钢板混凝土剪力墙抗剪性能试验研究_纪晓东
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目前对钢 板 混 凝 土 墙 抗 剪 的 研 究 尚 不 充 分，已 有的部分试 验 中 尽 管 钢 板 发 生 了 剪 切 屈 服，但 试 件 最终破坏为 墙 底 部 的 压 弯 破 坏，不 能 完 全 反 映 墙 体 剪切破坏性能。此外，中国、美国和欧洲等设计规范 中钢板 混 凝 土 墙 受 剪 承 载 力 公 式 有 较 大 差 异。 为 此，对 5 个低剪跨比钢板混凝土墙进行恒定轴压力 和往复剪切作用下的拟静力试验，研究其滞回性能、 受剪承载力 和 变 形 能 力，对 比 不 同 连 接 件 形 式 对 外 包钢板混 凝 土 墙 受 剪 性 能 的 影 响。 另 外，对 试 验 数 据进行统计 分 析，对 比 不 同 规 范 中 钢 板 混 凝 土 墙 的 受剪承载力公式，比较钢板混凝土墙、钢骨混凝土墙 和钢筋混凝土墙的剪切变形能力。
1 试验概况
1. 1 试件设计 共设计了 5 个剪力墙试件，包括 2 个内嵌钢板混
凝土墙（ 试件 S1、S2） ，3 个外包钢板混凝土墙（ 试件 D1 ～ D3） 。试件为缩尺模型，墙截面尺寸根据加载装 置的能力确定，各试件的几何尺寸相同，如图 1 所示。 剪力墙试件 采 用 工 字 形 截 面，通 过 设 置 翼 墙 提 高 其 受弯承载力，使得试件最终破坏模式为剪切破坏，以
钢板混凝土剪力墙抗剪性能试验研究
纪晓东，贾翔夫，钱稼茹 （ 清华大学 土木工程安全与耐久教育部重点试验室，北京 100084）
摘要： 完成了 2 个内嵌钢板混凝土墙试件和 3 个外包钢板混凝土墙试件在恒定轴压力和往复剪切作用下的拟静力试验，用 以研究钢板混凝土剪力墙的抗剪性能。墙试件采用工字形截面，剪跨比为 1. 2，腹板墙截面含钢率约 6% 。试验结果表明： 试件腹板墙发生剪切破坏； 当设计轴压比由 0. 3 提高至 0. 6 时，试件的受剪承载力略有提高，极限位移角减小约 20% ； 在轴 压比相同和腹板墙含钢率相近的情况下，外包钢板混凝土墙的变形能力比内嵌钢板混凝土墙大约 20% ； 采用竖向加劲肋缀条拉结代替栓钉-对拉螺栓连接，外包钢板混凝土墙的受剪承载力差异不大，但变形能力显著增大。对国内外 46 个钢板 混凝土墙试验数据的分析表明，按中国规程 JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》计算得到的受剪承载力平均为试 验值的 78% ，计算公式偏于安全； 而美国规范 AISC 341-10 和欧洲规范 Eurocode 8 的计算公式仅考虑钢板的抗剪贡献，计算 值仅为试验值的 51% ，严重低估了钢板混凝土墙的受剪承载力。对大量剪力墙试验数据的分析表明，钢板混凝土墙的剪切 变形能力显著优于钢筋混凝土墙和钢骨混凝土墙。 关键词： 钢板混凝土剪力墙； 拟静力试验； 受剪承载力； 变形能力； 低损伤墙 中图分类号： TU398. 9 TU317. 1 文献标志码： A
图 2 试件截面尺寸及细部构造 Fig． 2 Cross section and details of specimens
47
比 l / t = 16. 7。栓钉承载力按《组合结构设计规范》 报批稿的规定验算［8］，满 足 要 求。试 件 S1、S2 的 墙 端部埋置焊接 H 型钢，型钢翼缘与内嵌钢板之间采 用全熔透对接焊缝连接。试件腹板墙的水平和竖向 分布钢筋为 6@ 100，配筋率均为 0. 47% ； 腹板墙墙 端部设置 4 16 的纵筋，两侧翼墙内各设置 12 28 的 纵筋，在翼墙内设置复合箍； 在内嵌钢板上开孔，箍 筋和拉筋穿过钢板。
基金项目： “十二五”国家科技支撑计划（ 2012BAJ07B01） ，国家自然科学基金项目（ 91315301） 。 作者简介： 纪晓东（ 1979— ） ，男，山西太原人，工学博士，副教授。E-mail： jixd@ mail. tsinghua. edu. cn 收稿日期： 2015 年 2 月
图 1 试件几何尺寸 Fig． 1 Dimensions of specimens 图 2 所示为各试件的墙截面尺寸及细部构造。 试件 S1 和试件 S2 在墙截面中部设置单钢板，钢板 厚 t = 6 mm，钢板上焊接栓钉，栓钉直径 8 mm、长度 40 mm，栓钉间距 l = 100 mm，栓钉间距与钢板厚度之
Experimental study on shear behavior of steel-plate composite shear walls
JI Xiaodong，JIA Xiangfu，QIAN Jiaru （ Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry，
