三種雙鋼板組合剪力墻受力性能研究綜述

黃立朋， 張敏

（青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266000）

0 引言

普通鋼筋混凝土剪力墻通常采用增加墻體厚度和鋼筋用量的方法滿足國內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范［1，2］對(duì)高層或超高層剪力墻承載力和延性的要求，這樣將會(huì)使得施工復(fù)雜，工程造價(jià)成本增加，建筑空間利用率降低。為此，學(xué)者們提出了承載力高、抗震性能優(yōu)越、施工方便的雙鋼板組合剪力墻。它是由兩側(cè)鋼板、內(nèi)部混凝土以及拉結(jié)構(gòu)件組成?；炷猎趦蓚?cè)鋼板的約束作用下，抗壓承載力得到了提高。同時(shí)，混凝土能夠防止兩側(cè)鋼板發(fā)生向內(nèi)屈曲，拉結(jié)構(gòu)件可以防止兩側(cè)鋼板向外屈曲，提高了混凝土與鋼板的協(xié)同工作能力。并且兩側(cè)鋼板在施工過程中可以當(dāng)作混凝土模板，節(jié)省了建筑耗材，降低了工程造價(jià)。

2011年，鹽城建成的全國最大的鋼包混凝土結(jié)構(gòu)—鹽城電視塔，是國內(nèi)首次將雙鋼板組合剪力墻應(yīng)用到實(shí)際工程中，充分展示了雙鋼板組合剪力墻的優(yōu)越性能［3］，截面形式如圖1所示。隨著建筑結(jié)構(gòu)的形式變得越來越復(fù)雜，單一的“一”字型雙鋼板組合剪力墻已不能滿足設(shè)計(jì)要求和施工要求。為解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式帶來的施工困難，學(xué)者們提出了“T”型、“L”型雙鋼板組合剪力墻，截面形式如圖2、圖3所示。由于“T”型、“L”型組合剪力墻屬于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，受力時(shí)，傳力路徑復(fù)雜，容易發(fā)生墻面扭轉(zhuǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)整體的承載力、延性和抗震性能產(chǎn)生不利的影響。

圖1 鹽城電視塔主塔平面示意圖

圖2 “T”型組合剪力墻截面圖（單位：mm）

圖3 “L”型組合剪力墻截面圖

為更好的設(shè)計(jì)和應(yīng)用“一”字型、“T”型、“L”型3種截面形式的雙鋼板組合剪力墻，應(yīng)對(duì)它們的受力性能進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)。文中對(duì)三種雙鋼板組合剪力墻的受力性能進(jìn)行綜述，闡述了混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度、鋼板厚度、連接方式、端部加強(qiáng)等因素分別對(duì)受力性能的影響，總結(jié)了3種雙鋼板組合剪力墻常用的承載力計(jì)算公式。鑒于現(xiàn)有研究的不足，文中認(rèn)為應(yīng)將組合剪力墻的端部加強(qiáng)和整體性能研究作為未來的研究重點(diǎn)。

1 “一”字型、“T”型、“L”型雙鋼板組合剪力墻受力性能研究現(xiàn)狀

1.1 “一”字型雙鋼板組合剪力墻受力性能研究現(xiàn)狀

“一”字型雙鋼板組合剪力墻構(gòu)造，在實(shí)際工程中應(yīng)用最多。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)“一”字型雙鋼板組合剪力墻的受力性能進(jìn)行了深入研究。最早，Wright等［4］對(duì)壓型鋼板組成的雙鋼板組合剪力墻進(jìn)行了抗壓試驗(yàn)，如圖4所示。

