L形波纹双层复合墙的抗震性能及计算方法

《Journal of Building Engineering》：Seismic performance and calculation method of L-shaped corrugated double-skin composite wall

L-shaped双面复合墙体（L-DSCW）在高层建筑中因优异抗震性能广泛应用。研究通过1/3尺度模型试验，对比分析了不同长宽比（5.0和7.0）及面板形状（平面与波纹）对峰值侧向荷载（27.8%）、刚度（61.4%）和耗能能力（23.5%和14.9%）的影响，提出考虑几何异质性的极限弯矩公式，试验验证误差低于11%，所有试件延性系数均超过5.4。

　　

赵秋红|胡江|边金良|刘波|陈志华

天津城建大学天津土木结构防护与加固重点实验室，中国天津 300384

摘要

L型双层复合墙（L-DSCW）由于其出色的抗震性能，在高层建筑中得到了越来越多的应用。现有研究主要集中在具有平板钢面板的L-DSCW及其不同的长宽比上。本研究测试了四种1/3比例的L-DSCW试件，这些试件具有不同的面板轮廓和长宽比。测试结果表明，长宽比对峰值侧向荷载、刚度和能量耗散能力有显著影响。当长宽比从5.0增加到7.0时，具有平板面板的L-DSCW的峰值侧向荷载、刚度和能量耗散能力分别增加了27.8%、61.4%和23.5%。面板轮廓也会影响L-DSCW的抗震性能。当面板轮廓从平板变为波纹板时，峰值侧向荷载和能量耗散能力分别增加了6.2%和14.9%。所有试件都具有良好的延性，延性比均大于5.4。本文推导出了一个极限抗弯能力的公式，并通过实验结果进行了验证，误差小于11%。

引言

双层钢板复合剪力墙（DSCW）系统由相对排列的钢板通过剪力连接器连接而成，混凝土填充在空腔中，形成一个复合承重单元^[1]。为了提高极限承载能力和侧向抵抗能力，通常使用混凝土填充钢管（CFST）作为边界元素^[2]，并通过拉杆^[3]或挡板^[4]将面板连接起来^[3]。研究人员在许多领域研究了这种结构系统。他们考察了其长期性能^{[5], [6]}，评估了其抗震性能^[7]，还研究了其防火性能^[8]。这些研究提供了对其整体性能的广泛了解。这种复合墙系统表现出优异的侧向强度^[9]，能够在轴向荷载比达到0.7的情况下仍保持良好的延性^[10]。实验研究表明，DSC墙在层间位移达到3.4%时仍能保持其侧向强度，延性系数在4.2到5.4之间^[11]。此外，双层钢板还充当了永久性模板和结构元素，确保了混凝土质量，同时优化了施工过程并缩短了项目周期。由于DSC墙具有高能量耗散能力、良好的延性和抗震性能，它们在高层建筑中的应用越来越广泛，包括中国南方航空公司大厦（图1）、广州东塔和盐城电视塔^{[12], [13]}。

为了解决柱子凸出的问题^[14]，在建筑设计中采用了不规则截面剪力墙以提高空间利用效率。不规则截面复合剪力墙的抗震性能优于钢筋混凝土剪力墙（图2）。李健等人^{[15], [16]}、聂建国等人^[17]和李健等人^[18]对L型和T型复合钢板剪力墙的抗震性能进行了研究。他们的研究发现，增加法兰宽度可以提高峰值侧向荷载和刚度，但会对能量耗散能力和延性比产生不利影响。使用边界元素可以部分缓解这种负面影响。截面的长宽比是影响复合剪力墙在地震条件下破坏模式、延性和刚度的关键因素。韩建红等人^[19]发现，长宽比较大的T型试件具有更高的抗剪强度。然而，边界元素的抗弯能力不足可能导致过早破坏，从而限制了延性和能量耗散能力。以往的研究主要集中在具有平板钢板的非规则截面复合剪力墙的抗震性能上^[20]。然而，平板钢板截面容易出现平面外缺陷，其平面外抗弯刚度低于波纹钢板剪力墙。因此，不规则截面波纹钢板复合剪力墙引起了越来越多的研究关注。郭彦林等人^{[21], [22]}研究了T型双层钢板复合剪力墙的偏心压缩性能。他们的研究发现，增加腹板宽度或波纹钢板的厚度可以提高正弯矩能力。陈宗平等人^[23]研究了L-DSCW和T-DSCW的抗震性能，探讨了这些构件的协同工作能力。测试结果表明，构件的层间位移比在2.5%到3%之间，表现出良好的延性和抗震性能。

尽管现有研究已经探讨了具有不同截面配置的钢板面复合剪力墙的抗震性能，但对L-DSCW的平板钢板和波纹钢板之间的系统比较仍然有限。此外，不同长宽比以及钢板面板与边界元素之间的荷载传递机制尚未得到充分阐明。L型截面的不对称性进一步复杂化了复合墙的力学性能。本文考虑了不同的面板轮廓（平板和波纹板）和长宽比（5.0和7.0）来设计L-DSCW试件。四种L-DSCW试件在轴向压缩载荷和循环侧向载荷的共同作用下进行了测试。本文提出了一个适用于不同面板轮廓和长宽比的L型截面极限抗弯能力的公式。本文的研究为L-DSCW的理论基础奠定了基础，有助于其推广和应用。

实验部分

测试试件

根据实验室的加载能力，按1/3比例测试了四种试件，分别命名为L5CW、L7CW、L5COW和L7COW。测试参数包括不同的面板轮廓（平板和波纹板）和长宽比（5.0和7.0）。试件编号规则如下：L5和L7分别表示长宽比为5.0和7.0；CW和COW代表平板和波纹钢板。图3展示了试件的几何形状和截面细节。

实验现象和破坏模式

所有试件的破坏模式如图8所示。在破坏过程中，所有部件都保持了完整性，只有墙体的底部区域观察到钢板屈曲。当层间位移比达到0.88%时，钢管的应变已经达到了屈服应变ε_ys（1574.34 με）。随着载荷的进一步增加，钢管的应变超过了5000 με。

侧向强度预测

应变分析表明，中性轴位于墙体内部200至300毫米处，试件表现出明显的拉伸区和压缩区。试件的抗弯能力受加载方向的影响。为此，分别对正加载和负加载条件下的极限抗弯能力进行了评估。当法兰处于压缩状态时，加载方向定义为正；当法兰处于拉伸状态时，加载方向定义为负。

结论

对四种不同长宽比和面板轮廓的L型双层复合墙（L-DSCW）的1/3比例试件进行了循环测试，研究了其抗震性能。主要结论如下：

(1)

L-DSCW的几何不对称性导致正负方向上的峰值侧向荷载不同。然而，所有试件都具有完整的滞回曲线和超过5.4的延性比。

作者贡献声明

陈志华：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源提供。刘波：撰写 – 初稿撰写、可视化、实验研究。边金良：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论。胡江：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、实验研究、数据整理。赵秋红：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源提供、项目管理、方法论、实验研究、资金筹集、概念构思

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢：

本工作得到了天津市科学技术局重点研发计划（项目编号：23YFXTHZ00010）和国家自然科学基金（项目编号：52578229、52508216）的资助。