鋼板剪力墻發(fā)展及展望

陳曦

摘 要： 高層建筑是近現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展和科學(xué)進步的產(chǎn)物。由于高層建筑需要有較大的側(cè)向剛度， 因此設(shè)計中， 抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計是關(guān)鍵?；镜目箓?cè)力結(jié)構(gòu)體系有以下三種：梁柱剛接的純框架結(jié)構(gòu)、框架-支撐結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。在過去30多年， 關(guān)于鋼板剪力墻的試驗研究和分析都表明鋼板剪力墻有較大的彈性初始剛度、大變形能力和良好的塑性性能、穩(wěn)定的滯回特性等特點。鋼板剪力墻已成為一種非常具有發(fā)展前景的高層抗側(cè)力體系，已經(jīng)在全球范圍內(nèi)的高設(shè)防烈度區(qū)建筑上得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 鋼板剪力墻；抗側(cè)力；抗震；屈曲耗能；發(fā)展

一、鋼板剪力墻技術(shù)概述

鋼板剪力墻是以鋼框架為基礎(chǔ)內(nèi)嵌鋼板的結(jié)構(gòu)體系，主要用于抵抗風(fēng)或橫向地震力等側(cè)向力產(chǎn)生的層間剪力和傾覆彎矩，可以有效控制結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移。鋼板剪力墻本身只承受水平作用，并為整個結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向剛度提供部分抗剪剛度，豎向力作用完全由周邊的框架柱承擔(dān)，并且鋼框架承擔(dān)水平荷載引起的部傾覆力矩和部分水平剪力，在整個結(jié)構(gòu)體系的抗推剛度中，鋼框架提供部分抗剪剛度和全部整體抗彎剛度，鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)是非常理想的抗側(cè)力構(gòu)件。鋼板剪力墻可視為一個豎向放置底端固支的懸臂薄腹板梁結(jié)構(gòu)，框架柱相當(dāng)于梁的翼緣，框架梁相當(dāng)于板梁的橫向水平加勁肋，內(nèi)填板相當(dāng)于梁腹板，但鋼板剪力墻周邊框架的剛度遠大于梁翼緣的抗彎剛度如圖1示，為充分利用周邊框架對內(nèi)填板的嵌固作用，通常將內(nèi)填鋼板水平向滿跨布置，豎向通高布置。

二、鋼板剪力墻技術(shù)發(fā)展歷程

自20世紀(jì)80年代以來，鋼板用于剪力墻結(jié)構(gòu)最早出現(xiàn)在美國。鋼板作為剪力墻的加強構(gòu)造來提高剪力墻的強度性能。鋼板剪力墻起步的時間點較晚，在經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，鋼板剪力墻也經(jīng)歷了從無到有，結(jié)構(gòu)上從簡單到復(fù)雜的發(fā)展過程。鋼板剪力墻的發(fā)展，也代表了現(xiàn)代剪力墻技術(shù)發(fā)展的過程，成為了現(xiàn)代剪力墻抗側(cè)體系和抗震技術(shù)的十分重要的標(biāo)志性技術(shù)。

1、國外發(fā)展歷程

20世紀(jì)80年代以前，剪力墻普遍采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或者各類砌塊構(gòu)成的剪力墻結(jié)構(gòu)，由于鋼筋混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的延性較差，在較大的風(fēng)荷載或地震荷載下，剪力墻結(jié)構(gòu)因缺少有效的抵抗能力，因此很容易發(fā)生坍塌現(xiàn)象，造成人員以及財產(chǎn)的嚴重損失。尤其在較高層建筑結(jié)構(gòu)中，這種現(xiàn)象尤為突出。而鋼板有較大的彈性初始剛度、大變形能力和良好的塑性性能、穩(wěn)定的滯回特性等特點，鋼板運用于剪力墻結(jié)構(gòu)也成為人們解決上述問題努力嘗試的途徑。

1971年8月，美國惠靈匹茲堡鋼鐵公司申請了一份關(guān)于鋼板運用于剪力墻的發(fā)明申請，其將鋼板設(shè)置在墻體表面的一側(cè)，作為墻體壁的骨架結(jié)構(gòu)，使鋼板構(gòu)件與混凝土剪力墻結(jié)合一體，以達到增加混凝土剪力墻強度等性能，為后來的鋼板剪力墻發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。（圖2）

