雙鋼板混凝土組合剪力墻的綜合分析

李其廉 張慧玲

河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院

雙鋼板混凝土組合剪力墻的綜合分析

李其廉 張慧玲

河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院

高層及超高層建筑的主要抵抗側(cè)力的構(gòu)件是剪力墻或者剪力墻與筒體組成的結(jié)構(gòu)。建筑高度的增加和對建筑功能要求的提高促使研究者研發(fā)出一種新型鋼板剪力墻，即這種剪力墻可以減小墻體厚度，增加建筑使用空間。本文主要分析雙鋼板混凝土組合剪力墻的主要優(yōu)缺點(diǎn)及性能。

雙鋼板混凝土組合剪力墻；性能；分析

1 前言

近年來，越來越多的建筑工程結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土組合剪力墻作為主要抗側(cè)力構(gòu)件，它的抗側(cè)剛度非常大。經(jīng)國內(nèi)外學(xué)者研究，鋼筋混凝土組合剪力墻的種類越來越多，包括普通鋼筋混凝土組合剪力墻、型鋼混凝土組合剪力墻、單鋼板混凝土組合剪力墻、鋼管混凝土邊框組合剪力墻、雙鋼板混凝土組合剪力墻等。

雙鋼板混凝土組合剪力墻又稱SC剪力墻。它是鋼板剪力墻的提升和創(chuàng)新，構(gòu)造是在兩層鋼板中嵌入一定厚度的混凝土，然后鋼板和混凝土用螺栓、栓釘或者栓釘和其他連接件組合等固定和連接，使混凝土和鋼板二者可以共同工作，并充分發(fā)揮作用。根據(jù)受力情況，混凝土可以適當(dāng)配置一定量的鋼筋。

作為最新型的抵抗側(cè)向力的構(gòu)件，雙鋼板混凝土組合剪力墻優(yōu)點(diǎn)頗多。該墻體承載力大、剛度大、延性和耗能能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)整體抗震性能很好，且施工速度周期快，施工簡便，造價相對較低，性價比較高。

2 研究進(jìn)度

聶建國、卜凡民等經(jīng)試驗(yàn)得出：低剪跨比受剪承載力大大提高，延性和耗能能力也大大改善，抗側(cè)剛度增大，抗震性能顯著增強(qiáng)，因此日后采用雙鋼板混凝土組合剪力墻應(yīng)適當(dāng)降低剪跨比。此類低剪跨比剪力墻是一種性能優(yōu)越的新型剪力墻。

馬曉偉在雙鋼板剪力墻各種組成材料的基礎(chǔ)上，對其截面性質(zhì)參數(shù)包括正、負(fù)相關(guān)參數(shù)和無影響劉鴻亮等提出了約束拉桿與雙鋼板混凝土組合剪力墻結(jié)合，通過具體試驗(yàn)和參數(shù)進(jìn)行分析和歸納，提出雙鋼板剪力墻壓彎承載力求解公式，為研究者和設(shè)計(jì)者奠定了基礎(chǔ)。

郭小農(nóng)等研究了開洞雙鋼板組合剪力墻的抗震性能，對比了所開洞口的面積、形狀、位置等對其抗震性能的影響，推導(dǎo)出承載力考慮折減率的相關(guān)公式，以及最佳開洞率在17%左右。得出：開洞雖然使極限承載力和初始剛度都降低了，但使耗能和變形能力提高了，并對洞口構(gòu)造要求提出建議。

武曉東等把雙鋼板組合剪力墻與筒體結(jié)構(gòu)相結(jié)合，通過具體試驗(yàn)及現(xiàn)象研究了該類剪力墻的翼墻和腹側(cè)墻的剪力滯后現(xiàn)象并作出對比，得出：側(cè)部主要承受剪力而翼墻主要承受彎矩。

劉鴻亮提出了約束拉桿和雙鋼板組合剪力墻結(jié)合，通過具體試驗(yàn)和有限元仿真模擬分析了剪跨比、混凝土和鋼板強(qiáng)度、截面高度和截面含鋼率、鋼板屈曲強(qiáng)度等對該墻體的承載力的影響，然后采用纖維模型法和非線性有限元方法對組合剪力墻進(jìn)行數(shù)值模擬，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)分析。鋼板屈曲強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度及含鋼率與剪力墻的承載力成正比，且漲幅明顯。但混凝土強(qiáng)度增加，卻降低了極限位移角，而增大剪跨比可以通過增大剪跨比的方式來解決。

聶建國、汪家繼等在中高剪跨比雙鋼板混凝土組合剪力墻實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立有限元模型分析表明：混凝土主要提供此類剪力墻的壓彎初始抗側(cè)剛度，而含鋼率對此影響較小；此外大震時要控制雙鋼板剪力墻的軸壓比在0.4以內(nèi)。

