预制混凝土(PC)夹芯保温外墙板(以下简称外挂墙板)，作为一种高性能外围护构件，集结构、保温、装饰等功能于一体，得到了广泛的应用[1-2]。外挂墙板为非结构构件，为尽量减小其与主体结构的相互作用，降低对主体结构变形的影响，美国预制及预应力混凝土协会(PCI)建议从外挂墙板到主体结构的传力路径应为静定，即每块墙板用于承重的连接节点不应超过两个，且应放置在同一水平位置[3]。因此，国外整间外挂墙板与主体结构常采用四点连接的方式，即两个承重连接节点和两个非承重连接节点。在抗震设计中，通过在非承重螺栓连接件上合理设置限位长孔，确保外挂墙板在地震时能够产生水平滑动变形或竖向摇摆变形[4]，以适应主体结构的变形，从而减少外挂墙板与主体结构的相互作用。尽管外挂墙板与主体结构间采用四点连接的方式具有理论上的优越性，但这一方式对连接的可靠性有较高的要求。在历次地震中，如2009年意大利的L’Aquila地震，2012年新西兰Christchurch地震以及2012年意大利的Emilia地震，连接节点破坏而导致整块墙板脱落的震害屡见不鲜[5-7]。因此，目前我国装配式建筑的单层整间外挂墙板与主体结构常用的连接方式为顶部线连接(即顶部预留双排钢筋伸入上层梁板叠合区)，底部限位角钢连接。
国外研究表明：即使采用四点柔性连接试图将外挂墙板与主体结构进行分离，两者的相互作用仍不可忽视。文献[8-9]介绍的研究结果表明：外挂墙板提高了主体结构的抗侧刚度，并降低了位移响应；Uchida等对一个两层两跨带预制混凝土墙板的钢框架进行了自由振动和强迫振动试验[10]，结果表明外挂墙板增加了结构的侧向刚度和阻尼。与四点连接相比，采用上部线连接时，外墙板与主体结构的传力路径不再是静定，两者间的相互作用更为明显。文献[11-12]分别介绍了对足尺含外挂墙板混凝土框架和纯框架进行的拟静力试验，对比结果表明外挂墙板对结构的初始刚度存在显著影响。如何有效利用外挂墙板与主体结构之间的相互作用提供附加刚度和附加阻尼，从而提高结构的抗震性能，为研究者提供了一个新思路[13]。基于此，本文将上述的侧向连接角钢替换成U形钢板消能器，提出一种设置U形钢板消能器减震外挂墙板。为研究该减震外挂墙板对主体结构抗震性能的影响，首先设计并制作两个相同规格U形钢板消能器，通过拟静力试验对U形钢板消能器的承载力、刚度以及滞回性能进行研究，在此基础上，对一榀含设置有该消能器减震外墙板的PC剪力墙构件进行拟静力试验研究，研究其承载力、刚度、滞回性能以及破坏机理，进而验证设置U形钢板消能器减震外墙板的可行性和合理性。
1 U形钢板消能器拟静力试验
U形钢板消能器是一种能够适应大位移的弯曲屈服型金属消能器，在变形过程中，屈服截面不断变化，疲劳性能较好。设计并制作了两个相同规格的U形钢板消能器，通过拟静力试验对U形钢板消能器的承载力、刚度以及滞回性能进行了研究。
1.1 试件设计
U形钢板消能器主要设计参数如图1所示。消能器由上、下两个平台段和一个圆弧段组成。平台段有效长度L为95 mm，钢板宽度B为70 mm，钢板厚度t为12 mm，圆弧段中心线半径R为66 mm。消能器上、下平台段各开两个直径为18 mm的螺栓孔，与结构间采用螺栓进行连接。U形钢板消能器由Q235钢板整体切割弯折成型，测得标准拉伸试样的屈服强度为268 MPa，抗拉强度为331 MPa，弹性模量为2.19×105 MPa，伸长率为28.4%。
a—平面示意； b—实物。
图1 U形钢板消能器
Fig.1 U-shaped steel plate damper
1.2 试验加载
加载装置如图2所示。为了避免竖向加载力形成的弯矩对加载装置和传感器造成影响，将两个相同规格的消能器对称布置，U形钢板两个平台段分别与约束钢板、加载钢板采用普通螺栓连接。竖向力作用下，约束钢板固定，加载钢板与作动器一起发生竖向位移。由MTS加载控制系统自动记录各时刻竖直位移和荷载。在消能器圆弧段中央内侧表面平行于加载方向等距设置五片应变片来监测在加载过程中的钢材应变，应变片布置如图1a所示。
图2 试验加载装置
Fig.2 Test set-up
