鋼板-混凝土組合剪力墻研究

徐如楠，劉新領(lǐng)，張弘洋

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥　230009)

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鋼板-混凝土組合剪力墻研究

徐如楠，劉新領(lǐng)，張弘洋

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009)

摘要：在超高層結(jié)構(gòu)中，鋼板-混凝土組合剪力墻可以有效避免鋼筋混凝土剪力墻墻體過(guò)厚、純鋼板剪力墻內(nèi)嵌鋼板過(guò)早屈曲的缺陷，充分發(fā)揮鋼材與混凝土之間的組合作用，具有廣闊的發(fā)展前景。文章重點(diǎn)介紹國(guó)內(nèi)外鋼板-混凝土組合剪力墻的研究成果，并在此基礎(chǔ)上提出一種新型雙鋼板-混凝土組合剪力墻，以期為今后組合剪力墻的發(fā)展提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：鋼板-混凝土組合剪力墻；組合作用：雙鋼板

早在20世紀(jì)70年代，作為一種新型抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系——鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)，已經(jīng)應(yīng)用在美國(guó)和日本的建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中。鋼板剪力墻具有內(nèi)嵌鋼板和外圍框架的雙重抗側(cè)力體系，有較高的側(cè)向剛度和承載能力、良好的延性及耗能能力，為高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加了一種更為有效的選擇。鋼板剪力墻只依靠?jī)啥丝蚣苤袚?dān)豎向力，內(nèi)嵌鋼板只承受水平荷載，為節(jié)省鋼材，大多數(shù)鋼板剪力墻依靠?jī)?nèi)嵌薄鋼板屈曲后所形成的拉力場(chǎng)抵抗水平力，而在拉力場(chǎng)的作用下，柱子抗彎剛度對(duì)鋼板作用的發(fā)揮有較大影響。

為更好發(fā)揮內(nèi)嵌鋼板的延性及耗能能力，提高墻體的抗震性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼板-混凝土組合剪力墻進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)與理論研究。將鋼與混凝土2種材料組合在一起，可有效解決鋼板過(guò)早屈曲問(wèn)題和提高墻體延性，如果將混凝土澆筑在2塊鋼板之間，鋼板對(duì)其核心混凝土也會(huì)起到較好的約束作用，可有效增加墻體的承載能力。

1單鋼板組合剪力

1.1單鋼板雙蓋板組合剪力墻

2004年，文獻(xiàn)[1]完成了2個(gè)單跨3層的單鋼板-混凝土組合剪力墻試件的試驗(yàn)研究，其中一個(gè)試件鋼板兩側(cè)預(yù)制混凝土板與外圍框架緊密接觸，該類試件稱為傳統(tǒng)型；另一個(gè)試件兩側(cè)預(yù)制混凝土板與外圍框架留有一定的空隙，該類試件稱為改進(jìn)型，如圖1所示。傳統(tǒng)型組合墻在小荷載作用下，鋼板和混凝土共同承擔(dān)水平力，但是由于混凝土具有較大的彈性模量而容易被擠壓破壞；對(duì)于改進(jìn)型組合墻，由于空隙的存在，小荷載情況下只有鋼板承擔(dān)水平力，混凝土板只起到抑制鋼板面外屈曲的作用，當(dāng)荷載較大時(shí)，改進(jìn)型組合墻中混凝土板開始與外圍框架接觸，一方面繼續(xù)抑制鋼板面外屈曲，一方面參與承擔(dān)水平剪力。

圖1　傳統(tǒng)型與改進(jìn)型組合鋼板墻

2009年，文獻(xiàn)[2]對(duì)傳統(tǒng)防屈曲組合鋼板墻進(jìn)行改進(jìn)，混凝土蓋板預(yù)留孔徑根據(jù)其與鋼板最大相對(duì)滑移來(lái)確定，大于螺栓直徑，并在此基礎(chǔ)上完成了7個(gè)試件的擬靜力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，較大的預(yù)留孔徑可以避免蓋板承擔(dān)水平荷載，防止蓋板破壞；混凝土蓋板可以消除純鋼板墻在水平荷載作用下產(chǎn)生的噪聲，緩解內(nèi)嵌鋼板面外屈曲。

