鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及設(shè)計(jì)研究

陳 林， 束偉農(nóng)， 姜子洵， 孟正炎

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100045)

0 概述

早在20世紀(jì)70年代，鋼板墻就在美國、日本等國家的一些知名建筑中得到應(yīng)用，并經(jīng)受過地震考驗(yàn)，表現(xiàn)出良好的抗震性能。如日本東京某鋼鐵公司采用H形鋼板墻組成抗側(cè)力體系(圖1)，鋼板尺寸約為3 700mm×2 750mm，縱橫方向均設(shè)置槽鋼加勁肋，鋼板厚度從4.5～12mm不等，與周邊框架焊接。美國加州Sylmar County Hospital，6層，1971年建成，該建筑底部兩層為鋼筋混凝土剪力墻，上部四層采用了鋼板墻結(jié)構(gòu)，鋼板厚度16～19mm。此建筑經(jīng)歷了1987年Whittier地震和1994年Northridge大地震，該樓的震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其主要受力構(gòu)件并沒有發(fā)生破壞，僅鋼板四周一些焊縫處產(chǎn)生微小裂紋。

圖1 鋼板剪力墻在平面上的布置示意

在我國，上海新錦江飯店核心筒、天津津塔大廈核心筒、北京冬奧村人才公寓豎向交通核的周圍結(jié)構(gòu)由純鋼板剪力墻組成。墻作為抗側(cè)力構(gòu)件，采用鋼或混凝土兩種不同材質(zhì)會(huì)表現(xiàn)出不同特點(diǎn)，對(duì)于單片墻，當(dāng)采用Q355鋼或C40混凝土?xí)r，兩者彈性模量比約為7，抗剪強(qiáng)度在40～50之間，可見在側(cè)向剛度相同的情況下，鋼板墻鋼板厚度可以縮小到混凝土墻厚的1/7，鋼板墻自重則僅為混凝土墻的40%。鋼板墻較混凝土墻擁有更高的強(qiáng)度、抗側(cè)移能力及較輕的自重，且延展性強(qiáng)，在高層結(jié)構(gòu)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、裝配式結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，均有更廣闊的應(yīng)用前景。

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國家對(duì)生態(tài)環(huán)境提出越來越高的要求，裝配式建筑、鋼結(jié)構(gòu)建筑因?yàn)榫哂泻芎玫沫h(huán)保特性越來越受到重視。北京市京政辦發(fā)〔2017〕8號(hào)文指出，為深入落實(shí)中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議和中央城市工作會(huì)議精神，牢固樹立和貫徹落實(shí)新發(fā)展理念，按照適用、經(jīng)濟(jì)、安全、綠色、美觀的要求，推動(dòng)建造方式創(chuàng)新，大力發(fā)展裝配式混凝土建筑和鋼結(jié)構(gòu)建筑，不斷提高裝配式建筑在新建建筑中的比例。鼓勵(lì)學(xué)校、醫(yī)院、體育館、商場(chǎng)、寫字樓等新建公共建筑優(yōu)先采用鋼結(jié)構(gòu)建筑，其中政府投資的單體地上建筑面積1萬m2(含)以上的新建公共建筑應(yīng)采用鋼結(jié)構(gòu)建筑。

可見，全鋼結(jié)構(gòu)體系在我國尤其在北京等大城市里將被大力推廣，而鋼板墻因?yàn)榫哂凶灾剌p、強(qiáng)度大、能與建筑墻板共用等裝配屬性將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合某采用鋼板墻的全鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際工程，對(duì)鋼板墻設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 工程概況及結(jié)構(gòu)體系

北京豐臺(tái)區(qū)某新建公共建筑，地上建筑面積約4.3萬m2，為順應(yīng)大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)等裝配式綠色建筑的政策需求，工程地上采用全鋼結(jié)構(gòu)，地下為混凝土結(jié)構(gòu)，鋼柱插入地下1層[1]。由于鋼板墻較屈曲約束支撐具有尺寸薄、能兼作建筑墻板等優(yōu)勢(shì)。綜合考慮，該工程采用鋼框架+延性墻板(防屈曲鋼板墻)結(jié)構(gòu)體系。

工程地上13層，首層層高6m，其余層層高4.5m；地下3層，地下3層至地下1層層高分別為4，4.5，4.5m。建筑高度61.5m，柱網(wǎng)尺寸為9m×8.4m，首層外輪廓尺寸42.9m×105.8m，呈凹形(圖2)，凹口尺寸21m×50m。營業(yè)大廳(首層)、中部大廳(2層)分別開17m×26m，21m×35m大洞，建筑橫剖面如圖3所示。