试验参照FEMA-461《确定结构和非结构构件抗震特性的临时试验》[14]推荐的加载制度，采用位移控制加载，按照层高3 m，根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的规定框架结构弹塑性层间位移角限值1/50[15]，确定试验最大目标位移幅值为60 mm，每级目标位移所取位移幅值百分比分别为4.8%、11.7%、23.3%、35.0%、46.6%、70.0%、100.0%，即3，7，14，21，28，42，60 mm。前六级目标位移均循环3圈，最后一级目标位移循环18圈，以评估消能器的疲劳性能，加载制度如图3所示。
图3 U形钢板消能器加载制度
Fig.3 Loading process of U-shaped steel plate damper
1.3 试验现象
位移加至约为3.5 mm时，U型钢板消能器1号和5号位置处钢材屈服；加载至位移为25.66 mm时，2号应变片位置处钢材屈服；当加载至60 mm第四循环时，U形钢板平台段与圆弧段交界处表面出现细小裂纹。随着加载进程，裂纹有所开展和延伸，最终裂纹发展见图4。加载结束，除钢板表面出现较轻微的裂纹外，并未出现其他破坏现象，表明U形钢板消能器具有良好的疲劳性能。竖向加载过程中，消能器呈现出理想的履带式滚动变形，符合预期的变形模式。
图4 U形钢板消能器裂纹
Fig.4 Cracks of U-shaped steel plate dampers
1.4 试验结果分析
试件滞回曲线和骨架曲线如图5、图6所示，滞回曲线非常饱满，呈梭形，正负区对称性良好。当加载至第一级位移(3 mm)时，消能器基本处于弹性阶段，滞回曲线比较狭长，恢复力基本呈线性增长；当加载至第二级位移(7 mm)时，试件进入屈服阶段，试件刚度明显退化，恢复力增长缓慢，滞回曲线比较饱满；随级数增加，恢复力平稳增长，加载至最后一级(60 mm)时，试件承载力和刚度均无明显退化，此时滞回曲线呈现饱满的梭形，表明U形钢板消能器具有良好的耗能能力和疲劳性能。
图5 滞回曲线
Fig.5 Hysteresis loop
图6 骨架曲线
Fig.6 Skeleton curve
消能器的力学指标见表1，其中初始刚度K0为原点切线刚度，屈服后刚度K1为极限点和屈服点荷载之差与位移之差的比值。屈服点取消能器荷载-位移骨架曲线上出现明显转折时的点，极限点取目标位移60 mm所对应点。
表1 消能器力学指标
Table 1 Mechanical indicators of damper
K0/(kN·mm-1)Fy/kNDy/mmK1/(kN·mm-1)Fu/kNDu/mm1.936.763.50.1115.7960
注：Fy为屈服荷载；Dy为屈服位移；K0为初始刚度；Fu为极限荷载；Du为极限位移；K1为屈服后刚度。
2 含减震外挂墙板PC剪力墙拟静力试验
2.1 试件设计
设计了一榀足尺含减震外挂墙板预应力混凝土(PC)剪力墙试件。层高为2.8 m，连梁净跨2.7 m，连梁截面尺寸为200 mm×450 mm，墙肢截面尺寸为200 mm×600 mm，属于壁式框架结构(图7)。为考虑楼板对连梁刚度的影响，连梁一侧设置了500 mm宽的翼缘楼板，墙肢纵筋与基础插筋采用灌浆套筒的方式连接。预制混凝土夹芯保温外墙板的外叶板、中间保温板和内叶板厚度分别为60，50，50 mm。连梁和楼板均为叠合构件，外挂墙板顶部预留插筋先伸入连梁和楼板的叠合段，然后浇筑叠合段混凝土，形成刚性的线连接。外挂墙板与连梁叠合部分连接处设置有抗剪键槽，且连梁的两端1倍梁高长度范围不连接，目的是避开梁端塑性铰区。外挂墙板底部设置4个U形钢板消能器与主体结构采用普通螺栓连接。试件配筋及消能器连接构造如图8所示。
图7 试件尺寸 mm
Fig.7 Dimensions of specimen
a—试件剪力墙部分立面配筋； b—外挂墙板尺寸及配筋； c—1—1剖面； d—2—2剖面； e—3—3、4—4剖面； f—消能器连接构造示意。
图8 试件配筋及消能器连接构造 mm
Fig.8 Reinforcement details of specimen and connection detail of dampers
2.2 材料强度