1.2單鋼板單蓋板組合剪力墻

2011年，文獻(xiàn)[3]進(jìn)行了15個(gè)包含組合鋼板墻、純鋼板墻和鋼框架的試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)，相比于雙蓋板組合鋼板墻，單蓋板試件雖然在初始剛度、耗能能力及強(qiáng)度方面有一定程度的下降，但是試件的延性會(huì)有所提高；改進(jìn)型試件在延性及耗能方面比傳統(tǒng)型增加20%和16%；高強(qiáng)混凝土可顯著減小混凝土面板的破壞程度，提供更強(qiáng)的面外約束；端柱必須有足夠的強(qiáng)度、剛度來(lái)承擔(dān)彎矩及豎向荷載。

2雙鋼板組合剪力墻

2.1雙鋼板內(nèi)填混凝土組合剪力墻

2009年，文獻(xiàn)[4]考慮到大剪跨比組合墻試件底部焊縫容易斷裂的情況，提出2種解決方法增強(qiáng)墻體底部強(qiáng)度:一種是在墻板底部與底座之間焊上肋板，另一種是在墻板底部一定高度范圍內(nèi)焊上蓋板，如圖2所示。研究結(jié)果表明，肋板加強(qiáng)并不能改變?cè)嚰钠茐哪Ｊ?，仍然以墻底焊縫斷裂為主，而蓋板加強(qiáng)試件的破壞主要源于未加強(qiáng)鋼板局部屈曲、內(nèi)部填充混凝壓碎及系桿拉斷等。

圖2　底部加強(qiáng)措施

2011年，文獻(xiàn)[5-7]完成了10個(gè)不同剪跨比雙鋼板-混凝土組合剪力墻的試驗(yàn)研究。試件主要經(jīng)歷了彈性工作、鋼板與混凝土局部粘結(jié)破壞、端柱與墻板局部屈曲和試件屈服、變形加劇、混凝土壓潰、試件破壞4個(gè)階段。減小栓釘間距可增加滯回環(huán)穩(wěn)定性和減緩鋼板局部屈曲；軸壓比對(duì)中、高剪跨比試件延性及變形能力影響較為顯著；中、高剪跨比試件鋼板屈曲及混凝土壓潰主要發(fā)生在試件底部。

2014年，文獻(xiàn)[8-9]設(shè)計(jì)了4個(gè)雙鋼板-混凝土組合剪力墻試件，在墻體兩面設(shè)置4.8 mm厚的鋼板，通過(guò)布置栓釘及拉桿與內(nèi)部混凝土共同工作，而墻體兩側(cè)混凝土外露，鋼板并未形成封閉，墻體高寬比均為1。試件的主要破壞模式為墻面底部鋼板局部屈曲或屈服、墻側(cè)底部混凝土壓碎，如圖3所示；縮短第一排連接件與支座的間距可有效減緩試件強(qiáng)度退化,雙鋼板承擔(dān)了絕大部分的水平剪力。

圖3　試件主要破壞模式

2.2雙壓型鋼板混凝土組合剪力墻

1995年，文獻(xiàn)[10]完成了5個(gè)足尺雙壓型鋼板內(nèi)填混凝土組合鋼板剪力墻的試驗(yàn)研究，分別考慮在施工階段和使用階段2種情況下該類組合墻的抗剪性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，壓型鋼板與核心混凝土之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度以及壓型鋼板抵抗局部變形的能力是影響試件受力性能的主要因素，可以通過(guò)減小壓型鋼板波距來(lái)延緩壓型鋼板的局部屈曲。隨后又完成了13個(gè)足尺組合鋼板剪力墻在軸壓作用下的試驗(yàn)研究[11]。研究結(jié)果表明，增加組合墻縱向抗彎剛度可有效提高構(gòu)件的穩(wěn)定性和延緩構(gòu)件的整體屈曲,該類組合墻的豎向承載能力與壓型鋼板的剛度及其截面形狀密切相關(guān)。

2013年，文獻(xiàn)[12]進(jìn)行了3個(gè)雙壓型鋼板-混凝土組合剪力墻的試驗(yàn)研究(圖4)，試驗(yàn)中采用2種中強(qiáng)和高強(qiáng)壓型鋼板，采用2種內(nèi)部填充材料，即自密實(shí)混凝土(SCC)和工程水泥基復(fù)合材料(ECC)。在低周反復(fù)荷載作用下，試件的主要破壞形式是沿組合墻對(duì)角線處混凝土開裂和兩邊壓型鋼板屈曲,在兩邊壓型鋼板之間，如果不采用連接件就會(huì)導(dǎo)致鋼與混凝土的組合作用減小，壓型鋼板屈曲先于屈服。

