豎縫鋼板剪力墻抗震性能研究綜述

闞義森　馬　珍 / 華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院

豎縫鋼板剪力墻抗震性能研究綜述

闞義森馬珍 / 華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院

隨著社會的進(jìn)步與發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化也得到了迅猛發(fā)展。由于鋼結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)，抗震性能優(yōu)越，力學(xué)性能良好等優(yōu)點(diǎn)，因此它逐漸成為高層以及超高層結(jié)構(gòu)的主要組成形式。對于高層鋼結(jié)構(gòu)來說，它與單層和多層結(jié)構(gòu)的不同點(diǎn)主要為，在高層鋼結(jié)構(gòu)中水平地震荷載以及風(fēng)荷載起控制作用，然而重力荷載起到的作用較前兩者來說較小。所以在高層鋼結(jié)構(gòu)中抗震體系成為結(jié)構(gòu)的重要組成部分。而本文研究的新型耗能豎縫剪力墻結(jié)構(gòu)作為一種新型的抗震結(jié)構(gòu)體系，它具有良好的結(jié)構(gòu)性能。

豎縫剪力墻；耗能；抗側(cè)剛度；抗震性能

前言

地震是人類始終要面臨的最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，抗震減災(zāi)研究已成為關(guān)系到國家財(cái)產(chǎn)和人民安全的大事。我國是一個(gè)地震多發(fā)國家，地震發(fā)生區(qū)域廣闊而分散，地震強(qiáng)度大，震源深度淺，而且發(fā)生頻繁，地震對國家和人民都帶來了嚴(yán)重的影響［1］。因此，工程結(jié)構(gòu)的抗震問題在國民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)中便顯得尤為重要。

鋼結(jié)構(gòu)由于自重輕、結(jié)構(gòu)性能好、施工速度快等原因已成為高層以及超高層建筑的主要結(jié)構(gòu)體系，但高層及超高層建筑受水平地震荷載和風(fēng)荷載的作用比較嚴(yán)重，為了既滿足建筑物在風(fēng)載及常遇地震下人們舒適性和安全感的要求，又保證地震時(shí)建筑物具有柔性的特點(diǎn)。因此期望研究出一種在正常使用時(shí)剛度大，當(dāng)遇到強(qiáng)烈地震作用時(shí)可吸收地震能量，而且在剛度又較低的新型抗震結(jié)構(gòu)。由于鋼結(jié)構(gòu)自身的抗側(cè)剛度，因此研究各種抗側(cè)力構(gòu)件已經(jīng)成為鋼結(jié)構(gòu)研究中的一個(gè)重要課題。

一、國內(nèi)研究現(xiàn)狀及分析

國內(nèi)學(xué)者對剪力墻的研究，相對起步比較晚。同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)、天津大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)等單位做了很多研究工作。由于傳統(tǒng)現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)自重大、剛度大、地震作用大、延性差并且以受剪破壞為主，在發(fā)生強(qiáng)震時(shí)容易產(chǎn)生脆性破壞等諸多缺點(diǎn)，為此，不少學(xué)者又開始研究改善剪力墻抗震性能的措施。

我國對帶豎縫鋼板剪力墻的研究目前還處于初級階段，國內(nèi)對鋼板剪力墻的系統(tǒng)研究也比較少。同濟(jì)大學(xué)李國強(qiáng)［2］等進(jìn)行過鋼板外包混凝土剪力墻板的低周反復(fù)荷載模型試驗(yàn)得出，鋼板剪力墻經(jīng)混凝土外包以后具有很大的剛度和承載力，并且有很好的延性，但由于混凝土的施工周期長，嚴(yán)重影響了鋼結(jié)構(gòu)的施工工期。清華大學(xué)郭彥林，陳國棟等［3-5］對薄鋼板剪力墻和設(shè)置十字型加勁肋的鋼板剪力墻進(jìn)行過抗剪承載力研究，提出了薄鋼板剪力墻和設(shè)置十字加勁肋鋼板剪力墻抗剪承載力的簡化設(shè)計(jì)公式。河北省地震工程研究中心［6］對在混凝土框架中使用的薄鋼板剪力墻進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)表明薄鋼板剪力墻可用于地震地區(qū)既有建筑的加固或者作為新建筑的抗側(cè)力體系，建議鋼板的高厚比宜大于 800。武漢理工大學(xué)蘇磊［7］和華南理工大學(xué)的溫沛綱［8］對帶豎縫鋼板剪力墻進(jìn)行了理論分析，有限元模擬和試驗(yàn)研究，推導(dǎo)了帶豎縫鋼板剪力墻抗側(cè)剛度和承載力的計(jì)算公式。

二、帶豎縫鋼板剪力墻的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

根據(jù)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設(shè)計(jì)原則，結(jié)構(gòu)的抗震性能的優(yōu)劣取決于抗震構(gòu)件吸收和耗能的能力，帶豎縫鋼板剪力墻較其它構(gòu)件有著優(yōu)良的塑性變形能力，而塑性變形正是吸收和耗能的有效手段。根據(jù)國內(nèi)的研究成果可知，帶豎縫鋼板剪力墻的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