圖4 雙層壓型鋼板組合剪力墻

研究發(fā)現(xiàn)，雙鋼板組合剪力墻的抗壓承載力好于普通鋼筋混凝土剪力墻，但混凝土與鋼板的粘結(jié)強(qiáng)度較低，兩者不能很好的協(xié)同工作。Corus公司［5］提出了采用對(duì)拉螺栓連接的“一”字型組合剪力墻Bi-Steel，如圖5所示。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)拉螺栓將混凝土與兩側(cè)鋼板牢固的連接在一起，防止了鋼板過早產(chǎn)生平面屈曲，提高了混凝土與鋼板的協(xié)同工作能力，從而提高了剪力墻整體的承載力。聶建國團(tuán)隊(duì)［6-9］對(duì)不同剪跨比和軸壓比工況下的組合剪力墻進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元分析。研究發(fā)現(xiàn)，低剪跨比雙鋼板組合剪力墻的承載力、變形能力、抗側(cè)剛度、抗震耗能能力均優(yōu)于普通混凝土剪力墻；增加混凝土和鋼板的強(qiáng)度可以顯著提高組合剪力墻的承載力；設(shè)置螺栓連接使混凝土與雙鋼板牢固的連接在一起，提高了混凝土與鋼板的協(xié)同工作性，充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)點(diǎn)；提高雙鋼板混凝土組合剪力的剛度應(yīng)優(yōu)先考慮提高混凝土的強(qiáng)度。李健、郭小農(nóng)等［10-12］對(duì)不同構(gòu)造的雙鋼板組合剪力墻進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值分析，考慮了混凝土強(qiáng)度、鋼板厚度、栓釘間距、洞口等因素。結(jié)果表明，針對(duì)混凝土和鋼材的材料強(qiáng)度而言，組合剪力墻的承載力與材料強(qiáng)度成正比，材料強(qiáng)度越高，承載力越高；影響剪力墻延性的因素主要是軸壓比、鋼板厚度、栓釘間距、洞口等，其中，軸壓比對(duì)剪力墻延性的影響最大；組合剪力墻開洞會(huì)降低承載力，但提高了剪力墻的延性和抗震耗能能力。郝婷玥等［13］對(duì)雙鋼板組合剪力墻進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，提出了軸壓承載力計(jì)算式（1）。郭全全等［14］對(duì)剪切破壞為主的雙鋼板組合剪力墻進(jìn)行了低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，得出了組合剪力墻不受軸壓力時(shí)的斜截面受剪承載力計(jì)算式（2）和受軸壓力時(shí)的斜截面受剪承載力計(jì)算式（3）。

圖5 Bi-Steel組合剪力墻

式中，Nc為混凝土的受壓承載力；Ns為鋼板在有效寬度范圍內(nèi)的受壓承載力；Nss為內(nèi)部豎向隔板或螺栓的受壓承載力；Ac為混凝土的橫截面面積；fcc為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度；fy1為雙鋼板的屈服強(qiáng)度；fy2為內(nèi)部豎向隔板或螺栓的屈服強(qiáng)度；b為鋼板寬度；ts為鋼板厚度；As2為內(nèi)部各豎向隔板或螺栓的橫截面面積之和；η為鋼板屈曲影響系數(shù)，η=be/b，be為鋼板的有效寬度。

式中，Vu為雙鋼板剪力墻斜截面受剪承載力；lw為腹板寬度；bw為腹板混凝土厚度；tsw為腹板鋼板總厚度；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度；fy為腹板鋼板屈服強(qiáng)度；λ為剪跨比（0.5≤λ≤0.85，當(dāng)λ＜0.5時(shí)，取λ=0.5；當(dāng)λ＞0.85時(shí)，取λ=0.85），N0為軸壓力。

學(xué)者們除了對(duì)“一”字型雙鋼板組合剪力墻的軸壓比、材料強(qiáng)度、鋼板厚度、栓釘間距、洞口進(jìn)行了研究，還對(duì)鋼板連接方式和構(gòu)造形式進(jìn)行了研究。程春蘭、黃圣恩、夏登榮、韋芳芳［15-18］分別通過試驗(yàn)對(duì)約束拉桿、C形連接件、L形連接件、栓釘連接件等不同的連接方式對(duì)組合剪力墻受力性能的影響進(jìn)行了研究。聶建國等［19］通過理論分析，推導(dǎo)出了栓釘最大間距計(jì)算公式，如式（4）所示。王偉、徐文平、王來［20-22］分別對(duì)格構(gòu)柱式、格柵管式、多腔體式雙鋼板組合剪力墻的受力性能進(jìn)行了研究。分析發(fā)現(xiàn)，提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋼材強(qiáng)度、增加鋼板厚度都可以提高組合剪力墻的承載力；剪跨比和軸壓比對(duì)組合剪力墻的承載力和變形能力影響較大，增加剪跨比或者降低軸壓比可以改善其變形能力，但會(huì)降低承載力。

