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Ⅰ形大高宽比屈曲约束钢板剪力墙的试验和理论研究[摘要]基于普通钢板剪力墙具有易发生平面外屈曲，不能充分发挥钢板剪力墙的承载力；在往复荷载作用下，滞回曲线捏缩效应严重，不利于耗能减震；钢板耐火性能差等主要缺点，提出一种新型大高宽比屈曲约束钢板剪力墙。本文通过缩尺模型试验对4组该屈曲约束钢板剪力墙模型进行单调加载和循环加载试验，并与一组纯钢板剪力墙试验进行对比。试验表明，预制混凝土钢板剪力墙可以有效地对钢板平面外失稳进行约束，从而极大的提高了钢板剪力墙的承载力和耗能性能。同时还推导了这种屈曲约束钢板剪力墙初始刚度和屈服承载力的理论公式，通过与实验结果和有限元分析结果的对比，验证该理论公式的正确性。[关键词]屈曲约束；钢板剪力墙；缩尺模型试验ExperimentalandtheoreticalstudyonslimⅠ-shapebuckling-restrainedsteelplateshearwalls[Abstract]Asapromisinglateralloadresistingelementsinneworretrofitconstructionofbuildings,buckling-restrainedcompositesteelplateshearwallclampedwithconcreteplates(BRSP)hasgainedagreatdealofattentionofresearchersandengineers.However,almostallofBRSPsbeingstudiedandconstructedareinsmallaspectratio,ofwhichwidthisequalorlargerthantheheight.Actually,insomesituations,BRSPinlargeaspectratiomaybeserviceableiftheredonothaveenoughspacetoputawideBRSP.Therefore,severalexperimentalinvestigationshavebeenconductedonnarrowBRSPswithlargeaspectratio,includingmonotonicloadingtestsandcyclicloadingtestsonfoursetsofBRSPwithdifferentaspectratiofrom2∶1to4∶1,aswellasacomparativetestonanormalsteelplateshearwall.Formofthewallswasmodifiedtoimprovetheirenergydissipation.Experimentalresultsareexaminedtorevealthewall'sfailuremechanics,ductilityperformance,hystereticbehaviorandultimateload-carryingcapacity.AnalyticalmodelshavebeenverifiedbytheexperimentsanddesignguidelineshavebeenprovidedfortheapplicationofBRSP.[Keywords]buckling-restrained;steelplateshearwall;一、前言屈曲约束钢板剪力墙是内嵌在钢框架中的抗侧力结构构件[1]，由钢板和混凝土板组合而成，混凝土板为钢板提供侧向约束，防止钢板屈曲失稳，钢板的主要作用是承受竖向承载力，通过两者的协同作用提高了钢板的抗剪承载力，改善结构的抗震滞回耗能能力，同时混凝土板还可以作为钢板的防火保护［2］。这种剪力墙具有与建筑功能协调、布置灵活、结构性能好等优点，能够顺应建筑产业化的发展要求，是一种极富应用前景的抗侧力构件。