圖2 首層結(jié)構(gòu)平面圖

圖3 建筑橫剖面圖

基本風(fēng)壓取0.45kN/m2(50年重現(xiàn)期)，粗糙度類別為C類?？拐鹪O(shè)防烈度為8度(0.2g)，Ⅱ類場(chǎng)地土，特征周期0.4s，地震影響系數(shù)為0.16，結(jié)構(gòu)阻尼比0.035。

地上樓蓋采用主次梁體系，樓板采用鋼筋桁架樓承板，樓板厚度為120mm?？紤]砌筑隔墻、資料閱覽較多，大廳活荷載取5kN/m2，辦公活荷載取3.5kN/m2。

鋼管框架柱采用Q355C鋼，柱為箱形截面，為提高柱抗壓能力，內(nèi)部澆筑C60混凝土，截面尺寸1～6層為650×650×16(20)×16(20)，7層及以上為550×550×16×16；托柱為φ700×1 100的鋼管混凝土柱。梁采用Q355B鋼，樓內(nèi)鋼梁高450mm，邊框梁高600mm，托梁高1 200mm。建筑端部、下部布置剛度大的鋼板墻，并加強(qiáng)鋼板墻上、下部位的連梁，跨度較大時(shí)鋼板墻連梁采用1 050mm高的H型鋼，跨度較小時(shí)鋼板墻連梁采用900mm高的H型鋼；鋼板墻芯材采用Q235B，墻長2.6m、厚250mm。本工程采用的三種類型鋼板墻的參數(shù)見表1，典型鋼板墻框架立面見圖4。

表1 鋼板墻參數(shù)

圖4 典型鋼板墻立面布置

2 工程難點(diǎn)及解決對(duì)策

工程存在樓板開大洞(有效寬度小于50%)、凹凸不規(guī)則、豎向構(gòu)件間斷、局部不規(guī)則等4項(xiàng)不規(guī)則項(xiàng)，屬于超限高層建筑[2]。采取如下主要加強(qiáng)措施：

(1)合理布置鋼板墻，在建筑橫向(短軸方向)，鋼板墻設(shè)置于兩端部、凹形中部與兩端連接處或附近、中部樓板開洞兩側(cè)，提高了結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)能力；在建筑縱向(長軸方向)，基本各軸線榀均設(shè)一道或兩道鋼板墻，上部幾層適當(dāng)減少。鋼板墻落地到基礎(chǔ)。

(2)在凹形中部與兩端連接處、中部樓板開洞兩側(cè)樓蓋處設(shè)置面內(nèi)支撐，加強(qiáng)對(duì)薄弱部位的保護(hù)。

(3)加強(qiáng)中部大廳托柱、鋼桁架托梁等的性能目標(biāo)，以保證中部大廳結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的安全性，主要構(gòu)件性能目標(biāo)如表2所示。

主要構(gòu)件性能目標(biāo) 表2

3 鋼板墻體系計(jì)算模型

3.1 規(guī)程研究現(xiàn)狀

《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 380—2015)[3](簡稱鋼板墻規(guī)程)介紹了非加勁鋼板剪力墻、加勁鋼板剪力墻、防屈曲鋼板剪力墻、鋼板組合剪力墻、開縫鋼板剪力墻等常見的幾種鋼板剪力墻形式，按與周邊構(gòu)件連接情況，給出了鋼板剪力墻受剪承載力的計(jì)算方法、構(gòu)件的簡化計(jì)算模型，為實(shí)際運(yùn)用提供了詳細(xì)的參考。鋼板墻規(guī)程規(guī)定，鋼板剪力墻平面布置宜規(guī)則、對(duì)稱，豎向宜連續(xù)；明確指出鋼板墻僅為抗水平荷載構(gòu)件、耗能構(gòu)件，宜按不承受豎向荷載設(shè)計(jì)計(jì)算。鋼板墻規(guī)程第3.1.4條還指出，罕遇地震作用下，周邊框架梁柱不應(yīng)先于鋼板剪力墻破壞?？傊?，鋼板墻規(guī)程對(duì)鋼板墻等相關(guān)構(gòu)件規(guī)定得較為詳細(xì)。鋼板墻在結(jié)構(gòu)體系中與其余構(gòu)件協(xié)同工作機(jī)理如何，還需根據(jù)具體結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行分析，且因鋼板墻類型及其與周邊構(gòu)件連接情況的不同，分析結(jié)果也有所區(qū)別。

本工程采用兩邊連接防屈曲鋼板墻，鋼板墻外側(cè)為115mm厚的預(yù)制混凝土板，內(nèi)部鋼板厚度按屈服承載力匹配求得，其構(gòu)造示意圖如圖5所示。普通鋼板墻在水平剪力作用下易發(fā)生面外凸起形式的屈曲，滯回曲線會(huì)存在明顯的捏攏現(xiàn)象。防屈曲鋼板墻是指不會(huì)發(fā)生面外屈曲的鋼板剪力墻，由承受水平荷載的鋼芯板和防止鋼板發(fā)生面外屈曲的部件組合而成，通過剪力鍵與面外約束板件相連，防止芯板面外屈曲，大大改善了其抗震耗能能力。

