鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅中的應(yīng)用*

張愛林，蘇 磊，曹志亮，浦雙輝，林海鵬

(1 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124；2 北京工業(yè)大學(xué)北京市高層和大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)中心，北京 100124；3 北京建誼投資發(fā)展(集團(tuán))有限公司，北京 100071)

0 概述

鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系是一種融合了鋼框架和防屈曲鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的新型結(jié)構(gòu)體系[1]，該體系由邊框架、內(nèi)嵌鋼板、預(yù)制混凝土板、對(duì)拉螺栓、魚尾板構(gòu)成。內(nèi)嵌鋼板與框架構(gòu)成了雙重抗側(cè)力體系，其初始剛度和承載力較大，具有良好的耗能能力而被證明是優(yōu)秀的抗震結(jié)構(gòu)，并且特別適合于高烈度地區(qū)[2]。防屈曲鋼板剪力墻是在鋼板剪力墻的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種新型抗側(cè)力構(gòu)件，該構(gòu)件在鋼板兩側(cè)增加混凝土蓋板，采用對(duì)拉螺栓將鋼板與兩塊混凝土板連接。在荷載作用下，混凝土板能夠抑制鋼板剪力墻發(fā)生平面外失穩(wěn)從而形成防屈曲鋼板墻，由此提高了鋼板剪力墻的抗震性能[3]。在高層鋼結(jié)構(gòu)住宅中門窗洞口較多，抗側(cè)力構(gòu)件布置比較困難，但兩邊連接屈曲約束鋼板剪力墻的平面布置更加靈活，因此許多專家學(xué)者近幾年在該方向進(jìn)行了不同的研究[4-5]。

1 研究現(xiàn)狀

吳兆旗等[6]推導(dǎo)了適用于不同連接方式的剪力墻的承載力計(jì)算公式，提出了保證內(nèi)嵌鋼板完全形成拉力帶時(shí)端柱的截面要求。劉文洋等[6]提出了兩邊連接屈曲約束鋼板墻的屈服承載力和初始剛度的計(jì)算公式。李國(guó)強(qiáng)等[8-9]給出了兩邊連接鋼板剪力墻屈曲系數(shù)的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，確定了約束板剛度要求的設(shè)計(jì)公式，并提出了約束板的承載力驗(yàn)算方法。范重等[10]提出了一種豎向分塊蓋板防屈曲鋼板剪力墻，該類型剪力墻減輕了單個(gè)蓋板的質(zhì)量。郭彥林等[11-12]給出了防屈曲鋼板墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的混凝土蓋板約束厚度及連接螺栓最大間距的參考公式。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用并不是很廣泛，也存在一些待解決的問題。本文以首鋼二通廠南區(qū)棚改定向安置房項(xiàng)目1#住宅樓(24層)為例，對(duì)采用鋼框架(鋼管混凝土柱+H型鋼梁)+防屈曲鋼板剪力墻的裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系展開研究，并將鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系與其他相近的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了對(duì)比分析；同時(shí)針對(duì)防屈曲鋼板剪力墻(圖1)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行了分析，并提出了應(yīng)對(duì)措施。

圖1 防屈曲鋼板剪力墻

2 項(xiàng)目概況

首鋼二通廠南區(qū)棚改定向安置房項(xiàng)目(圖2)為裝配式鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，位于北京市豐臺(tái)區(qū)，總建筑面積83 091.33m2，住宅部分包含1#～4#樓。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地土類別為Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期0.4s，地面粗糙度類別為B類，基本風(fēng)壓為0.45kN/m2。本文針對(duì)該項(xiàng)目典型的1#樓結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行研究。1#樓地下共2層，層高均為3.30m；地上共24層均為標(biāo)準(zhǔn)層(圖3)，層高為2.90m，采用了鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系，框架柱為鋼管混凝土柱，梁采用H型鋼梁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40～C70，柱、梁、墻鋼材材質(zhì)均為Q345C，地上樓板厚度為130mm。