目前研究的钢板墙与组合墙基本上都是比较宽的墙(小高宽比),宽的钢板剪力墙需要占用较大的开间布置,但是在一些建筑中,如钢结构住宅开有门窗的外立面上和一些需要开敞空间的地方,很难找到足够的位置布置宽剪力墙,只有大高宽比、比较窄的钢板墙能满足需要。此外,当高宽比变大时,钢板墙的一些性能也会有一些变化。由于目前还没有专门针对这类组合钢板剪力墙的研究,因此,本文对一组大高宽比组合钢板剪力墙进行了单调和循环加载的试验研究。二、I形屈曲约束钢板剪力墙的试验研究为了解大高宽比Ⅰ型钢板剪力墙的结构性能,验证理论分析方法和结果的可靠性,对几组缩尺钢板剪力墙模型进行拟静力试验,以得到大高宽比Ⅰ型组合钢板剪力墙的抗震性能,包括钢板变形、预制混凝土板对钢板的约束机理、混凝土板的破坏情况以及墙板的屈曲、屈服、极限承载力、延性和耗能能力等。试验在同济大学结构实验室进行。2.1试验准备对五种不同规格的大高宽比Ⅰ型钢板剪力墙分别进行单调加载和循环加载试验。缩尺模型的比例为1∶3。钢板剪力墙试件规格如图2所示。第一组试件I-180是纯钢板剪力墙(图2(a))，第二～第五组试件是屈曲约束钢板剪力墙，第四组IC-180(图2(d))与第一组模型I-180尺寸相同，进行纯钢板墙和屈曲约束钢板墙的对比。第三组IC-280B(图2(c))和第二组模型IC-280A的几何尺寸完全相同(图2(b))，但第三组模型中，多用了一排约束螺栓进行混凝土板与钢板的固定，以研究约束螺栓间距的大小对墙体性能的影响。另外，研究显示［5-6］，在钢板墙端与梁连接的位置容易发生脆性撕裂或局部屈曲，影响屈曲约束钢板墙耗能性能的发挥。为此，本文将传统的矩形形状钢板剪力墙(图1(a))改进成图1(b)所示的“I形”墙:高度为H的钢板在端部hs高度范围内，向左右分别放宽bs，端部宽度为B，中段宽度为b0，其间用半径为r的圆弧过渡。钢板上下端分别和上下框架梁用高强螺栓连接，钢板两侧用普通螺栓固定预制混凝土板，如图1(c)所示。（a）矩形钢板剪力墙（b）I形钢板剪力墙（c）加混凝土板后的I形剪力墙图1矩形和I形大高宽比屈曲约束钢板剪力墙Fig.1RectangleshapeandI-shapebucklingrestrainedSPSWsystem试件的板材为Q235-B级,厚度为3.5mm,通过材性试验确定了钢材在单向拉伸状态下的力学性能参数,包括:屈服应力σy、极限抗拉强度σu、伸长率δ。试件按国家标准《金属材料室温拉伸试验方法》(GB/T228-2002)[4]制作,试验结果如表2所示,应力-应变曲线取试件平均值,如图4所示。表1钢材材性试验结果Table1Materialproperties批次编号厚度(mm)屈服强度(N/mm2)抗拉强度(N/mm2)伸长率(%)第一批LY1-13.532047538.5LY1-23.531546033.5LY1-33.532047535.0均值3.531847035.7第二批LY2-13.531046036.5LY2-23.529045536.5LY2-33.529546040.0均值3.529845837.6预制混凝土板厚35mm,标号C30。用普通螺栓与钢板连接固定,拼装方法如图2(b)所示。钢板上的螺栓孔开成椭圆形，使混凝土板和钢板可以产生相对位移，避免在大位移时混凝土受到挤压而碎裂，从而保证混凝土板能够自始至终对钢板提供可靠的屈曲约束作用。混凝土板双面双向配筋,钢筋3@40。普通螺栓型号为M16×150。图3材料应力-应变曲线Fig．3Curveofstressandstrainofsteel试验框架如图4所示。钢板墙的上下端与框架用M16×50摩擦型高强度螺栓相连。框架顶部和底部的梁刚度很大,可为试件提供可靠的刚性边界。不对墙施加竖向荷载。布置了10个位移测点(图4)。单调加载最大水平位移50mm，约为层高的1/18;往复加载最大水平位移25mm，约为层高的1/36。