1995年日本開始提出了豎縫鋼板剪力墻，其關(guān)鍵構(gòu)造是在兩側(cè)開縫鋼板剪力墻的基礎(chǔ)上，把整塊鋼板分割成一系列柱狀板條，板條類似受彎小柱一樣工作，從而將墻板的變形由剪切轉(zhuǎn)化為彎曲，希望以此提高墻板的延性。這種結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度很小，側(cè)向承載力也不大。

隨著鋼板剪力墻的發(fā)展，組合鋼板剪力墻也應(yīng)運而生。組合式鋼板剪力墻是在鋼板一側(cè)或兩側(cè)現(xiàn)澆鋼筋混凝土， 兩種材料通過內(nèi)嵌鋼板上預(yù)置的剪力釘組成一體，鋼板外包混凝土墻板，可以起到防火、保溫、隔聲等作用，減少了后續(xù)工作量，降低了工程造價。所謂傳統(tǒng)組合墻，是指混凝土墻板與周邊框架緊密接觸，不留縫隙，不足之處在于混凝土墻板剛度大，側(cè)移很小時角部就與框架相互擠壓，從而開裂或壓潰，由此過早破壞并退出工作。改進型組合墻的特點在于，根據(jù)結(jié)構(gòu)在大震下的側(cè)移，現(xiàn)澆混凝土墻板與周邊梁、柱間預(yù)留適當(dāng)?shù)拈g隙，避免過早與框架接觸而損壞。

圖3是全球歷年來鋼板剪力墻專利申請量，其可以分成四個階段。第一階段是鋼板剪力墻起步階段（1970-1982年），鋼板剪力墻處于研究、試用階段。最早的鋼板剪力墻專利申請出現(xiàn)在1970年。但之后12年里，每年的申請量不超過10件。第二階段是穩(wěn)步發(fā)展階段（1982-1998年），專利申請保持著穩(wěn)步的增長，從1982年的1件增長到1998年53件。第三階段是緩慢發(fā)展階段（1998-2003年），這期間由于受材料及理論研究的限制，鋼板剪力墻發(fā)展較為緩慢。第四階段是快速發(fā)展階段，新的理論研究及材料的運用同時高層建筑的廣泛建設(shè)使得鋼板剪力墻快速發(fā)展起來。自2004年起鋼板剪力墻技術(shù)專利申請呈現(xiàn)良好的增長趨勢，至2012年高達136件（數(shù)據(jù)可能與實際存在差距）。

2、國內(nèi)發(fā)展歷程

我國鋼板剪力墻的發(fā)展，至今已有接近二十年的歷史。我國從20世紀(jì)90年代初開始研制將鋼板運用于剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，經(jīng)過近20年的快速發(fā)展，我國的鋼板剪力墻技術(shù)水平已經(jīng)達到國際先進水準(zhǔn)。

1999年， 由北京華洋建設(shè)開發(fā)有限公司申請了我國第一個將鋼質(zhì)連接件預(yù)埋于剪力墻中的中高層抗震結(jié)構(gòu)體系專利申請（CN1260436A）。這標(biāo)志著鋼質(zhì)板狀結(jié)構(gòu)正式運用于剪力墻結(jié)構(gòu)，同時增加剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能，提高中高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這種預(yù)埋的鋼質(zhì)連接件的剪力墻是鋼板剪力墻的雛形形式，并起到了一定的抗震和穩(wěn)定的性能。

2005年，清華大學(xué)在經(jīng)過大量的鋼板剪力墻的試驗和理論研究的基礎(chǔ)上申請了我國重要的鋼板剪力墻技術(shù)專利——防屈曲耗能鋼板剪力墻（CN1603539A）。這表明我國正式開始鋼板剪力墻技術(shù)領(lǐng)域的實際運用。該技術(shù)方案對國外傳統(tǒng)的鋼板剪力墻進行改進，其加入了我國建筑專家對鋼板剪力墻的靈活運用，也為新型鋼板剪力墻的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

清華大學(xué) 鋼板剪力墻（CN1603539A）

清華大學(xué)在國外鋼板剪力墻先進技術(shù)的基礎(chǔ)上進行進一步改進，形成我國現(xiàn)代新型的組合型鋼板剪力墻。這也表明我國的鋼板剪力墻技術(shù)雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，技術(shù)革新程度較高，由理論研究指導(dǎo)實踐也成為我國鋼板剪力墻領(lǐng)域的一大特點。

通過鋼板剪力墻的技術(shù)改進和迅速發(fā)展，大大提高了國內(nèi)鋼板剪力墻的生產(chǎn)制造和建筑實際運用，縮小了我國鋼板剪力墻生產(chǎn)制造與國際先進技術(shù)的差距，提高了我國鋼板剪力墻的設(shè)計和實際施工技術(shù)，極大地促進了國內(nèi)鋼板剪力墻整體水平的提高。