试件 D1 ～ D3 在墙两侧设置外包钢板，钢板厚度 t = 4 mm，内填混凝土，不配钢筋。试件 D1、D2 采用 栓钉和对拉螺栓作为连接件。栓钉直径 8 mm、长度 40 mm，间距 l = 100 mm，栓钉间距与钢板厚度之比 l / t = 25，栓钉传递钢板和混凝土之间的剪力。对拉 螺栓直径 8 mm，间距 200 mm，起钢板施工定位作用， 并防止混凝土浇筑时侧压力作用下钢板发生平面外 变形，同时可增强两片钢板之间的拉结，保证墙体的 整体性。试件 D3 的两侧钢板之间采用竖向加劲肋缀条拉结［9］（ 图 2c） ，钢板内侧设置通长的竖向加劲 肋，竖向加劲肋间距与钢板厚度之比为 37. 5，两侧竖 向加劲肋之间通过水平缀条拉结。翼墙也设置外包 钢板，钢板 厚 度 t = 8 mm，内 部 浇 筑 混 凝 土。试 件 D1 ～ D3 的钢板均采用焊接连接，翼墙内侧钢板焊接 U 形筋，保证翼墙与腹板墙内混凝土之间的剪力传 递。试件 D1 ～ D3 的翼缘钢板内侧设置水平加劲肋， 以保证翼墙钢板和内部混凝土的竖向剪力传递。
46
0 引言
钢板混凝土剪力墙包括内嵌钢板混凝土墙和外 包钢板混 凝 土 墙。 近 年 来，国 内 外 学 者 对 钢 板 混 凝 土剪力墙 的 抗 剪 性 能 开 展 了 研 究，其 中，日 本 学 者 Akiyama 等［1］、Takeda 等［2］、Takeuchi 等［3］ 和 Ozaki 等［4］开展了外包钢板混凝土剪力墙的一系列抗剪试 验，但所研究的墙主要用于核反应堆的安全壳，故施 加的轴压力小、钢板含钢率较低，不同于超高层建筑 中的钢板混凝土墙。国内，孙建超等［5］完成了 11 个 内嵌钢板混凝土墙的抗剪试验，试件剪跨比为 1. 5， 试验结果表明，内嵌钢板混凝土墙延性良好，当钢板 与周围钢梁 柱 采 用 焊 接 连 接 时，墙 的 受 剪 承 载 力 高 于采用其他 连 接 方 式，还 提 出 了 内 嵌 钢 板 混 凝 土 墙 受剪承载力计算公式。杨晓蒙［6］完成了 7 个内嵌钢 板高强混凝土墙、2 个钢筋混凝土墙和 2 个钢骨混凝 土墙在高轴 压 和 往 复 剪 切 作 用 下 的 拟 静 力 试 验，试 件剪跨比为 1. 5，结果表明，内嵌钢板混凝土墙的变 形能力和耗能能力高于钢筋混凝土墙和钢骨混凝土 墙，研究还给出了钢板含钢率、分布钢筋配筋率等构 造措施建议。聂建国等［7］完成了 2 个外包钢板混凝 土剪力墙在高轴压力和往复剪切作用下的拟静力试 验，试件剪跨比为 1. 0，结果表明，外包钢板混凝土墙 受剪承载力高、延性大。
Tsinghua University，Beijing 100084，China）
Abstract： The cyclic shear behavior of steel-plate composite walls was examined through quasi-static tests where two single-plate reinforced composite walls and three double skin composite walls were subjected to axial forces and lateral cyclic loading． All wall specimens had an I-shaped cross section and a steel reinforcement ratio of approximately 6% in the wall web． The shear-to-span ratio of the wall specimens was 1． 2． The following observations were found from the tests． All specimens failed in shear of wall web． When the design axial force ratio of the wall increased from 0． 3 to 0． 6，the shear strength of the wall increased slightly，while its ultimate drift decreased by approximately 20% ． Under the same axial force ratio and with similar steel reinforcement ratio，the double skin composite walls had the deformation capacity 20% larger than the single-plate reinforced composite walls． Using vertical stiffeners and batten bars instead of headed studs and tie bars for connectors could significantly increase the deformation capacity of the double skin composite walls，although it did not