3 承載力影響因素

通過ABAQUS建立模型進(jìn)行模擬，混凝土采用C3D8R實(shí)體單元，鋼板采用S4R殼單元，得出：鋼板厚度、混凝土厚度、雙層鋼板間距、高跨比等都對雙鋼板混凝土組合剪力墻性能有著一定的影響。

鋼板厚度對結(jié)構(gòu)耗能能力同樣具有影響，鋼板越厚，耗能能力越強(qiáng)，但隨著鋼板厚度增加，耗能增長速度逐漸降低。高跨比對結(jié)構(gòu)整體耗能影響較大，高跨比越小，結(jié)構(gòu)耗能能力越強(qiáng)。

4 節(jié)能分析

當(dāng)今時代，我國越來越提倡綠色建筑，綠色建筑要求節(jié)能環(huán)保，而雙鋼板混凝土組合剪力墻以節(jié)能發(fā)展為核心，恰好能滿足這一要求，是綠色建筑最好的選擇，應(yīng)得到廣泛的應(yīng)用。

單鋼板混凝土組合剪力墻比普通鋼筋混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu)延性好、滯回性能穩(wěn)定、耗能能力高、塑性性能好，而且發(fā)生地震時不利作用較小。雙鋼板剪力墻在單鋼板剪力墻基礎(chǔ)上又優(yōu)化了性能。其中混凝土和其兩側(cè)的雙層鋼板共同工作，可以大大改善并充分發(fā)揮混凝土的各方面性能，提高其延性、承載力及強(qiáng)度。混凝土除了防止鋼板屈曲，還可以起到隔離聲音的效果。此外，這種剪力墻墻體厚度減小，因此節(jié)約了建筑空間，降低了結(jié)構(gòu)自重，降低了造價，且震后容易修復(fù)，經(jīng)濟(jì)效益明顯增大。

通過比較各類剪力墻的施工過程，雙層鋼板混凝土組合剪力墻施工過程最容易最快。其過程包括兩側(cè)鋼板的定位固定、鋼板焊接連接、澆筑混凝土等。簡易原因是兩側(cè)鋼板可以約束住混凝土，施工時可做混凝土模板，這樣就減少了施工環(huán)節(jié)，簡單快捷。

5 耐火分析

目前對雙鋼板混凝土組合剪力墻的耐火分析較少，各種連接方式下的雙鋼板剪力墻在火災(zāi)升溫狀態(tài)下的破壞模式是相同的，都是向著背對火的一面彎曲，即整體壓彎失穩(wěn)破壞，然后受火面的外圍鋼板出現(xiàn)這周，此時連接件可以抑制這種鋼板的平面外屈曲，但破壞結(jié)果是不同的。用螺栓來連接的剪力墻火災(zāi)下耐火極限最短，而采用兩種組合連接件連接的在火災(zāi)下的耐火極限最長，栓釘連接的剪力墻耐火極限居于中間。由此表明：采用多種連接件組合連接的剪力墻更加耐火。

6 總結(jié)和展望

組合剪力墻以其抗側(cè)剛度大、承載力高、抗震延性好和耗能高等優(yōu)勢，已經(jīng)在越來越多的高層及超高層實(shí)際工程得到較為廣泛地應(yīng)用，比如天津津塔就把鋼板剪力墻與方鋼管混凝土框架-核心筒結(jié)合，創(chuàng)新了思路。相信隨著綠色建筑、裝配式建筑和住宅產(chǎn)業(yè)化以及BIM技術(shù)的發(fā)展，雙鋼板混凝土組合剪力墻的應(yīng)用及其與筒體結(jié)構(gòu)結(jié)合的結(jié)合應(yīng)用會越來越成熟。

[1]程春蘭，周德源，葉珊.低剪跨比帶約束拉桿雙鋼板-混凝土組合剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報，2016（1）：46-01

[2]劉鴻亮.帶約束拉桿雙層鋼板內(nèi)填混凝土組合剪力墻抗震性能[D].廣州：華南理工大學(xué)，2014

[3]郭小農(nóng).開洞雙鋼板組合剪力墻抗震性能試驗(yàn)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015（6）：47-06

[4]張有佳，李小軍.雙鋼板混凝土墻體構(gòu)件抗震性能試驗(yàn)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報，2015（10）：48-05

[5]武曉東.雙鋼板-混凝土組合筒體剪力墻受力性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2015（9）

[6]張有佳.雙鋼板混凝土組合剪力墻抗震性能研究綜述[J].建筑科學(xué)，2014（1）：30-01

李其廉(1965-)，男，河北臨西人，高級工程師，副教授，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、檢測及加固方面的研究；張慧玲(1990-)，女，在讀碩士研究生