试件混凝土强度等级为C30，钢筋强度等级为HRB400。实测预制剪力墙混凝土立方体抗压强度均值为42.91 MPa，基础底座和叠合楼板预制部分混凝土立方体抗压强度均值为42.00 MPa，夹芯保温外挂墙板混凝土立方体抗压强度均值为28.51 MPa，现浇部分混凝土立方体抗压强度均值为37.00 MPa。钢筋实测材性结果见表2。
2.3 试验加载
试件加载装置如图9所示，从左到右，消能器编号依次为1、2、3、4号。钢筋应变片主要布置在剪力墙根部和连梁端部截面纵筋上(图8)。消能器上应变片布置在下平台段与圆弧段交界处。试验过程中主要测量水平荷载、剪力墙顶点位移、基础位移、纵向钢筋应变以及消能器钢材应变，并监测剪力墙裂缝的开展情况。
表2 钢筋材性试验结果
Table 2 Mechanical properties of reinforcement
型号屈服强度fy/MPa抗拉强度fu/MPa伸长率δ/%6422.5666.520.98439.8630.621.210466.5638.920.816439.6616.323.218446.6587.621.520431.9589.322.8
图9 试验装置
Fig.9 Test set-up
在施加水平荷载之前，先用千斤顶在墙肢顶部施加竖向轴力，且试验过程中保持不变。试件剪力墙设计轴压比为0.20，施加的竖向荷载值为343 kN。水平荷载加载方式采用荷载-位移混合控制[16]。试件屈服前采用荷载控制加载，每级荷载循环1次，屈服后采用位移控制加载，每级循环3次。试验加载制度如图10所示。当试件承载力下降至峰值的85%时停止加载。
图10 加载制度
Fig.10 Loading process
2.4 试验现象
详细试验现象见表3。试件最终裂缝分布和破坏情况如图12所示。
表3 试验过程及现象
Table 3 Test process and phenomena
状态试验现象50 kN左、右墙肢右侧均出现第一条水平弯曲裂缝,最大裂缝宽度均为0.04 mm左右。150 kN裂缝继续开展,左、右墙肢根部最大裂缝宽度分别为0.20,0.24 mm;消能器下平台段与圆弧段交界处钢材已经屈服,此时对应的试件顶点位移为2.81 mm,层间位移角为1/996。200 kN部分弯曲裂缝逐渐发展成为弯剪裂缝;2号、3号和1号消能器下平台段与圆弧段交界处钢材相继屈服,对应的试件顶点位移分别为3.24,3.75,3.95 mm,层间位移角分别为1/864、1/747和1/709。250 kN裂缝不断开展,部分裂缝逐渐发展成为弯剪裂缝;左、右墙肢根部最大裂缝宽度分别为0.30,0.34 mm,墙肢根部纵筋屈服,对应的试件顶点位移为8 mm,层间位移角为1/350。10 mm裂缝不断开展,左墙肢右侧弯曲裂缝逐渐发展成为弯剪斜裂缝;连梁纵筋屈服,对应的试件顶点位移为9 mm,层间位移角1/311;U形钢板消能器变形肉眼可见,如图11a所示。20 mm两个墙肢底部的部分弯曲裂缝直接发展成为弯剪裂缝;U形钢板消能器变形增大,有明显的履带式滚动变形,如图11b所示。40 mm墙肢根部和梁端底部保护层混凝土开始剥落,此时对应的层间位移角1/92;三明治外挂墙板洞口角部出现向外挂板四角延伸的斜裂缝,但宽度较小,最大裂缝宽0.02 mm;U形钢板消能器滚动变形更加明显,如图11c所示。60 mm墙肢根部混凝土被压碎;消能器有微微竖向受拉翘起的趋势,如图11d所示;当试件承载力下降至极限荷载85%以下时,试验结束。
a—10 mm时； b—20 mm时； c—40 mm时； d—最终变形。
图11 加载过程消能器变形
Fig.11 Distortion of dampers during the loading process
a—最终裂缝分布； b—左墙肢最终破坏； c—右墙肢最终破坏。
图12 试件破坏情况
Fig.12 Failure modes of specimen
试验现象表明，试件先是墙肢根部出现塑性铰，而后连梁两端出现塑性铰，最后墙肢根部混凝土被压碎而破坏，满足梁铰屈服机制；消能器在试件位移达3.95 mm(层间位移角为1/709)时全部进入屈服状态，小于试件的屈服位移；消能器变形较为理想，符合预期的履带式滚动变形，且连接螺栓并未出现松动和滑移的现象，表明连接可靠性良好。
2.5 试验结果及分析
2.5.1 滞回曲线