influence the shear strength of the walls． The analysis of test data on 46 steel-plate composite walls indicates the JGJ 3—2010 formula produces a conservative estimation of the shear strength，with the estimated strength equal to 78% of the test values on average． As the AISC 341-10 and Eurocode 8 formula consider the contribution of steel plates merely，it overly underestimates the shear strength of steel-plate composite walls and the shear strength estimated by the AISC 341-10 and Eurocode 8 formula is 51% of the test values on average． The analysis on a large volume of test data indicates that the shear deformation capacity of steel-plate reinforced composite walls is superior to reinforced concrete walls and steel profile reinforced concrete walls． Keywords： steel-plate composite shear wall； quasi-static test； shear strength； deformation capacity； low damage wall
获得剪力墙的抗剪能力。墙体高度 850 mm，墙截面 高度 850 mm，腹板墙厚度 120 mm，翼墙宽度 520 mm。 试 件 底 部 设 置 ＲC 地 梁，截 面 尺 寸 为 800 mm × 800 mm，顶部设置 ＲC 加载梁，截面尺寸为 350 mm × 350 mm，与剪力墙浇筑成整体。对加载梁和地梁的 配筋设计保证其在加载过程中不破坏。
建筑结构学报 Journal of Building Structures 文章编号： 1000-6869（ 2015） 11-0046-10
第 36 卷 第 11 期 2015 年 11 月 Vol. 36 No. 11 Nov． 2015
006
பைடு நூலகம்
DOI： 10． 14006 / j． jzjgxb． 2015． 11． 006
1 试验概况
1. 1 试件设计 共设计了 5 个剪力墙试件，包括 2 个内嵌钢板混
凝土墙（ 试件 S1、S2） ，3 个外包钢板混凝土墙（ 试件 D1 ～ D3） 。试件为缩尺模型，墙截面尺寸根据加载装 置的能力确定，各试件的几何尺寸相同，如图 1 所示。 剪力墙试件 采 用 工 字 形 截 面，通 过 设 置 翼 墙 提 高 其 受弯承载力，使得试件最终破坏模式为剪切破坏，以
钢板混凝土剪力墙抗剪性能试验研究
纪晓东，贾翔夫，钱稼茹 （ 清华大学 土木工程安全与耐久教育部重点试验室，北京 100084）
摘要： 完成了 2 个内嵌钢板混凝土墙试件和 3 个外包钢板混凝土墙试件在恒定轴压力和往复剪切作用下的拟静力试验，用 以研究钢板混凝土剪力墙的抗剪性能。墙试件采用工字形截面，剪跨比为 1. 2，腹板墙截面含钢率约 6% 。试验结果表明： 试件腹板墙发生剪切破坏； 当设计轴压比由 0. 3 提高至 0. 6 时，试件的受剪承载力略有提高，极限位移角减小约 20% ； 在轴 压比相同和腹板墙含钢率相近的情况下，外包钢板混凝土墙的变形能力比内嵌钢板混凝土墙大约 20% ； 采用竖向加劲肋缀条拉结代替栓钉-对拉螺栓连接，外包钢板混凝土墙的受剪承载力差异不大，但变形能力显著增大。对国内外 46 个钢板 混凝土墙试验数据的分析表明，按中国规程 JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》计算得到的受剪承载力平均为试 验值的 78% ，计算公式偏于安全； 而美国规范 AISC 341-10 和欧洲规范 Eurocode 8 的计算公式仅考虑钢板的抗剪贡献，计算 值仅为试验值的 51% ，严重低估了钢板混凝土墙的受剪承载力。对大量剪力墙试验数据的分析表明，钢板混凝土墙的剪切 变形能力显著优于钢筋混凝土墙和钢骨混凝土墙。 关键词： 钢板混凝土剪力墙； 拟静力试验； 受剪承载力； 变形能力； 低损伤墙 中图分类号： TU398. 9 TU317. 1 文献标志码： A
图 2 试件截面尺寸及细部构造 Fig． 2 Cross section and details of specimens