端部約束構(gòu)件在雙鋼板組合剪力墻受力時(shí)發(fā)揮著重要作用。普通雙鋼板組合剪力墻，由于端部沒有設(shè)置約束支撐，在往復(fù)荷載作用下，兩側(cè)鋼板容易被壓屈，混凝土三向受壓減弱，導(dǎo)致剪力墻的抗壓承載力降低。在雙鋼板組合剪力墻端部設(shè)置約束可以提高鋼板的延性，延緩剛度退化，有效提高了剪力墻的抗壓強(qiáng)度。Jia-BaoYan等［23］對(duì)帶邊界柱雙鋼板組合剪力墻進(jìn)行了試驗(yàn)研究，武曉東等［24］在雙鋼板組合剪力墻中設(shè)置了鋼管混凝土端柱。結(jié)果顯示組合剪力墻中設(shè)置邊界柱，能夠顯著提高剪力墻的承載力、極限位移角和抗震耗能能力；增大邊界柱的寬度和鋼管厚度都可以改善帶端柱組合剪力墻的承載力和抗震耗能能力。

式中，tf為墻身鋼板厚度；fy為鋼板屈服強(qiáng)度。

1.2 “T”型雙鋼板組合剪力墻受力性能研究現(xiàn)狀

“T”型剪力墻主要用于高層建筑結(jié)構(gòu)中內(nèi)墻與外墻的連接處，由于“T”型雙鋼板組合剪力墻結(jié)構(gòu)復(fù)雜，截面呈非對(duì)稱性，存在剪力滯后現(xiàn)象，受力路徑復(fù)雜，為保證剪力墻整體的安全性，有必要對(duì)其受力性進(jìn)行深入的研究。

陳志華、張曉萌等［25-27］提出了由“U”型鋼組合成的“T”型鋼管束組合剪力墻如圖6所示，并對(duì)其變形性能和抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究以及有限元分析。結(jié)果表明，“T”型鋼管束組合剪力墻的承載力和抗震性能優(yōu)于普通“T”型組合剪力墻；組合剪力墻的破壞和應(yīng)力應(yīng)變主要發(fā)生在腹板端部；在組合剪力墻端部鋼板上設(shè)置栓釘，僅能提高端部鋼板與混凝土的協(xié)同工作能力，對(duì)剪力墻整體沒有太大影響；減小端部“U”型鋼的截面尺寸或者增大端部“U”型鋼的鋼板厚度，都能夠提高組合剪力墻的抗震耗能能力；剪跨比是影響組合剪力墻初始剛度的主要因素之一，剪跨比越小，組合剪力墻的初始剛度越大，剛度退化越快；組合剪力墻在水平荷載下的位移主要由彎曲變形和剪切變形產(chǎn)生，其中彎曲變形產(chǎn)生的位移占總位移的85%～90%，隨著剪跨比的減小，彎曲變形產(chǎn)生的位移所占的比例將會(huì)逐漸減??；“T”型鋼管束組合剪力墻具有較好的變形能力，在達(dá)到破壞荷載后，保證承載力不發(fā)生顯著降低的情況下，可以保證建筑結(jié)構(gòu)主體發(fā)生嚴(yán)重破壞時(shí)不倒塌。

