71mm 时,荷载达到786.60kN 后突然下降,此时顶梁沿剪力墙整个界面上的混凝土大量剥落,并产生明显的错动。钢框架变形严重特别是顶部节点和柱子,于是卸载反向加载。-61循环,加载到731.80kN 时,试件突然晃动并发生破坏,整个顶梁与混凝土墙全部错开,界面处混凝土全部松动,角部压碎并露出钢筋笼,估计该处栓钉全部破坏(试验后检查结果也是如

20、此。两个柱端产生塑性铰,西面柱子与墙体接触面的上部被拉开1cm 的距离,在混凝土墙体暗柱边缘位置产生一条宽大的裂缝,破坏模态见图3,滞回曲线见图4。2.1.1强度按照我国相应规范进行试件设计时,设计侧向承载力1为298.5kN ,约等于一级控制荷载。在设计荷载作用下,结构除了出现少量裂缝外几乎保持完好,图4试验荷载-位移曲线Fig.4Total drift vs.lateral load curves图3裂缝及破坏模式Fig.3Cracking and failure Patterns66第41卷第1期可以认为在弹性阶段工作。极限荷载(928.4kN 为设计荷载的3.11倍,可见SRCW 结构

21、具有较高的强度储备。破坏荷载(731.8kN 为最大荷载的78.8%。2.1.2刚度本文采用点-点刚度对试件的刚度进行评价。点-点刚度是连接每级荷载正负方向最大荷载的直线斜率K pp (以下简称刚度。每级荷载的计算刚度见表2。可以看出,前三级荷载刚度几乎没有变化,认为结构处在弹性阶段。从第四级荷载开始结构的刚度下降,较初始刚度第一循环下降9.7%、第二循环下降12.1%、第三循环下降14.9%;同级荷载内第三循环比第一循环刚度下降5.8%,刚度弱化明显。第五级荷载三个循环刚度分别下降22.11%、25.69%、37.34%,第三循环刚度下降较大,因为顶梁处栓钉大量破坏,角部混凝土压碎所致。试件

22、破坏时的刚度为31.73kN/mm ,约为初始刚度的62.66%,刚度损失约为40%。一、二层的层间侧移和刚度是不同的(表2。正向加载时,前三级荷载一、二层的层间位移几乎是相同的,说明此时结构整体变形呈线性变化的。第四级荷载开始,一层的层间位移减小,二层的层间位移成为结构变形的主导,二层层间位移最大时占到总位移的64.24%,原因为:二层的裂缝要多于一层,出现的时间也较早;其次,二层角部的混凝土不同程度地压碎,一层角部的混凝土基本保持完好;最后,一层的约束强于二层,造成二层的刚度小于一层。当反向加载时,一开始变形就呈非线性变化,二层的变形就是结构变形的主导,随着荷载的增加,二层层间位移稳定在总

23、侧移的59%左右。分析结构的变形模式,前两个荷载组,一层的层间位移大于二层,呈现明显的剪切型侧移;加载的后期,二层的层间位移增加并大于一层,出现弯曲型的侧移模式。2.1.3延性、耗能采用延性系数(=u /y和相对变形值对结构的延性进行评价。如表2所示,结构整体刚度从第四级荷载开始明显下降,故取第三级荷载第二循环作为弹性阶段末,即y =15.47mm ,相应F y 为600.2kN 。u 取滞回曲线外包络线下降段范围内85%极限荷载(84.7%×928.4kN=786.6kN对应的位移,即取第六级荷载第一循环顶点位移u =32.71mm 。计算试件的延性系数(和相对变形值见表3。可以看

24、出,一、二层的延性和变形能力是不同的,二层的延性系数(2.64是一层的(1.551.7倍,是整体的1.25倍。二层的变形能力和延性要好于一层,这是因为,底部约束较强限制了一层的变形从而造成上下两层变形不均匀。在实际工程中,由于一层往往拥有较高的层高、可能存在地下室、基础,能允许一定的变形,因此这个因素完全可以忽略。采用功耗比W r 来定量地描述结构的耗能能力。根据试验荷载-位移曲线(滞回环,计算每一个滞回环在第一象限的面积A i ,除以A y (A y =F y ×y =600.2kN ×15.47mm 即得每一荷载水平的功耗比W ri (W ri =A i /A y