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比 l / t = 16. 7。栓钉承载力按《组合结构设计规范》 报批稿的规定验算［8］，满 足 要 求。试 件 S1、S2 的 墙 端部埋置焊接 H 型钢，型钢翼缘与内嵌钢板之间采 用全熔透对接焊缝连接。试件腹板墙的水平和竖向 分布钢筋为 6@ 100，配筋率均为 0. 47% ； 腹板墙墙 端部设置 4 16 的纵筋，两侧翼墙内各设置 12 28 的 纵筋，在翼墙内设置复合箍； 在内嵌钢板上开孔，箍 筋和拉筋穿过钢板。
基金项目： “十二五”国家科技支撑计划（ 2012BAJ07B01） ，国家自然科学基金项目（ 91315301） 。 作者简介： 纪晓东（ 1979— ） ，男，山西太原人，工学博士，副教授。E-mail： jixd@ mail. tsinghua. edu. cn 收稿日期： 2015 年 2 月
图 1 试件几何尺寸 Fig． 1 Dimensions of specimens 图 2 所示为各试件的墙截面尺寸及细部构造。 试件 S1 和试件 S2 在墙截面中部设置单钢板，钢板 厚 t = 6 mm，钢板上焊接栓钉，栓钉直径 8 mm、长度 40 mm，栓钉间距 l = 100 mm，栓钉间距与钢板厚度之
Experimental study on shear behavior of steel-plate composite shear walls
JI Xiaodong，JIA Xiangfu，QIAN Jiaru （ Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry，
试件 D1 ～ D3 在墙两侧设置外包钢板，钢板厚度 t = 4 mm，内填混凝土，不配钢筋。试件 D1、D2 采用 栓钉和对拉螺栓作为连接件。栓钉直径 8 mm、长度 40 mm，间距 l = 100 mm，栓钉间距与钢板厚度之比 l / t = 25，栓钉传递钢板和混凝土之间的剪力。对拉 螺栓直径 8 mm，间距 200 mm，起钢板施工定位作用， 并防止混凝土浇筑时侧压力作用下钢板发生平面外 变形，同时可增强两片钢板之间的拉结，保证墙体的 整体性。试件 D3 的两侧钢板之间采用竖向加劲肋缀条拉结［9］（ 图 2c） ，钢板内侧设置通长的竖向加劲 肋，竖向加劲肋间距与钢板厚度之比为 37. 5，两侧竖 向加劲肋之间通过水平缀条拉结。翼墙也设置外包 钢板，钢板 厚 度 t = 8 mm，内 部 浇 筑 混 凝 土。试 件 D1 ～ D3 的钢板均采用焊接连接，翼墙内侧钢板焊接 U 形筋，保证翼墙与腹板墙内混凝土之间的剪力传 递。试件 D1 ～ D3 的翼缘钢板内侧设置水平加劲肋， 以保证翼墙钢板和内部混凝土的竖向剪力传递。
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0 引言
钢板混凝土剪力墙包括内嵌钢板混凝土墙和外 包钢板混 凝 土 墙。 近 年 来，国 内 外 学 者 对 钢 板 混 凝 土剪力墙 的 抗 剪 性 能 开 展 了 研 究，其 中，日 本 学 者 Akiyama 等［1］、Takeda 等［2］、Takeuchi 等［3］ 和 Ozaki 等［4］开展了外包钢板混凝土剪力墙的一系列抗剪试 验，但所研究的墙主要用于核反应堆的安全壳，故施 加的轴压力小、钢板含钢率较低，不同于超高层建筑 中的钢板混凝土墙。国内，孙建超等［5］完成了 11 个 内嵌钢板混凝土墙的抗剪试验，试件剪跨比为 1. 5， 试验结果表明，内嵌钢板混凝土墙延性良好，当钢板 与周围钢梁 柱 采 用 焊 接 连 接 时，墙 的 受 剪 承 载 力 高 于采用其他 连 接 方 式，还 提 出 了 内 嵌 钢 板 混 凝 土 墙 受剪承载力计算公式。杨晓蒙［6］完成了 7 个内嵌钢 板高强混凝土墙、2 个钢筋混凝土墙和 2 个钢骨混凝 土墙在高轴 压 和 往 复 剪 切 作 用 下 的 拟 静 力 试 验，试 件剪跨比为 1. 5，结果表明，内嵌钢板混凝土墙的变 形能力和耗能能力高于钢筋混凝土墙和钢骨混凝土 墙，研究还给出了钢板含钢率、分布钢筋配筋率等构 造措施建议。聂建国等［7］完成了 2 个外包钢板混凝 土剪力墙在高轴压力和往复剪切作用下的拟静力试 验，试件剪跨比为 1. 0，结果表明，外包钢板混凝土墙 受剪承载力高、延性大。
Tsinghua University，Beijing 100084，China）