试件顶点水平荷载-位移滞回曲线如图13所示。从图中可以看出：在加载初期，试件基本处于弹性状态，滞回环较窄。随着荷载增大，U形钢板消能器率先屈服，试件残余变形增大，滞回环成为梭形。此后，随着墙肢和梁端钢筋屈服，以及消能器塑性的不断发展，试件卸载后的残余变形逐渐增大，滞回曲线变得饱满，表现出较好的延性和耗能能力。到加载后期，随着弯曲和弯剪裂缝的不断开展变宽，滞回环逐渐捏拢。
图13 试件滞回曲线
Fig.13 Hysteresis curves of specimen
2.5.2 骨架曲线
试件的骨架曲线如图14所示。曲线上几个关键特征点——屈服点、峰值点和极限点对应的荷载和位移值见表4。其中，屈服点采用几何作图法确定，极限荷载取峰值荷载的85%，若未下降至85%，则取骨架曲线的最终时刻点。位移延性系数定义为极限位移Δu和屈服位移Δy之比，是衡量结构延性的重要指标。由表4可知，试件的两方向加载的平均延性系数为5.15，具有较好的延性。试件的两方向平均极限位移角为1/46，达到GB 50011—2010[15]对钢筋混凝土剪力墙结构和框架结构罕遇地震下层间位移角的限值要求。
图14 试件骨架曲线
Fig.14 Skeleton curve of specimen
表4 试件特征点及位移延性系数
Table 4 Characteristic points and displacement ductility coefficients of specimen
加载方向屈服点峰值点极限点Py/kNΔy/mmPp/kNΔp/mmPu/kNΔu/mm延性系数Δu/Δy极限位移角Δu/H正向275.2812.19383.3350.06325.8059.344.871/47反向255.2111.03333.8550.37316.1559.915.431/46平均265.2411.61358.5950.22320.9759.635.151/46
注：Py、Δy分别为骨架曲线上屈服荷载和屈服位移；Pp、Δp分别为峰值荷载和峰值位移；Pu、Δu分别为骨架曲线上极限荷载和极限位移；H为试件顶点至基础顶面的垂直高度。
2.5.3 刚度退化
构件刚度会随往复加载次数的增加而降低，为了解试件在往复荷载作用下的刚度退化特性，取推、拉两个加载方向荷载与位移绝对值之和的比值作为试件在不同阶段的割线刚度来描述试件刚度退化，如图15所示。由图可见：试件加载初期试件刚度下降速率最快；此后下降速率逐渐减缓，试件屈服后刚度下降速率趋向平缓。整个加载过程中，试件的刚度退化没有出现明显的突变。
图15 刚度退化曲线
Fig.15 Stiffness degradation curve
2.5.4 耗能能力
耗能能力是衡量结构抗震性能的重要指标。结构的耗能能力大小可用荷载-位移滞回环所包围的面积来衡量[15]，用能量耗散系数E表示，且按式(1)计算(图16)。试件在顶点位移60 mm(层间位移角为1/50)时的耗散系数E达到1.11，表明试件具有较好的耗能能力。
(1)
图16 能量耗散系数E计算示意
Fig.16 Calculation diagram of the energy dissipating coefficient E
3 结束语
分别对U形钢板消能器试件和含有减震外挂墙板的PC剪力墙试件进行了拟静力试验研究，得到以下主要结论：
1)U形钢板消能器试验表明，消能器位移在3.5 mm左右时钢材进入屈服阶段开始发挥耗能作用，荷载-位移曲线非常饱满，消能器履带式滚动变形明显，能够实现多截面屈服，具有可靠的耗能能力和良好的低周疲劳性能。
2)含减震外挂墙板PC剪力墙试件首先墙肢根部屈服，而后梁端屈服，最后墙肢根部受压区混凝土被压碎而破坏，表明本试验外挂墙板采用顶部钢筋线连接(避开梁端塑性铰区)，底部设置U形钢板消能器连接的方式，能够满足梁铰屈服机制。
3)消能器在试件位移达3.95 mm(层间位移角为1/709)时全部进入屈服状态，小于试件的屈服位移。连接螺栓并未出现松动和滑移的现象，表明连接可靠性良好。
4)含减震外挂墙板PC剪力墙试件滞回曲线较为饱满，达到最大顶点位移时的能量耗散系数E达到1.11，具有较好的耗能能力。试件的位移延性系数为5.15，极限顶点位移角为1/46，具有较好的变形能力。
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