3、發(fā)展歷程及結(jié)論

隨著高層鋼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，鋼板剪力墻良好的抗剪與抗震能力將得到研究人員以及工程師的廣泛認識。鋼板剪力墻領(lǐng)域缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則，我國多高層鋼板剪力墻體系的研究時間短、深度不夠，還需要在試驗和研究方面做大量的工作，尤其針對我國抗震設(shè)防高烈度地區(qū)，以指導(dǎo)我國相應(yīng)規(guī)范的制訂和完善。

三、鋼板剪力墻技術(shù)發(fā)展方向

鋼板剪力墻技術(shù)的飛速發(fā)展大大促進了建筑結(jié)構(gòu)體系抗震技術(shù)的進步，鋼板剪力墻技術(shù)的運用也在不斷推廣和創(chuàng)新，并且隨著理論研究的不斷深入，鋼板剪力墻的抗側(cè)體系仍在不斷地采用新理論、新技術(shù)、新工藝、新材料，以改進結(jié)構(gòu)，提高性能，例如組合式鋼板剪力墻、鋼箱型鋼板剪力墻等新結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)，使鋼板剪力墻在中高層建筑結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)用前景不斷擴大。目前，鋼板剪力墻的技術(shù)發(fā)展的趨勢是向組合式、輕量化、環(huán)保安全等方向發(fā)展

a.組合式鋼板剪力墻

為滿足建筑形式的多樣化以及高層和超高層建筑的日益增加，建筑對抗地震、抗風(fēng)荷載的要求也越來越高。鋼板剪力墻的抗側(cè)力性能直接影響其應(yīng)用和實踐的效果，為了滿足更大的抗側(cè)力需要，從而提高鋼板剪力墻的抗側(cè)力性能，鋼板剪力墻也逐漸發(fā)展出組合式鋼板剪力墻的形式。組合式鋼板剪力墻抗震和抗風(fēng)荷載性能相較之下更穩(wěn)定，更能滿足超高層建筑的抗震需求。這也是鋼板剪力墻今后一段時間發(fā)展的重要方向，其相應(yīng)的試驗研究也是各個高校和研究所重點的研究方向。

b.輕量化

鋼板剪力墻雖然有著較大的彈性初始剛度、大變形能力和良好的塑性性能、穩(wěn)定的延性特性等特點，能為建筑結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)力，在建筑結(jié)構(gòu)承受水平向荷載的情況下，內(nèi)嵌鋼板利用其強度提供給結(jié)構(gòu)水平向的抗側(cè)力，同時當(dāng)水平向荷載超過鋼板的屈服強度時，鋼板良好的塑性性能、穩(wěn)定的延性特性可繼續(xù)為建筑結(jié)構(gòu)提供耗能，保證建筑結(jié)構(gòu)在較大的水平向荷載中保持良好的穩(wěn)定性能，但是其較大的自重，施工、安裝、焊接的較為困難也阻礙了鋼板剪力墻的推廣應(yīng)用。因此，鋼板材料的輕量化以及合金材料的運用是鋼板剪力墻的另一個發(fā)展的方向，在輕量化的鋼板材料應(yīng)用下，鋼板剪力墻可以更加方便施工、安裝等工藝步驟，為建筑的修建帶來重大的影響。

c.安全環(huán)保

隨著鋼板剪力墻越來越多的運用于建筑結(jié)構(gòu)體系中，安全環(huán)保的問題也越來越多的被人們關(guān)注。鋼板材料的耐火性較差，而鋼板焊接安裝的過程中會產(chǎn)生大量的熱量，而且鋼板按照設(shè)計安裝時會切割而產(chǎn)生大量的小塊廢棄鋼材，同時也造成了環(huán)保問題。因此，耐火材料的運用以及其影響也是今后鋼板剪力墻的發(fā)展研究方向。同時，減少鋼板材料的浪費以及統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)范也是鋼板剪力墻實際應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。■

參考文獻

[1]淺析鋼板剪力墻的幾種分類及特點， 羅偉華，《建筑工程》.

[2]組合鋼板剪力墻的發(fā)展與研究現(xiàn)狀， 彭曉彤，《濟南大學(xué)學(xué)報》，2012年第26卷第1期.

[3]鋼板剪力墻的發(fā)展及應(yīng)用范圍， 曹旭東，《遼寧建材》，2011年第10期.