25、15;100%,见表4。结构表现出较好的耗能能力,最大的功耗比达84.72%。前两级荷载,结构尚在弹性阶段工作,仅有剪力墙上的少量裂缝,吸收能量较小,功耗比小于10%;第三级荷载,裂缝扩展贯通并不断产生新裂缝使得功耗比达到18.69%;从四级荷载开始结构耗能能力提高较多,这是因为混凝土大量开裂后钢筋参与吸收能量、节点发生转动,角钢参与耗能、钢框架变形以及栓钉耗能。五、六级荷载,顶角部混凝土不断压碎、栓钉不断破坏、柱子和钢筋不断屈服使得功耗比不断增加,在结构破坏前耗能达到极值。上下两层耗能相差不大,随着荷载的加大,二层逐渐成为耗能的主体,因为二层变形能力要好于一层。2.2局部性能2.2.1柱内力

26、受拉、受压柱共同组成力矩来抵抗倾覆弯矩。轴力沿柱高是不断减小的,因为倾覆弯矩是逐渐变小的,受拉柱底部轴力最大但受压柱却是一层中部最大,原因是,受压柱靠近底部与混凝土结合紧密,混凝土更多地参与受压使柱子承担的压力下降;受拉柱周围的混凝土参与受拉的能力较低,倾覆弯矩产生的拉力主要由柱子来承受。受拉柱的拉力总是大于受压柱的压力,因为受压柱与周围的混凝土墙体结合紧密使墙体更多地参与受压,受拉柱周围的墙体靠栓钉传名称y (mm u (mm 高度H(mm 延性系数(变形能力u /H(%一层7.4311.5112001.550.96二层8.0421.2012902.641.64整体15.4732.71249

27、02.111.31表3延性和变形能力Table 3Ductility and displacement capability表4功耗比(%Table 4Energy dissipation荷载级一层W r 二层W r 整体W r一层W r /整体W r 二层W r /整体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彭晓彤等半刚性节点钢框架

28、内填钢筋混凝土剪力墙结构试验研究67土木工程学报2008年递剪力来帮助抗弯,作用力相对较小,从而使两个柱子形成的力矩中性轴偏向受压端。反向加载受压柱的轴力大于正向加载受压柱的轴力,因为正向加载过后,变形不协调使受拉柱与混凝土结合不紧密,因此反向加载时混凝土对受压柱(原受拉柱的有利帮助减小。2.2.2半刚性节点根据节点的两个水平位移计的读数来计算节点整体的转角和伸长值,在加载初期(一、二级荷载,节点的转动很小,可以忽略不计。从三级荷载开始节点开始出现转动,到31循环转角为0.003rad。四、五级荷载转角较上级荷载增加一倍达0.006rad。在61循环转角突然增加到0.0115rad达到了极值。

29、梁端弯矩并没有随着转角的增大而增大相反却有下降的趋势,分析原因为:11循环节点被混凝土包裹紧密,此时节点的转角与梁端的弯矩是呈线性比例增加的; 21循环末,角部混凝土裂缝与节点结合的紧密程度下降,同时角钢的厚度小于梁翼缘的厚度,加之梁与柱之间存在间隙(12mm,使梁端对顶底角钢水平肢产生撬力,节点的转动开始主要由角钢的变形产生,梁端只是发生刚体转动,所以直到41循环转角增大而梁端弯矩却没有变化。51循环节点附近的混凝土裂缝相互贯通降低了对梁端的约束,角钢可以更多地自由转动造成转角继续增加而梁端弯矩下降的现象。说明当剪力墙角部发生破坏,结构组合作用下降后,半刚性节点起到了抗弯的作用,保证了结构必