所有试件在同一框架上进行加载。2.2试验情况2.2.1纯钢板剪力墙I-180单调加载和循环加载都是刚一开始就出现屈曲(图5)。随着水平位移的增加,面外变形也随之增加。最大面外变形的地方靠近截面缩小的位置,大约在四分之一高度的地方。图6是单调加载试验的荷载-位移曲线，以及与有限元结果的对比。图7是滞回曲线，捏拢现象非常严重。2.2.2屈曲约束钢板剪力墙IC-280A和IC-280B由于混凝土板呈薄板状，当与钢板拧紧时，板面极易出现裂纹，初始裂缝总体上比较细小。在加载过程中，裂缝近一步发展，裂缝数量增多，但试验结束后并没有发现贯穿裂缝(图8)。同时，试验显示，初始裂缝对屈曲约束钢板墙的力学性能影响甚微，说明只要保持钢板和混凝土板拧紧并可以相对移动，混凝土板就能保持完好，可以比较好地对钢板起屈曲约束作用。由于混凝土板的约束，钢板面外屈曲得到根本改观。单调加载试验中，当侧移达到50mm时，IC-280A最大面外变形仅为4.019mm。图9显示了两个模型单调加载的力-位移曲线。从单调加载的试验结果看，280B由于多了一排螺栓，墙的初始刚度比280A稍高;另外，在进入屈服阶段后，280B的曲线有一段下降段，似乎是钢板发生了局部屈曲，但屈曲没有继续发展。从极限承载力看，两者没有大的差别。荷载-位移曲线整体上是接近的，而且接近理论计算的结果。280A的侧移达到30mm时，混凝土板与框架上的鱼尾板碰触，导致试验曲线异常上升。图10是两个模型的滞回曲线。纯钢板墙由于面外屈曲,曲线捏拢严重,试件耗能能力很差。钢板尺寸与之相同的屈曲约束钢板剪力墙,曲线则饱满得多。但稍有捏拢，说明钢板在加载过程中仍有少许屈曲发生，这与混凝土板面不够平整有关。此外，支座螺栓滑移也降低了承载力。多一排约束螺栓的280B试件承载力比280A稍高，但差别不大。2.2.3屈曲约束钢板剪力墙IC-180IC-180的单调加载和循环加载试验现象与IC280A及IC-280B相似。图11是该试件单调加载的试验曲线与有限元分析结果的对比，两者很接近。图12是滞回曲线，有比较长的屈服平台，稍有捏拢，但总来讲还比较饱满。2.2.4屈曲约束钢板剪力墙IC-140图13是IC-140的滞回曲线，以及与有限元结果的比较，曲线饱满，试验曲线和有限元曲线很接近。与纯钢板墙相比,各组合钢板墙的滞回曲线都很饱满,但当IC-280和IC-180试件的侧移达到10mm以上时,开始有比较长的屈服平台。一方面是因为,尽管有混凝土板的约束(混凝土板平整度也不理想),但钢板墙还是会发生一些轻微的屈曲,降低了承载力;另一方面,试验过程中,钢板墙与梁的螺栓连接有滑移,制约了承载力提高。但从整体来看,还是有比较好的耗能性能。三I形屈曲约束钢板剪力墙的理论研究3.1I形屈曲约束钢板剪力墙的初始刚度从矩形屈曲约束钢板剪力墙着手推导I形屈曲约束钢板剪力墙的初始刚度计算公式。因为屈曲约束钢板墙不发生面外屈曲，其上下二端的相对侧移量由二部分组成，钢板弯曲变形ζ和剪切变形δ，其水平侧移Δ=ζ+δ，其抗侧移初始刚度为:3311122.6()GtBEIEtKHHHHBB(1)式中:E为钢板的弹性模量，N/mm；G为钢材剪切变形模量，/2(1)2.6EGEv，N/mm;υ为钢材泊松比;H为钢板的计算高度，mm;t为钢板厚度，mm;B为钢板宽度，mm;I为钢板横截面的截面惯性矩3112ItB,mm4。式(1)中，H/B相当于矩形钢板墙的高宽比，可见高宽比是影响屈曲约束钢板剪力墙初始刚度的重要因素。对于I形屈曲约束钢板剪力墙的初始刚度推到采用修正系数法，即视I形屈曲约束钢板为把矩形钢板的两端加宽，将板宽从b0增加到b'0。定义β=b'0/b0为宽度修正系数。因此，I形屈曲约束钢板剪力墙的初始刚度为:33''00002.6()2.6()EtEtKHHHHbbbb（2）式中:b0为钢板截面缩小处的宽度，mm;b'0为钢板截面缩小处的修正宽度，b'0=βb0;β是一个与端部增加面积相关的参数，经大量数值分析和统计分