六層足尺冷彎薄壁型鋼-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)房屋抗震性能振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

周緒紅，姚欣梅，石宇，鄒昱瑄，谷永，羅澤巧

(1. 重慶大學(xué)，土木工程學(xué)院，重慶 400045；2. 長(zhǎng)安大學(xué)，建筑工程學(xué)院，西安 710061)

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)自重輕、綠色環(huán)保、裝配化程度高、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，在5·12汶川大地震災(zāi)后重建中得到推廣應(yīng)用。目前，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋在中國(guó)的研究及工程應(yīng)用主要集中在低層(1～3層)建筑，且墻體構(gòu)造均為傳統(tǒng)覆輕質(zhì)墻板組合墻體。多層(4～6層)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅工程實(shí)例較少，且缺少相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)理論支撐。目前，僅有Ye等[1]對(duì)5層1∶2縮尺強(qiáng)邊柱冷彎型鋼剪力墻結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行了單一地震波單向輸入振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究；Wang等[2]對(duì)6層足尺冷彎薄壁型鋼剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了單向輸入地震動(dòng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)高寬比為2.6。兩個(gè)試驗(yàn)難以反映多層房屋在雙向地震動(dòng)作用下的真實(shí)情況。《冷彎薄壁型鋼多層住宅技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 421—2018)的發(fā)布，使多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅有了科學(xué)指南，對(duì)于多層冷彎結(jié)構(gòu)住宅在建筑行業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義和促進(jìn)作用。

在水平荷載作用下，定向刨花板、石膏板等墻面板的拼接處以及自攻螺釘與墻面板的連接處易破壞，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)組合墻體的承載力偏低，難以滿足多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋對(duì)抗側(cè)力體系的要求。Zhou[3]提出了冷彎薄壁型鋼帽形截面端柱夾支單層薄鋼板剪力墻和鋼管端柱-雙面蒙皮鋼板剪力墻兩種新型冷彎薄壁型鋼鋼板剪力墻，并將其應(yīng)用于多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋，建立了明確的多層冷彎薄壁型鋼-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

通過(guò)水平低周往復(fù)加載試驗(yàn)對(duì)兩類(lèi)鋼板剪力墻進(jìn)行抗剪性能試驗(yàn)研究。如圖1所示，帽形截面端柱夾支單層薄鋼板剪力墻由豎向雙肢帽形截面端柱、水平雙肢L形梁及內(nèi)嵌0.8 mm薄鋼板通過(guò)ST5.5自攻螺釘連接而成。在水平力作用下，鋼板依靠端柱提供的錨固作用形成拉力帶與端柱共同抵抗水平剪力。鋼管端柱-雙面蒙皮鋼板剪力墻采用6 mm厚方鋼管作為墻體端柱、其余立柱、導(dǎo)軌及橫撐采用C形及U形冷彎薄壁型鋼構(gòu)件形成鋼骨架，0.8 mm薄鋼板通過(guò)ST4.8自攻螺釘與鋼骨架連接，主要依靠鋼板與骨架的螺釘連接產(chǎn)生蒙皮效應(yīng)來(lái)提供抗剪能力。試驗(yàn)結(jié)果表明：帽形截面端柱夾支單層薄鋼板剪力墻、螺釘間距為50/300的鋼管端柱-雙面蒙皮鋼板剪力墻、螺釘間距為150/300的鋼管端柱-雙面蒙皮鋼板剪力墻單位長(zhǎng)度受剪承載力設(shè)計(jì)值依次為44、27、16 kN/m，彈性抗側(cè)剛度依次為4.76、1.01、0.93 kN/mm。兩類(lèi)新型鋼板剪力墻的承載力及剛度均明顯高于傳統(tǒng)冷彎薄壁型鋼組合墻體。

圖1 新型鋼板剪力墻Fig.1 New types of steel plate shear walls

基于對(duì)兩類(lèi)新型鋼板剪力墻抗剪性能試驗(yàn)的研究，對(duì)6層足尺冷彎薄壁型鋼-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，模型的結(jié)構(gòu)平面尺寸為5.6 m(長(zhǎng))×4.2 m(寬)，層高2.7 m，總高16.2 m，模型高寬比為3.7，平面布置圖見(jiàn)圖2。

圖2 平面布置圖Fig.2 Plane layout

為觀測(cè)對(duì)比結(jié)構(gòu)構(gòu)件(鋼板剪力墻)及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(墻面板)對(duì)6層冷彎房屋模型抗震性能的影響，分為施工階段及正常使用階段進(jìn)行試驗(yàn)，如圖3所示。在水平地震荷載作用下，施工階段房屋模型水平剪力全部由剪力墻承擔(dān)。帽形截面端柱夾支單層薄鋼板剪力墻鋼板形成斜向拉力帶發(fā)生彈性屈曲變形，鋼管端柱-雙面蒙皮鋼板剪力墻通過(guò)鋼板與鋼龍骨的自攻螺釘連接抵抗水平力，鋼板角部發(fā)生明顯彈性剪切屈曲變形。在正常使用階段，房屋模型在覆內(nèi)外墻面板后，墻面板的蒙皮效應(yīng)與鋼板剪力墻共同抵抗水平剪力。隨地震輸入加速度峰值的增大，墻面板螺釘連接趨于破壞，蒙皮作用逐漸降低至失效，其抵抗的剪力全部由鋼板剪力墻承擔(dān)。因此，建議在多層冷彎薄壁型鋼-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計(jì)中將鋼板剪力墻作為主要抗側(cè)力構(gòu)件，墻面板的蒙皮作用作為房屋抗震能力的安全儲(chǔ)備。

圖3 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Shake table test models

筆者提出的多層冷彎薄壁型鋼-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系具有抗震性能優(yōu)越、抗側(cè)構(gòu)件明確、模塊化預(yù)制裝配、全生命周期等優(yōu)點(diǎn)，在中國(guó)大力推廣綠色裝配式建筑趨勢(shì)及“人多地少”的基本國(guó)情下，發(fā)展多層冷彎薄壁型鋼-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系更符合建筑業(yè)需求，可為發(fā)展多層結(jié)構(gòu)體系的抗震設(shè)計(jì)方法提供理論依據(jù)。