圖5 防屈曲鋼板墻構(gòu)造示意圖

3.2 計(jì)算模型

根據(jù)鋼板墻規(guī)程附錄D，將兩邊連接防屈曲鋼板墻簡化為等效交叉桿模型進(jìn)行計(jì)算，模型及其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系簡圖如圖6所示。

圖6 兩邊連接防屈曲鋼板墻計(jì)算模型及其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系簡圖

拉、壓桿截面面積A1與屈服強(qiáng)度σy按下式(1)計(jì)算：

(1)

其中：

Le=lcosα，Vu=τufLetw

拉、壓桿長度l和屈服強(qiáng)度σy，鋼板墻寬度Le和初始剪切剛度K0，鋼板墻厚度tw和抗剪承載力Vu互相關(guān)聯(lián)，其中拉、壓桿屈服強(qiáng)度非鋼材強(qiáng)度，拉、壓桿非實(shí)際鋼構(gòu)件，而為抽象的力學(xué)模型，在電算模型的鋼板墻位置處輸入。

按上述計(jì)算模型，本工程結(jié)構(gòu)小震彈性分析主要計(jì)算結(jié)果如表3所示?？梢?，通過合理設(shè)置鋼板墻位置，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)以平動(dòng)為主的自振特性。此外，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比為X向1.22，Y向1.13。

結(jié)構(gòu)周期及周期比 表3

結(jié)構(gòu)在小震、風(fēng)荷載作用下的層間位移角如圖7所示?？梢?，小震作用下最大層間位移角為1/440，風(fēng)荷載作用下最大層間位移角小于1/1 000，設(shè)置鋼板墻之后，結(jié)構(gòu)剛度增大。

圖7 結(jié)構(gòu)在小震、風(fēng)荷載作用下層間位移角

鋼板墻所在跨框架是保證鋼板墻發(fā)揮耗能能力的關(guān)鍵部位，鋼梁又是直接被作用構(gòu)件，故鋼梁更為關(guān)鍵。按照抗震性能設(shè)計(jì)的概念，鋼板墻作為耗能構(gòu)件，其在大震作用下屈服較多，此時(shí)等效交叉桿的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線已進(jìn)入屈服水平段較長，剛度大大削弱，但內(nèi)力仍處最大狀態(tài)，鋼梁負(fù)載非常大。這種狀態(tài)之下，對(duì)鋼梁強(qiáng)度要求很高，鋼梁不應(yīng)有較大的變形，否則鋼板墻將成為可動(dòng)的機(jī)構(gòu)而失去作用，從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)變形突然增大而有垮塌的風(fēng)險(xiǎn)。按照強(qiáng)柱弱梁的抗震原則，對(duì)柱強(qiáng)度要求很高[4]，這將導(dǎo)致鋼板墻框架強(qiáng)度過高，從而吸收太多地震力，不太合理。故建立大震下合理的鋼板墻框架的計(jì)算模型顯得尤為重要。

3.3 大震下鋼板墻框架工作機(jī)理

大震下鋼板墻框架工作機(jī)理如圖8所示，具體闡述如下：1)A，B點(diǎn)只能在大震作用下形成彎矩鉸；2)A，B點(diǎn)形成彎矩鉸后，A，B點(diǎn)之間梁為簡支梁，仍為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，仍具有較大的剛度、強(qiáng)度；3)鋼梁C，D點(diǎn)在大震作用下不能屈服，否則A，B點(diǎn)之間梁形成機(jī)構(gòu)，變形大，鋼板墻失去作用點(diǎn)；4)A，B點(diǎn)在大震作用下抗剪亦不能屈服，否則A、B點(diǎn)之間梁成機(jī)構(gòu)；5)若不讓A，B點(diǎn)在大震作用下形成彎矩鉸，則柱必然出鉸，結(jié)構(gòu)不安全，只能將柱做得很強(qiáng)，這將導(dǎo)致框架在大震下仍不屈服，吸收大量地震力且水平變形小，鋼板墻效率不高。

圖8 鋼板墻框架工作機(jī)理

綜上，A，B點(diǎn)處有必要設(shè)類似圖9的狗骨節(jié)點(diǎn)[5]。這樣能保證結(jié)構(gòu)小震彈性，中、大震出現(xiàn)不同程度屈服，同時(shí)能使鋼板墻首先出現(xiàn)輕微屈服；隨其水平變形繼續(xù)加大，A，B點(diǎn)出現(xiàn)彎矩鉸；從而使鋼板墻水平變形增大較多，耗能能力發(fā)揮較為充分。

圖9 梁端狗骨節(jié)點(diǎn)