Abstract： The cyclic shear behavior of steel-plate composite walls was examined through quasi-static tests where two single-plate reinforced composite walls and three double skin composite walls were subjected to axial forces and lateral cyclic loading． All wall specimens had an I-shaped cross section and a steel reinforcement ratio of approximately 6% in the wall web． The shear-to-span ratio of the wall specimens was 1． 2． The following observations were found from the tests． All specimens failed in shear of wall web． When the design axial force ratio of the wall increased from 0． 3 to 0． 6，the shear strength of the wall increased slightly，while its ultimate drift decreased by approximately 20% ． Under the same axial force ratio and with similar steel reinforcement ratio，the double skin composite walls had the deformation capacity 20% larger than the single-plate reinforced composite walls． Using vertical stiffeners and batten bars instead of headed studs and tie bars for connectors could significantly increase the deformation capacity of the double skin composite walls，although it did not influence the shear strength of the walls． The analysis of test data on 46 steel-plate composite walls indicates the JGJ 3—2010 formula produces a conservative estimation of the shear strength，with the estimated strength equal to 78% of the test values on average． As the AISC 341-10 and Eurocode 8 formula consider the contribution of steel plates merely，it overly underestimates the shear strength of steel-plate composite walls and the shear strength estimated by the AISC 341-10 and Eurocode 8 formula is 51% of the test values on average． The analysis on a large volume of test data indicates that the shear deformation capacity of steel-plate reinforced composite walls is superior to reinforced concrete walls and steel profile reinforced concrete walls． Keywords： steel-plate composite shear wall； quasi-static test； shear strength； deformation capacity； low damage wall
获得剪力墙的抗剪能力。墙体高度 850 mm，墙截面 高度 850 mm，腹板墙厚度 120 mm，翼墙宽度 520 mm。 试 件 底 部 设 置 ＲC 地 梁，截 面 尺 寸 为 800 mm × 800 mm，顶部设置 ＲC 加载梁，截面尺寸为 350 mm × 350 mm，与剪力墙浇筑成整体。对加载梁和地梁的 配筋设计保证其在加载过程中不破坏。
建筑结构学报 Journal of Building Structures 文章编号： 1000-6869（ 2015） 11-0046-10
第 36 卷 第 11 期 2015 年 11 月 Vol. 36 No. 11 Nov． 2015
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பைடு நூலகம்
DOI： 10． 14006 / j． jzjgxb． 2015． 11． 006