钢框架内填预制钢筋混凝土剪力墙试验研究.pdf
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1、第 3 5卷 第 1 期 2 O 1 3年 2月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g V 0 1 3 5 N o 1 Fe b2 O1 3 d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 3 0 1 0 1 1 钢框架 内填预制钢筋混凝土剪力墙试验研究 赵 伟 , 童根树。 , 周观根。 , 吴 冲 ( 1 同济 大学 土木 7 - 程学院 ,
2、上海 2 0 0 0 9 2 ; 2 浙江大学 建筑工程 学院 , 杭州 3 1 0 0 2 7 ; 3 浙江 东南网架股份有 限公 司, 杭 州 3 1 1 2 0 9 ; 4 浙 江交通职业技术 学院 , 杭 州 3 1 1 1 1 2 ) 摘 要 : 为改进钢框架内填预制钢筋混凝土剪力墙的抗震性能, 将耳板装置 引入钢框架与内填墙的 连接 中。通过 2个 2层单跨钢框 架内填预制钢筋混凝土剪力墙 1 3模型试件的循 环荷载试验 , 考 察耳板连接装置的可靠性和 内填墙裂缝的开展与结构变形能力, 分析结构 的破 坏机理、 滞回性 能、 刚度 退化 、 变形及 延性 等 , 并对 钢框 架
3、内填预 制混 凝土 剪 力墙 体 系与现 浇混 凝 土 剪力墙 体 系和 带 竖 缝混凝土剪力墙体 系进行对比。研 究结果表 明: 抗剪连接件 ( U形筋) 在 梁柱节点上下耳板的帮助 下未发 生破坏 , 耳板连接装置具有可靠的工作性能; 合理设计的钢框架 内填预制钢筋混凝土剪力墙 结构 具 有 良好 的 延性 。 关键 词 : 预 制 剪力墙 ; 钢 框 架 ; 滞 回性 能 ; 试 验研 究 中 图分类 号 : TU3 7 5 4 文 献标 志码 : 文章 编号 : 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 6 3 0 7 Ex p e r i me n t
4、a l I n v e s t i g a t i o n o f S t e e l Fr a m e s wi t h I n f i l l Pr e f a b r i c a t e d Re i nf o r c e - Co nc r e t e S h e a r W a l l s Zh a o W ei , T o n g Ge n s h u ,Zh o u Gu an ge n。 , W u Ch o n g ( 1 Co l l e g e o f Ci v i l E n g i n e e r i n g,To n g j i Un i v e r s i t y
5、 ,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2,P RCh i n a ; 2 Co l l e g e o f Ci v i l En g i n e e r i n g,Zh e j i a n g Un i v e r s i t y ,Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 7 ,P RCh i n a ; 3 Zh e j i a n g S o u t h e a s t S p a c e Fr a me Co ,Lt d ,Ha n g z h o u 3 1 1 2 0 9,PRCh i n a ; 4 Z h e j i a n g I n s t i
6、 t u t e o f Co mmu n i c a t i o n s ,Ha n g z h o u 3 1 1 1 1 2,P RCh i n a ) Ab s t r a c t : I n o r d e r t o i mpr o ve s e i s m i c pe r f or ma nc e o f s t e e l f r a m e wi t h p r e f a b r i c a t e d r e i n f o r c e c o nc r e t e i nf i l l s h e a r wa l l s( SFCW ),t he e a r ba
7、r de v i c e wa s u s e d i n t h e c o nne c t i on be t we e n t he s t e e l f r a me an d t he i nf i l l wa l 1 Two o ne ba y,t WO s t o r y a n d on e t hi r d s c a l e d mod e l s of S FCW we r e t e s t e d wi t h l ow c y c l i c l o a d The wo r k i n g p e r f o r ma n c e o f e a r b a