圖4　雙壓型鋼板-混凝土組合剪力墻

2.3型鋼拼接型混凝土組合剪力墻

2014年，文獻(xiàn)[13]提出一種新型箱型鋼板剪力墻，墻體由H型鋼拼接而成，如圖5(a)所示，根據(jù)是否在管腔內(nèi)填筑混凝土分為組合箱型鋼板墻和純鋼箱型鋼板墻。通過(guò)對(duì)2種鋼板墻整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定的理論分析，得出墻體、板件高厚比限值及計(jì)算公式，并與有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較，均表明純箱型鋼板墻高厚比限值可比混凝土墻有所提高，組合箱型鋼板墻寬厚比限值可比純箱型鋼板墻有所提高。2015年又對(duì)H型拼接組合墻/柱的協(xié)同工作性能進(jìn)行分析[14]，結(jié)果表明，管腔內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的栓釘可有效發(fā)揮鋼管和核心混凝土的組合作用，并給出了每層需設(shè)置栓釘數(shù)量的計(jì)算公式。

浙江杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司提出一系列新型鋼管束組合構(gòu)件，新型構(gòu)件由不同形狀的鋼管束焊接而成，如C型(圖5(b))、一字型、T型等。構(gòu)件便于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)及裝配式施工，鋼材可循環(huán)利用及綠色環(huán)保，建筑空間可靈活布置，滿足不同人群需求。

圖5　型鋼拼接型組合鋼板剪力墻

3新型雙鋼板-混凝土組合剪力墻

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出一種新型雙鋼板-混凝土組合剪力墻，如圖6所示。雙鋼板兩端與空鋼管采用對(duì)接焊縫連接，2片鋼板之間通過(guò)C型連接件拉結(jié)，C型連接件與鋼板之間通過(guò)交叉點(diǎn)焊連接，并在雙鋼板空腔內(nèi)澆筑混凝土。

圖6　雙鋼板-混凝土組合剪力墻

構(gòu)件制作可在工廠進(jìn)行，施工簡(jiǎn)單方便；兩端空鋼管方便與周邊鋼梁、組合梁的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，有效避免加強(qiáng)環(huán)對(duì)澆筑混凝土的困擾，可以通過(guò)調(diào)整C型連接件間距來(lái)改變?cè)嚰休d力、延性及耗能能力。

4結(jié)論

(1) 鋼板-混凝土組合剪力墻與鋼筋混凝土剪力墻相比，可避免底層墻體過(guò)厚、減輕結(jié)構(gòu)自重及增加建筑空間；與鋼板剪力墻相比，可延緩鋼板屈曲、提高構(gòu)件延性及增強(qiáng)抗火性能。

(2) 絕大多數(shù)鋼板-混凝土組合剪力墻的試驗(yàn)與理論研究尚未考慮建筑門窗開洞對(duì)試件抗震性能的影響，對(duì)不同洞口形式、洞口位置及洞口尺寸的組合剪力墻力學(xué)特性的研究還有待于進(jìn)一步開展。

(3) 為了更好地推廣該新型結(jié)構(gòu)體系在實(shí)際工程中的應(yīng)用，有必要進(jìn)行組合墻與鋼梁、組合梁的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究與理論分析。

(4) 鋼板混凝土組合剪力墻作為一種承載能力高、抗震性能好及施工效率高的新型組合結(jié)構(gòu)，在以后的超高層結(jié)構(gòu)中具有廣闊的發(fā)展前景。隨著試驗(yàn)方法的不斷改進(jìn)、理論研究的不斷深入、設(shè)計(jì)及施工的不斷成熟，鋼板組合墻結(jié)構(gòu)將得到長(zhǎng)足發(fā)展。

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收稿日期：2016-03-16

作者簡(jiǎn)介：徐如楠(1988-)，男，安徽霍邱人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生．

中圖分類號(hào)：TU398

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5781(2016)02-0155-03