30、要的整体性。2.2.3栓钉通过对上下两层8个界面上栓钉的观察,除部分中间区域的栓钉没有屈服,其余的栓钉都发生了屈服或断裂,特别是破坏面(二层上界面的栓钉全部断裂(如图5,破坏断面较为平整光滑,且发生破坏时变形值低于上级荷载的变形值,这些现象表明栓钉属于低周疲劳破坏。栓钉破坏的顺序为:二层上界面角部栓钉开始屈服,并向中间延伸;接着一、二层西侧界面的下角部区和一层上界面西角部区栓钉屈服并向中间扩散;然后二层下界面东角部及东侧界面栓钉均匀地屈服;二层下界面西侧栓钉最后发生屈服。栓钉在SRCW结构中起着组合的作用,钢框架和剪力墙在受力过程中由于变形协调的原因,使栓钉不仅受剪同时还承受轴向作用力,混凝土

31、会缓解栓钉受到的压力,因此栓钉主要承受拉剪作用。为了解栓钉受拉作用下的抗剪能力,对不同位置的栓钉轴向应变(N和弯曲应变(M进行对比分析:栓钉以受剪为主,同一界面上的栓钉受到的剪力基本一致,因为剪力墙中暗柱、暗梁相互连接使栓钉受力均匀。加载后期,由于角部混凝土被拉开,使得该处的栓钉主要承受拉力。侧向界面上的栓钉受到的剪力普遍小于水平界面的栓钉。同为水平界面的栓钉,越靠近底部受到的剪力越小,因为框架柱分担了更多的剪力所致。2.3传力机理2.3.1侧向力分配如图6,SRCW结构的侧向力传递到基础的三个理想途径是:(1通过栓钉在钢框架与剪力墙之间传递;(2剪力墙以斜向压杆力的方式将侧向力向下传递;(3

32、用钢框架自身变形来传递剪力。试验结果表明:B截面,在11循环,栓钉分担75%的侧向力,随着荷载的增加,栓钉分担侧向力的比例不断增加。在51循环达到极限荷载时,栓钉分担比例最大可达85%。C截面栓钉分担侧向力的比例随着荷载的增大稍有增加,最大为87%。E截面栓钉在11循环承担的侧向力比例最大(90%,随后21、31循环,比例不断下降,最小为83%。总体来说,栓钉分担侧向力的比例在80%90%之间。混凝土斜向压杆传递的侧向力,正向加载时,在11循环为总侧向力的10.4%,在21、31循环比例稍有增大,最大达15.3%。以A、D截面为例,钢框架分担的侧向力基本保持在总侧向力的10%20%之间,说明钢

33、框架柱一开始就分担一定的侧向力。图5二层上界面破坏栓钉(西到东Fig.5Fractured studs on upper interface of second story图6侧向力传力机理Fig.6Mechanism of lateral shear force transfer68第 卷 第期 彭晓彤等半刚性节点钢框架内填钢筋混凝土剪力墙结构试验研究 倾覆弯矩的分配 钢框架分担 倾覆弯矩 （ 截 面） 的比例从 循 指标。总体来说， 增加水平向栓钉是提高结构耗能能 力的好方法。在设计栓钉时， 应计及轴向拉力对抗剪 承载力的影响， 对其抗剪承载力做适当折减。施工时 宜采取相应措施来提高栓钉的疲劳寿命。 合理设置剪力墙中的暗柱、暗梁有利于提高 环的 增加 到 循环的 ； 截 面分配的 倾 覆弯矩的比例一直保持在 左右。 结论及设计建议 结构拥有多重侧向力传递途径： 栓钉与剪 结构的整体性能， 将两者钢筋笼中的纵向钢筋 相互贯通并可靠连接， 这样会在钢框架内部形成一个 内框架延缓和避免节点附近混凝土的压碎， 提高了结 构的承载力， 但会相应降低结构的延性、耗能能力。 钢框架的节点刚度不宜过大， 采用刚性节点是不 合理的。适当降低节点的刚度有利于结构的延性和耗 能，