1.改善了延性，并且使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；

2.帶豎縫鋼板剪力墻可用于結(jié)構(gòu)加固，由于其重量輕，并不需要在對基礎(chǔ)進(jìn)行改造；

3.由于狹縫的作用，使整塊板就像幾個(gè)并列排放在一起的柱子的作用，并且先發(fā)生彎曲變形，與其他抗側(cè)力構(gòu)件相比可有較大的層間位移角；

4.帶豎縫鋼板剪力墻與柱子分開，地震作用后可對剪力墻進(jìn)行重新安裝；

雖然帶豎縫鋼板剪力墻有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，但是要作為一套成熟的抗側(cè)力體系被大量采用還有很多不足之處。帶豎縫鋼板剪力墻的不足之處主要有以下幾點(diǎn)：

1.為了減少加工過程中的缺陷，帶豎縫鋼板剪力墻的豎縫需要用激光來切割，這就會在一定程度上增加剪力墻的造價(jià)；

2.與未開縫的鋼板剪力墻相比，帶豎縫鋼板剪力墻的縫的開設(shè)一定程度上降低了剪力墻的強(qiáng)度和剛度，削弱了鋼板剪力墻的整體性；

3.由于帶豎縫鋼板剪力墻的左右兩端沒有和框架的柱子相連，因此就會造成其邊界約束條件較弱，平面外穩(wěn)定性差，要想再保證其平面外穩(wěn)定性，則需另在剪力墻的左右兩端設(shè)置豎向加勁肋，但其對剪力墻的約束能力要明顯弱于柱子。因此剪力墻在設(shè)計(jì)過程中受到穩(wěn)定性的制約；

三、結(jié)論與展望

豎縫鋼板剪力墻具有良好的抗震性能和耗能能力，是一種在正常使用情況下剛度大，遇強(qiáng)烈地震作用時(shí)剛度低，并使建筑物在水平地震荷載以及風(fēng)載作用下能滿足人們安全感和舒適性的要求，并能吸收地震能量的一種新型剪力墻。本文對豎縫鋼板剪力墻抗震性能進(jìn)行了系統(tǒng)性的理論分析，得出了以下主要結(jié)論：

1.豎縫鋼板剪力墻其結(jié)構(gòu)在抗震性能方面的優(yōu)越性已得到了試驗(yàn)和理論的驗(yàn)證，且該種剪力墻施工方便、構(gòu)造簡單、自重輕，并且具有良好的工程發(fā)展前景。

2.狹縫的存在避免使結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切破壞：狹縫的開設(shè)，雖然降低了豎縫鋼板剪力墻的整體抗側(cè)剛度，可是改善了其板的受力性能。

本文雖然對豎縫鋼板剪力墻進(jìn)行了系統(tǒng)性地研究，但目前對其研究還處于試驗(yàn)階段，尚未應(yīng)用于實(shí)際工程，并且還有很多不足之處。對于該新型多功能鋼筋混凝土剪力墻的抗震性能，還需要在以下方面進(jìn)行研究：

1.豎縫的開設(shè)在很大程度上降低了帶縫鋼板的整體抗側(cè)剛度，因此對縫的開設(shè)尺寸還需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減少鋼材的用量，從而降低工程造價(jià)；

2.研究連接鍵長度及數(shù)量、墻肢不同高寬比對墻體抗震性能的影響，從而更加全面掌握該豎縫鋼板剪力墻的各項(xiàng)性能。

3.進(jìn)行整體多層模型的振動(dòng)臺試驗(yàn)研究，以利于掌握地震作用下結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)及破壞形態(tài)。為新型多功能剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施提供依據(jù)。

［1］楊德健，王鐵成，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形及影響因素分析，建筑結(jié)構(gòu)，2008年4月，vol.38，No.4（50-52）.

［2］李國強(qiáng)，張曉光，沈祖炎.鋼板外包混凝土墻板抗剪滯回試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，1995.25（6）：32-35.

［3］陳國棟，郭彥林.鋼板剪力墻低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)2004.25（2）：19-26.

［4］陳國棟，郭彥林.十字加勁鋼板剪力墻的抗剪極限承載力［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2004.25（1）：71-78.

［5］陳國棟.鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)性能研究［D］.清華大學(xué)，2002.

［6］蘇幼坡，劉英利，王紹杰.薄鋼板剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究［J］.地震工程與工程震動(dòng)，2002.22（4）：81-84.

［7］Toko Hitaka，Chiaki Mastsui.Experimental of Study on Steel Shear Wall with Slits［J］.Journal of Structural Engineering， 2003.129（5）：586-594.

［8］溫沛綱.帶縫鋼板剪力墻理論分析與實(shí)驗(yàn)研究［D］.華南理工大學(xué)，2004.