組合剪力墻的抗震研究簡述

曹德金 席永慧

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092;2.無錫市公共工程建設(shè)中心，江蘇無錫 214031)

1 概述

鋼筋混凝土高層建筑的構(gòu)件通常有梁、柱、樓板和剪力墻以及由剪力墻組成筒體。其中起核心抗側(cè)力作用的是剪力墻和由剪力墻組成的筒體?？箓?cè)力構(gòu)件的抗震性能對高層建筑的安全可靠有著至關(guān)重要的作用。因此對高層建筑抗震設(shè)計來說，其關(guān)鍵技術(shù)就是研制抗震性能好的剪力墻。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑用地日益減少，社會對高層建筑的需求越來越大。隨著高層建筑數(shù)量的增加和建筑形式的多樣化，普通混凝土已經(jīng)不能完全滿足高層的抗震需求了。因此，國內(nèi)外學(xué)者提出了各種新型的剪力墻，如各種類型的開縫剪力墻和組合剪力墻，對剪力墻的抗震性能進(jìn)行改善?？偟膩碚f組合剪力墻按組合形式可分為兩種，一種是單一組合剪力墻，另一種為雙重組合剪力墻。

組合剪力墻將混凝土和鋼材的優(yōu)勢結(jié)合起來、彌補各自的缺點，具有較高的承載能力和良好的延性。本文主要介紹組合剪力墻中的帶暗支撐、型鋼、鋼管組合剪力墻，闡述其受力機理和抗震性能，以同時提出目前組合剪力墻存在的問題及展望。

2 帶暗支撐組合剪力墻抗震性能

曹萬林在1994年提出了內(nèi)藏暗支撐組合剪力墻并對其進(jìn)行了研究，在1998年取得國家專利。帶暗支撐組合剪力墻是在普通剪力墻配筋基礎(chǔ)上，加設(shè)暗支撐縱筋及箍筋，或者加設(shè)暗支撐的型鋼，有效的發(fā)揮鋼材和混凝土各自的性能，以增強墻體的抗震性能。暗支撐可選用人字形、X形、八字形等，其中普遍采用帶X形暗支撐組合剪力墻的形式。曹萬林等[1-8]在暗支撐剪力墻的研究方面做了大量的工作，研究了不同高寬比和不同肢寬的暗支撐剪力墻的抗震性能，不同截面形式的暗支撐剪力墻的抗震性能，不同暗支撐形式的暗支撐剪力墻的抗震性能，帶暗支撐剪力墻中暗支撐配筋比對剪力墻抗震性能的影響，帶暗支撐剪力墻中暗支撐傾角對剪力墻抗震性能的影響，帶暗支撐剪力墻筒體抗震性能研究，帶暗支撐剪力墻與其他抗震措施的聯(lián)合應(yīng)用以及帶暗支撐剪力墻的振動臺試驗。通過這些實驗，研究了帶暗支撐剪力墻的承載能力、延性性能、剛度、滯回特性、耗能能力和破壞特性。下面分別介紹在暗支撐剪力墻這些方面的研究情況。

與普通的混凝土剪力墻相比，帶暗支撐組合剪力墻具有更好的抗震能力。帶鋼筋—型鋼組合暗支撐剪力墻、鋼筋暗支撐剪力墻和普通剪力墻的綜合抗震性能相比，帶鋼筋—型鋼組合暗支撐剪力墻的最好，鋼筋暗支撐次之，普通混凝土剪力墻的最差。并且較普通混凝土剪力墻，帶鋼筋—型鋼組合暗支撐剪力墻的綜合抗震性能提高很多。