圖2 建筑效果圖

圖3 1#住宅樓標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖

3 結(jié)構(gòu)體系比選

為研究不同抗側(cè)力構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響，本文對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件分別采用防屈曲鋼板剪力墻、中心支撐以及組合鋼板剪力墻的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了計(jì)算分析；同時(shí)為研究鋼板剪力墻的布置對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的影響，對(duì)防屈曲鋼板剪力墻布置在結(jié)構(gòu)外圍和外圍+分戶墻內(nèi)的情況分別進(jìn)行了計(jì)算分析。設(shè)計(jì)分析采用YJK軟件。

3.1 鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻與鋼框架+中心支撐對(duì)比

鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系和鋼框架+中心支撐結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型結(jié)構(gòu)平面布置如圖4所示。兩種結(jié)構(gòu)體系關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表1所示。由表1可知，在結(jié)構(gòu)最大層間位移角與扭轉(zhuǎn)位移比相近且各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足規(guī)范限值要求時(shí)，鋼框架+中心支撐結(jié)構(gòu)體系與鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系相比，用鋼量增加約2.8kg/m2，自密實(shí)混凝土用量共增加約20m3。

圖4 結(jié)構(gòu)平面布置圖

此外，由于住宅中結(jié)構(gòu)外圍墻開洞較多，不適宜布置中心支撐，支撐只能布置于核心筒及結(jié)構(gòu)分戶墻處；同時(shí)，由于中心支撐與鋼柱之間的夾角為35°～55°時(shí)較為合適[13]，因此鋼框架+中心支撐結(jié)構(gòu)體系需在原結(jié)構(gòu)布置基礎(chǔ)上增加鋼柱布置，由此帶來的附加梁柱會(huì)對(duì)建筑功能造成一定程度的影響。

鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻與鋼框架+中心支撐結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)比 表1

基于以上分析，鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系比鋼框架+中心支撐結(jié)構(gòu)體系在高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅項(xiàng)目中應(yīng)用更有優(yōu)勢(shì)。

3.2 鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻與鋼框架+組合鋼板剪力墻對(duì)比

鋼框架+組合鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型結(jié)構(gòu)平面布置如圖5所示。鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系和鋼框架+組合鋼板剪力墻兩種結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2可知，兩種結(jié)構(gòu)體系的最大層間位移角均能滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[14](簡(jiǎn)稱高規(guī))和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[15]中的限值要求(鋼框架+組合鋼板剪力墻的最大層間位移角限值為1/800，鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻為純鋼結(jié)構(gòu)，最大層間位移角限值為1/250)；在結(jié)構(gòu)受力性能指標(biāo)均能滿足規(guī)范限值要求且與限值均相差較小的情況下，鋼框架+組合鋼板剪力墻在X向和Y向的基底剪力與傾覆力矩均大于鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系，對(duì)底部嵌固端有更高的設(shè)計(jì)要求；鋼框架+組合鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料用量增加較多，與鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系相比，用鋼量增加約36.4kg/m2，自密實(shí)混凝土用量共增加約756m3。

圖5 鋼框架+組合鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置圖

此外鋼框架+組合鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系中組合鋼板剪力墻的加工制作、現(xiàn)場(chǎng)墻內(nèi)混凝土的澆筑等均會(huì)增加施工成本。

基于以上分析，鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系比鋼框架+組合鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系在高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅項(xiàng)目中應(yīng)用有明顯優(yōu)勢(shì)。

3.3 防屈曲鋼板剪力墻的不同布置位置方案對(duì)比

為研究防屈曲鋼板剪力墻的布置對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的影響，不改變防屈曲鋼板剪力墻的尺寸和數(shù)量，將部分防屈曲鋼板剪力墻的布置位置由結(jié)構(gòu)外圍(圖4(a))改為外圍+分戶墻的位置，如圖6所示。

鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻與鋼框架+組合鋼板剪力墻關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)比 表2

圖6 鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置圖(外圍+分戶墻)

兩種布置關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可知，部分防屈曲鋼板剪力墻布置于外圍+分戶墻的位置時(shí)，結(jié)構(gòu)第2振型出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，周期比為0.98，說明此布置方案下的結(jié)構(gòu)抗扭剛度不足；結(jié)構(gòu)X向和Y向最大層間位移角相較于防屈曲鋼板剪力墻布置于結(jié)構(gòu)外圍時(shí)增加61%，且Y向最大層間位移角大于1/250[15]；部分防屈曲鋼板剪力墻布置于外圍+分戶墻的位置時(shí)，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比與防屈曲鋼板剪力墻布置于結(jié)構(gòu)外圍時(shí)相差不大。可見，相同尺寸和數(shù)量的防屈曲鋼板剪力墻布置于結(jié)構(gòu)外圍時(shí)可以提供較大的剛度，提高結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力，減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。因此，防屈曲鋼板剪力墻布置于結(jié)構(gòu)外圍時(shí)，結(jié)構(gòu)受力更加合理。

4 防屈曲鋼板剪力墻設(shè)計(jì)存在的問題及應(yīng)對(duì)措施

4.1 鋼梁約束條件對(duì)鋼板剪力墻性能的影響

現(xiàn)有兩邊連接防屈曲鋼板剪力墻受力性能的模擬分析和試驗(yàn)中，均假定鋼梁對(duì)剪力墻是剛性約束。

防屈曲鋼板剪力墻不同布置方案關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)比 表3

國(guó)內(nèi)規(guī)范中也未對(duì)鋼梁的剛度做出具體要求。美國(guó)規(guī)范[16]中對(duì)四邊連接的鋼板非加勁鋼板剪力墻，要求與剪力墻連接的梁慣性矩Ib不小于0.003 1L4/h，其中L為約束墻的柱中心線距離，h為約束墻的柱軸線距離，由此可知，剪力墻的受力性能與鋼梁的剛度有密切關(guān)系。

為此，本文分析了與剪力墻連接的鋼梁對(duì)鋼板剪力墻受力性能的影響，針對(duì)本項(xiàng)目中的防屈曲鋼板剪力墻和與之對(duì)應(yīng)的框架梁柱，利用ABAQUS軟件進(jìn)行了整體水平靜力有限元分析，并與梁剛度無限大的分析結(jié)果以及規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

有限元模型材料為Q345C鋼材，框架柱截面為□400×400×16×16(內(nèi)灌混凝土)，框架梁截面為H500×200×12×20，鋼板剪力墻尺寸為-2 400×1 250×12。鋼板剪力墻承載力Fw通過帶剪力墻的框架承載力Fc(圖7(a))與有限元分析得到的純框架承載力Ff(圖7(b))相減得出，如式(1)所示。

圖7 有限元模型

Fw=Ff-Fc

(1)

剪力墻的設(shè)計(jì)承載力及設(shè)計(jì)剛度分別根據(jù)式(2)和式(3)[17]計(jì)算。鋼板剪力墻有限元分析的荷載-位移曲線與規(guī)范值對(duì)比如圖8所示。

圖8 鋼板剪力墻荷載-位移曲線

(2)

(3)