8、r c o n n e c t i o n, t h e c r a c k s d e v e l o p me n t i n i n fi l l wa i l s a n d d e f o r ma t i o n pe r f or ma n c e o f S FCW we r e i nv e s t i g a t e d An d t he f a i l ur e m o d e,hy s t e r e t i c be ha v i o r, s t i f f n e s s de gr a d a t i o n, de f o r m a t i o n a n
9、 d duc t i l i t y a n d e ne r g y di s s i pa t i on o f c o m p os i t e s t r u c t u r e we r e a n a l yz e d Th e c o m p a r i s on s t u d y o f s t e e l f r a me wi t h p r e f a b r i c a t e d, c a s t i n p l a c e a n d s i l t r e i n f o r c e c o n c r e t e i n f i l l s h e a r w
10、a l l s wa s c a r r i e d ou t The r e s ul t s s ho w t ha t n o f a i l u r e oc c u r s i n t h e c o nn e c t i o n be t we e n t he s t e e l f r a me a n d t h e i n f i l l wa l l be c a us e e a r p l a t e s be l o w a nd u p t he be a m t o c ol u m n c o n ne c t i o ns a r e a d de d i
11、n t h e s pe c i me ns,a nd t he c on ne c t i on de v i c e o f e a r p l a t e pr e s e n t s g oo d wo r ki n g pe r f or ma n c e The pr o p e r l y de s i g ne d SFCW ha s g o od du c t i l i t y Ke y wo r d s : p r e f a b r i c a t e d s h e a r wa l l s ;s t e e l f r a me s ;h y s t e r e t
12、 i c b e h a v i o r ;e x p e r i me n t a l s t u d y 收稿 日期 : 2 0 1 2 0 4 2 3 基金项 目: 住房和城乡建设部课题 ( 2 0 1 2 一 K 2 1 9 ) ; 浙江省教育厅课题 ( Y 2 O 1 2 2 5 6 2 9 ) 作者简介 : 赵伟( 1 9 7 8 一 ) , 男 , 副教授 , 博 士后 , 主要从事结构 工程研究 , ( E ma i l ) z h a o we i 7 8 1 l 1 2 6 c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 4 土 木 建 筑
13、 与 环 境 工 程 第3 5 卷 钢框架内填预制钢筋混凝 土剪力墙结构 ( 简称 S F C W) 是一种加工简单、 可以进行工业化生产 的抗 侧力 结构l 】 。但 以往 研 究 主 要 针对 钢 框 架 内填 现 浇钢 筋混凝 土 剪 力墙 , 还 未见 对 钢 框 架 内填 预 制 钢 筋 混凝 土剪力 墙 的实验研 究 。 文献 3 5 的研究表明: 设置抗剪连接件可显著 提高结构的抗侧 刚度和承载力。文献 6 8 分别进 行 了 1榀 2层 单 跨 1 3 S RC W 结 构 的循 环 加 载 试 验 。粱 柱采用 刚接 和半 钢 接 两 种 连 接 方式 , 周边 钢 框 架
14、与 内填 墙 界 面 设 置 了抗 剪 栓 钉 。试 验 结 果 表 明 : 试 件 的破坏 模 式 为底 层 内填剪 力 墙 墙 下 部 暗 梁 界面剪切破坏 , 梁端未形成明显的塑性铰。文献 9 对 1 O榀 两层 、 单 跨 1 3缩 尺 的半 刚性 S R C W 试 件 进行 了低 周反 复加 载试 验 , 研 究 了 S R C W 结 构 的破 坏模 式 、 滞 回性 能 和耗能 能力等 。 本文对钢框架内填预制实体剪力墙结构的细部 构 造进行 了改 进 , 在 柱 底 和柱 顶 设 置 了 与 实体 剪 力 墙连接的耳板装置 , 该装置提供 了剪力传递到剪力 墙 的另 一条路
15、径 。通过 对 2 榀 单跨 2层 3缩 尺 比 例 S F C W 试 件 的滞 回性 能试 验 , 验 证 了耳 板连 接装 置 的可行 性 , 明 确 了 S F C W 结 构 的抗 震 性 能 , 并 可 为相关规范修订和工程应用提供借鉴。 1 试验概况 1 1试件 设 计 了 2 榀 单跨 2层 1 3缩 尺 S F C w 试 件 。2 试件 尺 寸 完 全 相 同 , 试 件 的 跨 度 和 层 高 分 别 为 1 9 0 0 、 1 2 0 0 mm; 钢 框 架 梁 柱 均 为 焊 接 H 形 截 面 , 其中梁为窄翼缘截面, 尺寸为 H1 5 0 1 5 0 6 8 ,