3 鋼管混凝土剪力墻抗震性能

與混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)受力性能的優(yōu)越性突出表現(xiàn)在合理的利用鋼管對混凝土的緊箍力，這種緊箍力可使混凝土的抗壓性能能更為有力地發(fā)揮。由于結(jié)構(gòu)自重大大的減輕以及結(jié)構(gòu)延性的改善，使結(jié)構(gòu)抵抗地震作用的能力得到加強。在我國，鋼管混凝土抗震性能的研究主要在建筑基本構(gòu)件上，對結(jié)構(gòu)體系抗震性能的研究不多，但隨著試驗裝備及條件的改善，這種剪力墻的試驗研究也逐漸增多。這些研究也為我國今后這種剪力墻的設(shè)計和應(yīng)用提供理論依據(jù)[10]。目前，這種剪力墻的形式主要有兩種:1)在鋼管混凝土框架中內(nèi)嵌一塊鋼板的帶鋼管混凝土邊框的鋼板剪力墻(見圖1);2)帶鋼管混凝土邊框的鋼筋混凝土組合剪力墻[9]。

圖1 帶鋼管混凝土邊框的鋼板剪力墻

夏漢強等[11]通過用SAP2000對帶方鋼管混凝土邊框的剪力墻進(jìn)行有限元的彈性分析，驗證了CECS 159對承載力進(jìn)行計算時的第①條假設(shè)，研究表明第①條假設(shè)符合帶方鋼管混凝土邊框的剪力墻結(jié)構(gòu)的特點。楊亞彬[19]通過試驗研究了帶鋼管混凝土邊框的鋼筋混凝土組合剪力墻的抗震性能，認(rèn)為這種鋼管組合剪力墻具有較強的承載力和抗震性能以及很好的后期承載力和延性;另外內(nèi)藏鋼桁架的存在，使墻體裂縫的開展得到延緩，有利于內(nèi)力重分布，從而減慢了剪力墻的剛度衰減，后期性能穩(wěn)定。在國外，Astaneh-Asl等學(xué)者[20]試驗研究了帶鋼管混凝土邊框的鋼板剪力墻，做了一個三層1/2縮尺模型的試驗。試驗結(jié)果顯示鋼管混凝土邊框的鋼板剪力墻具有良好的延性和耗能能力。

在我國的工程建設(shè)中已經(jīng)有應(yīng)用，例如采用了圓鋼管混凝土柱和剪力墻為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的福建南安郵電局大樓;1999年在深圳建成采用了圓鋼管混凝土邊框鋼筋混凝土組合剪力墻的賽格廣場大廈和2001年在杭州建成采用方鋼管混凝土邊框鋼筋混凝土組合剪力墻的瑞豐國際商務(wù)大廈[12]。

王敏等人[13]做了1/4的縮尺試驗，試驗研究了鋼管混凝土邊框剪力墻的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載、延性系數(shù)、滯回環(huán)以及變形耗能特性。江棗[21]試驗研究了圓鋼管混凝土剪力墻在高軸壓比和往復(fù)水平力作用下的抗震性能。中國建筑科學(xué)研究院的陳濤等[22]試驗研究了不同形式的高軸壓比、大剪跨比剪力墻進(jìn)行往復(fù)水平力加載試驗，研究墻體兩端暗柱設(shè)置型鋼、墻身增設(shè)內(nèi)藏鋼板等形式組合剪力墻的壓彎承載力、延性性能及破壞機理。曹萬林等[23]試驗研究了矩形鋼管和不同強度等級的混凝土，不同軸壓比，不同剪跨比，不同強弱抗剪連接鍵的鋼管混凝土邊框組合剪力墻的抗震性能。

4 型鋼混凝土組合剪力墻抗震性能

自20世紀(jì)90年代以來，型鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)體系自美國向世界迅速傳播開[24]。90年代初清華大學(xué)就對中、高型SRC剪力墻進(jìn)行了抗彎性能、破壞形態(tài)、開裂荷載、極限承載能力和塑性鉸區(qū)高度等試驗研究，如圖2所示為試驗時的模型及截面配筋形式。研究表明:型鋼—混凝土組合剪力墻具有良好的抗震性能[14]。武敏剛、呂西林[17]2004年試驗研究了鋼骨聯(lián)肢剪力墻的抗震性能，研究表明這種組合剪力墻的破壞形態(tài)和普通混凝土剪力墻的相差不大，但是其承載力和延性都較普通混凝土剪力墻提高了很多。李莉等[25]對內(nèi)藏鋼框架混凝土剪力墻和內(nèi)藏斜向支撐鋼框架混凝土剪力墻的抗震性能進(jìn)行了研究，共進(jìn)行了3個1/3縮尺的模型的試驗，并將試驗結(jié)果和計算結(jié)果進(jìn)行比較，兩種結(jié)果吻合較好。