式中：Kw為鋼板剪力墻的設(shè)計(jì)剛度；E為鋼材的彈性模量；tw為鋼板剪力墻厚度；ν為泊松比。

由圖8可知，普通梁時(shí)剪力墻設(shè)計(jì)剛度Kw=78kN/mm，剛性梁時(shí)剪力墻設(shè)計(jì)剛度Kn=175kN/mm，兩者相差124%，由此可知，梁的剛度對(duì)鋼板剪力墻的極限承載力、抗側(cè)移剛度有著明顯影響，尤其是對(duì)鋼板剪力墻彈性階段的抗側(cè)移剛度影響最為顯著。由圖8中規(guī)范值與剛性梁計(jì)算值對(duì)比可以看出，根據(jù)式(3)計(jì)算得到的抗側(cè)移剛度與梁剛性假定時(shí)基本一致。不管梁是否剛性假定，設(shè)計(jì)承載力均低于剛性梁和普通梁的結(jié)果；梁的剛度對(duì)剪力墻的抗側(cè)移剛度有一定程度的影響。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，由于梁柱截面及剪力墻規(guī)格不同對(duì)剪力墻的受力性能影響程度不同，應(yīng)根據(jù)具體情況考慮梁剛度對(duì)剪力墻抗側(cè)移剛度的影響大小。

以上結(jié)論僅適用于本項(xiàng)目中的梁墻規(guī)格、樓板約束條件。當(dāng)以上參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，該問題需要重新研究。

4.2 鋼板剪力墻對(duì)鋼梁的影響

文獻(xiàn)[4]分析了帶邊框的兩邊連接防屈曲鋼板剪力墻與等代支撐簡(jiǎn)化模型，無論何種情形，剪力墻兩端對(duì)應(yīng)梁的位置處均有較大的應(yīng)力。為了研究鋼板剪力墻對(duì)連接鋼梁的影響，本文建立3組不同參數(shù)的有限元模型分析鋼梁的受力狀態(tài)變化，分別為普通梁框架模型(圖9(a))，局部加勁肋框架梁模型(圖9(b))和局部加勁肋以及梁腹板加厚的框架模型(圖9(c))。

圖9 鋼梁應(yīng)力分析結(jié)果/MPa

由圖9(a)可知，在一定的位移作用下，與剪力墻相連的區(qū)域鋼梁腹板有較大的主應(yīng)力；當(dāng)鋼梁在此區(qū)域設(shè)置局部豎向和橫向加勁肋時(shí)，該區(qū)域應(yīng)力有所減小，如圖9(b)所示；當(dāng)進(jìn)一步加厚鋼梁腹板時(shí)，該區(qū)域的最大應(yīng)力有明顯的減小，如圖9(c)所示。因此，為了減小鋼板剪力墻對(duì)鋼梁局部的影響，在與剪力墻相連區(qū)域的鋼梁腹板設(shè)置了加勁肋并且加大了鋼梁腹板厚度。

5 結(jié)論

(1)鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系相較于鋼框架+中心支撐結(jié)構(gòu)體系和鋼框架+組合鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系，布置更加靈活，更適用于門窗洞口較多的高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑。

(2)鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系與鋼框架+組合鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系相比，底部剪力、傾覆力矩等較小，對(duì)嵌固端要求更低，結(jié)構(gòu)的用鋼量和混凝土用量更少，施工成本更低。

(3)防屈曲鋼板剪力墻的布置對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)影響較大，相同尺寸和數(shù)量的防屈曲鋼板剪力墻布置于結(jié)構(gòu)外圍時(shí)可提供較大的剛度，增加結(jié)構(gòu)抗傾覆能力，減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。

(4)鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系中梁的剛度對(duì)剪力墻的抗側(cè)移剛度有一定程度影響，并隨著梁柱截面及剪力墻規(guī)格不同影響程度不同。因此在實(shí)際工程中，應(yīng)具體分析梁剛度對(duì)剪力墻抗側(cè)移剛度的影響，可進(jìn)一步展開對(duì)兩者數(shù)值關(guān)系的研究。

(5)受鋼板剪力墻的影響，與剪力墻相連的區(qū)域鋼梁腹板存在較大的主應(yīng)力。在該區(qū)域設(shè)置加勁肋和加厚腹板能夠有效減緩該區(qū)域梁的應(yīng)力，減小鋼板剪力墻對(duì)鋼梁局部的影響。