16、柱 为宽翼 缘截 面 , 尺寸 为 H1 5 0 1 0 0 x 6 8 ; 梁 柱采 用 栓焊混合连接节点 。钢材等级 为 Q2 3 5 B; 内填墙为 预制实体钢筋混凝土墙 , 混凝土设计强度等级分别 为 C 2 0和 C 1 5 , 钢 筋等 级 为 HP B 2 3 5 。为 叙 述方 便 , 将混凝土等级为 C 2 0和 cl 5的试件分别命名为 S F C W一 1和 S F C W一 2 。钢 框 架 和 剪 力墙 的细 部 构 造 分 别如图 1和图 2所示 。为避免抗剪件的拔出或混凝 土的劈裂破坏 , 在剪力墙的周边设置了暗柱与暗梁 。 暗柱与暗梁的纵向钢筋相互搭接, 增强了
17、剪力墙 的 整体性。暗柱和暗梁纵筋配筋率 为 2 1 , 箍筋配 筋 率为 0 6 3 。抗剪 件采用 U形 钢筋 , 在设 计 中考 虑 了轴向拉力和循环荷载对其承载力的折减 。 表 1 和表 2分别 给出了钢材、 钢筋和混凝土的 实测力 学性 能 。 l “ 品 _ - f - l l 一 1 I l I I一 一 十 : l ; j, ( a ) 正面 -f L a = I 丽 篓 “ 。 详 2 图 1 试件几何尺寸 2 - 2 剖面 图 2 内填墙 配筋 图 表 1 钢板和钢筋力学性能 类型 厚度或直径 ram 屈服强度 MP a 极限强度 MP a 对应试件 所在位置 抗压强度 M
18、P a 2 8 d 试验 当天 1层 2层 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 赵 伟 , 等 : 钢框 架 内填预 制钢 筋混凝 土剪 力墙试 验研 究 6 7 刚度 曲线 , 由图可知: 在加载初期 , 试件 的整体抗侧 刚度 退化 均 较快 。随 着 加 载 的继 续 , 内填 墙 中 的裂 缝不断扩展 , 且由于螺栓滑移的出现, S F C W 结构 的 抗侧刚度 的进一 步退 化。S F C W l的整体 刚度 较 S
19、 F C W一 2提高的比率基本稳定在 5 O 左右 。这表 明 在一定范 围内, 提高混凝 土强度等级可 以有效提高 S F C W 结构 的抗 侧 刚度 。 侧移比 注 :+S F C W一 1- - it -S F C W一 2 图 1 O抗侧 刚度退化 曲线 3 4延性 系数分 析 表 4为试件实测 各阶段位移及延性 系数 , 由表 4可知 , S F C W- 1的峰值延性系数和极 限位移延性系 数平均为 2 5 8和 3 2 2 , 而 S F C W一 2的峰值延性系 数和 极 限 位 移 延 性 系数 平 均 为 1 9 5和 2 4 1 。 S F C W一 1 延性系数平均
20、值大于 3 , 延性较好 ; S F C W一 2 由于混凝土强度较低 , 承载力下降较快 , 混凝土破坏 严 重 , 延性 未得 到充 分 发挥 。 表 4试件位移和延性 系数 屈服 峰值 极限 峰点位极 限位 类型 方向 位移 位移 位移 移延性移延性 D r f t mm mm 系数 系数 正向 1 5 5 0 2 8 1 8 3 6 1 9 1 8 2 2 3 3 SFCW 一 1 负 向一1 5 4 93 2 O 83 8 5 1 2 0 7 2 4 9 正向 1 0 7 9 2 6 8 6 3 4 4 1 2 4 9 3 1 9 S FCW 一 2 负 向一1 1 0 8 2 9
21、5 6 3 5 9 1 2 6 7 3 2 4 3 5结构 内力分 配 3 5 1 水平剪力 图 1 1为试件柱 中截 面分担的剪 力 比例 图 。由图可 知 , 在裂缝 出现前 , 内填 墙 承担 的 水平剪力达 9 O 以上。裂缝 出现后 , 内填墙刚度降 低 ; 但钢框架的刚度会保持不变 , 所 以内填墙分担的 剪力 比例会不断降低 。在 3 0 0 k N 的荷载下, 内填墙 分担的剪力 比例约为 8 5 。比较 图 l 1 ( a ) 、 ( b ) 可 知, S F C W一 1剪力墙分担的剪力 比例基本与S F C W一 2 分担的剪力 比例相等 。这表明, 混凝土强度等级对 剪
22、力墙分担的剪力 比例影响较小。 I O Ok N 2 ( ) 【 ) k N 2 5 0 k N 3 0 0 k N 2 4mm 3 0m|n 荷载等级 ( a ) S F C W一 1 1 0 0k N 2 0 0 k N 3 ( )0 k N 2 4mm 3 0111 1 11 荷载等级 ( b ) S F C W一 2 注 : 羽 1 层 圆2 层 图 1 1 内填墙剪 力分担 比例 3 5 2 倾覆 力矩 图 1 2为试件钢框架分担倾覆力 矩 比例 图 。 由图 l 2 可 知 : 1 ) 试件 处钢 框 架柱 底部 截 面分担倾覆力矩 的 比例均低于底层 中部 分担的 比 例 , 这
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