3.4 大震鋼板墻框架計(jì)算模型

按3.3節(jié)大震下鋼板墻框架工作機(jī)理，假定大震下鋼板墻框架中鋼梁兩端某部位進(jìn)入塑性狀態(tài)形成塑性鉸，而鋼梁其余部位處于彈性狀態(tài)，鋼梁為兩端簡支梁，交叉桿軸向力作用在簡支梁上，鋼板墻框架鋼柱為不屈服狀態(tài)。上述假定存在以下特點(diǎn)：1)滿足了鋼板墻規(guī)程提出的大震驗(yàn)算要求，計(jì)算過程簡潔，鋼梁可按交叉桿屈服強(qiáng)度反算，鋼梁端部的塑性鉸需保證交叉桿屈服力作用下抗剪不屈服；2)保證了強(qiáng)柱弱梁，通過適當(dāng)?shù)臉?gòu)造使梁端部位削弱，從而保證柱截面正常，整體結(jié)構(gòu)均勻；3)鋼板墻的耗能作用也得到充分發(fā)揮，大震下保證了結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力，結(jié)構(gòu)也能獲得附加阻尼比。

按照上述計(jì)算假定，繪制鋼板墻框架受力示意圖(圖10)，由力的平衡能確定鋼板墻框架截面尺寸(圖10)。

圖10 鋼板墻框架尺寸及受力示意圖

4 結(jié)構(gòu)大震動(dòng)力彈塑性分析

采用MIDAS Gen有限元分析軟件進(jìn)行大震動(dòng)力彈塑性分析[6]，并與不設(shè)置鋼板墻的結(jié)構(gòu)體系對(duì)比。阻尼比按5%輸入，采用兩條天然波(T1，T2波)、1條人工波(R1波)，3條地震波時(shí)程曲線如圖11所示。計(jì)算結(jié)果取包絡(luò)值。將3條波時(shí)程分析的底部剪力與反應(yīng)譜分析的底部剪力值(小震有墻模型)進(jìn)行比較，結(jié)果如表4所示。由表4可見，地震波選取符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[7](簡稱抗規(guī))第5.1.2條規(guī)定。

圖11 地震波時(shí)程曲線

表4 時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析的結(jié)構(gòu)底部剪力對(duì)比

結(jié)構(gòu)大震、小震作用下底部剪力對(duì)比如表5所示。由表5可見，大震與小震作用下結(jié)構(gòu)底部剪力比值在3.7～4.4之間。

大震、小震作用下結(jié)構(gòu)底部剪力對(duì)比 表5

有鋼板墻、無鋼板墻兩種情況下結(jié)構(gòu)層間位移角結(jié)果如圖12所示。由圖12可見，設(shè)置鋼板墻之后，大震下結(jié)構(gòu)層間位移角提高明顯，X向、Y向?qū)娱g位移角分別由1/57，1/36提高到1/85，1/88，提高了33%，59%，減震效果明顯。

圖12 大震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角

有鋼板墻結(jié)構(gòu)的出鉸狀態(tài)見圖13、圖14。由圖14可得，鋼板墻所在榀鋼梁靠柱端出鉸較多，破損較嚴(yán)重，而鋼板墻與鋼梁連接部位兩端基本不出鉸或出鉸較少，破損較輕，符合2.3節(jié)鋼板墻工作機(jī)理。

圖13 有鋼板墻結(jié)構(gòu)出鉸狀態(tài)

圖14 鋼板墻所在榀框架出鉸狀態(tài)

采用抗規(guī)第12.3.4條關(guān)于消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比計(jì)算式(2)進(jìn)行有鋼板墻結(jié)構(gòu)的附加阻尼比的計(jì)算，計(jì)算得的結(jié)構(gòu)附加阻尼比如表6所示?？梢?，按抗規(guī)相關(guān)條文計(jì)算的附加阻尼比均大于3%。

結(jié)構(gòu)耗能 表6

(2)

式中：ξa為附加有效阻尼比；Wcj為第j個(gè)效能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移Δuj下往復(fù)循環(huán)一周所消耗的能量，見圖15；Ws為結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下總應(yīng)變能。

圖15 典型鋼板墻滯回曲線

5 結(jié)論及建議

本文介紹了鋼板墻應(yīng)用情況，并通過工程實(shí)例講述鋼板墻結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn)。結(jié)果表明，通過合理設(shè)置鋼板墻位置及鋼板墻框架截面，使得鋼板墻結(jié)構(gòu)體系具有較優(yōu)的性能，抗側(cè)移能力有很大提高，附加阻尼比較大，大震下出鉸位置合理。由于鋼板墻類型較多，建議結(jié)合工程實(shí)際情況，分別采用不同的鋼板墻結(jié)構(gòu)體系計(jì)算假定進(jìn)行分析。