圖2 SRC剪力墻模型及截面配筋形式

曹萬林等人[18]試驗研究了較高軸壓比下內(nèi)藏鋼桁架混凝土組合高剪力墻的抗震性能，共做了5個1/3縮尺的模型的試驗，試驗表明:與普通混凝土剪力墻相比，這種剪力墻的延性及耗能能力都得到顯著提高，同時內(nèi)藏桁架的存在也延緩了裂縫的開展，這對穩(wěn)定剪力墻的后期性能是十分重要的。楊其偉等(型鋼混凝土短肢剪力墻抗震性能的試驗研究)對鋼混凝土短肢剪力墻進(jìn)行了低周反復(fù)荷載下的抗震性能試驗研究，共做了3個1/2縮尺的模型的試驗。王獻(xiàn)云試驗研究了“一”字形型鋼混凝土組合短肢剪力墻墻肢構(gòu)件的抗震性能，做了3個1/2縮尺的模型的試驗。型鋼混凝土組合剪力墻能夠很好的發(fā)揮混凝土的抗壓特性和型鋼的抗拉特性，兩者能夠相互彌補彼此的不足，從而使型鋼混凝土組合剪力墻的承載力比普通剪力墻的提高很多。同時，外包的混凝土也能夠?qū)π弯撈鹬Ｗo(hù)作用。由于型鋼的存在，型鋼混凝土組合剪力墻的滯回特性，延性及耗能能力都得到很大的提高，因此其在大震中能夠起到較好的抗震性能。

5 抗震性能的總結(jié)

1)組合剪力墻都可充分發(fā)揮鋼材的良好抗拉性能，從而使組合剪力墻的延性比普通混凝土剪力墻的提高很多。組合剪力墻中的鋼材和混凝土兩者能夠相互彌補彼此的不足，從而使組合剪力墻的承載力比普通剪力墻的提高很多。同時，外包的混凝土還能夠?qū)π弯撈鸨Ｗo(hù)作用。

2)組合剪力墻的抗震設(shè)計不能充分考慮混凝土和鋼材的作用。目前組合結(jié)構(gòu)的承載力設(shè)計方法有兩種:a.按平截面假定，采用鋼筋混凝土構(gòu)件的計算方法。這種方法多用于歐美地區(qū)，而歐美地區(qū)的組合混凝土的配筋量比較大，其研究成果很難直接應(yīng)用到我國的規(guī)范中;b.疊加法，這種方法沒有考慮型鋼和混凝土之間的粘結(jié)力及型鋼骨架和混凝土間的約束與支撐作用，其承載力和剛度的計算結(jié)果偏于保守。

3)組合剪力墻與普通混凝土剪力墻的連接構(gòu)造還需進(jìn)一步研究。目前對組合剪力墻的抗震試驗研究時，通常是對單一的組合墻模型進(jìn)行的。但在實際工程中，高層建筑中可能同時使用組合剪力墻和普通混凝土剪力墻。剪力墻為建筑主要的抗震構(gòu)件，兩種剪力墻的連接構(gòu)造對建筑的抗震性能的影響很大，但目前這方面的研究還很少，所以需要進(jìn)一步研究。

4)組合剪力墻中鋼和混凝土的連接還需要進(jìn)一步研究。

6 結(jié)語

與普通混凝土剪力墻相比，組合剪力墻的抗震性能更加優(yōu)越，本文總結(jié)了組合剪力墻的一些抗震性能，并分析了組合剪力墻抗震的優(yōu)點，總結(jié)了組合剪力墻抗震性能研究在設(shè)計、構(gòu)造以及與普通剪力墻連接當(dāng)中存在的一些關(guān)鍵問題。隨著組合剪力墻在實際工程中的應(yīng)用越來越廣，其抗震性能研究也將會隨之得到深入和完善，對組合剪力墻的認(rèn)識也將越來越透徹，目前組合剪力墻研究和設(shè)計中存在的問題也將逐步得到解決。

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