圖6 “T”型鋼管束組合剪力墻圖（單位：mm）

馬江霖［28］通過恢復(fù)力曲線發(fā)現(xiàn)，該類型的組合剪力墻具有良好的延性和抗震耗能能力，可以用于抗震設(shè)防設(shè)計(jì)要求較高的建筑物中；降低高寬比和增厚鋼板是提高承載力和抗震耗能能力的有效方法；混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)承載力的影響不大，混凝土強(qiáng)度等級(jí)過高，會(huì)導(dǎo)致墻體發(fā)生脆性破壞；當(dāng)軸壓比為0.6時(shí)，組合剪力墻的承載力最高、變形性能最佳，所以0.6是組合剪力墻軸壓比的最佳設(shè)計(jì)值。通過理論研究發(fā)現(xiàn)，由于“T”型組合剪力墻的不對(duì)稱性，在受到豎向荷載時(shí)，會(huì)一側(cè)受拉一側(cè)受壓。由于混凝土的抗壓能力高于抗拉能力，所以組合剪力墻的破壞首先發(fā)生在受拉一側(cè)；由于“T”型組合剪力墻的腹板截面面積小于翼緣的截面面積，所以當(dāng)沿著腹板施加往復(fù)水平荷載時(shí)，腹板的破壞程度遠(yuǎn)大于翼緣。

楊陽［29］對(duì)“T”型雙鋼板組合剪力墻進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明，“T”型雙鋼板組合剪力墻的破壞主要是由于腹板無翼緣側(cè)端部鋼板屈曲，混凝土被壓潰所致，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮對(duì)組合剪力墻腹板端部進(jìn)行加強(qiáng)；在對(duì)組合剪力墻進(jìn)行局部加強(qiáng)或者底部加強(qiáng)時(shí)，首先應(yīng)考慮采用增大鋼板厚度的方法，能夠有效提高承載力和延性。

王月明［30］通過試驗(yàn)研究，推導(dǎo)出了“T”型雙鋼板組合剪力墻的有效翼緣寬度計(jì)算公式、考慮翼緣寬度的正向承載力（翼緣受拉）公式、基于JGJ理論的斜截面抗剪承載力公式，如式（5）～式（7）所示，計(jì)算簡圖如圖7所示。

圖7 計(jì)算簡圖

式中，Mu為破壞彎矩；bfc為有效翼緣寬度；bft為實(shí)際翼緣寬度；h為剪力墻截面的總高度；hf為翼緣厚度；c為翼緣寬度；b為剪力墻的厚度；t為鋼板厚度；fy為鋼板抗拉強(qiáng)度；Pe為軸壓力；xc為截面形心到翼緣邊的距離；Vc為剪壓區(qū)混凝土承擔(dān)的剪力；Va為雙鋼板承擔(dān)的剪力；Vs為墻體內(nèi)鋼筋承擔(dān)的剪力；λ為剪跨比（當(dāng)λ＜1.5時(shí)，取1.5；λ＞2.2時(shí)，取2.2）；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度（取0.85倍的混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值）；A為剪力墻的截面總面積；Aw為剪力墻的腹板截面面積；Aa為單側(cè)外包鋼板截面面積。

1.3 “L”型雙鋼板組合剪力墻受力性能研究現(xiàn)狀

“L”型雙鋼板組合剪力墻主要用于建筑結(jié)構(gòu)中的拐角處，結(jié)構(gòu)形式呈非對(duì)稱性，構(gòu)造復(fù)雜，受力情況復(fù)雜，對(duì)其現(xiàn)有的研究相對(duì)較少。

秦成武［31］、蔡敏［32］分別對(duì)“L”型雙鋼板組合剪力墻和鋼管束組合剪力墻的力學(xué)性能進(jìn)行了有限元分析，如圖8所示。研究發(fā)現(xiàn)，“L”型雙鋼板組合剪力墻主要發(fā)生彎曲破壞；組合剪力墻的承載力和延性隨著鋼板強(qiáng)度的提高而提高；鋼板厚度應(yīng)控制在5mm以內(nèi)，此時(shí)，組合剪力墻的耗能能力隨著鋼板厚度的增加而提高；與其它形式的雙鋼板組合剪力墻一樣，承載力、變形性能和抗震耗能能力受軸壓比和剪跨比的影響。軸壓比越高，剪跨比越低，腹板越長，組合剪力墻的抗震耗能能力越高，承載力和變形能力越差；“L”型組合剪力墻的最佳翼緣長度為450mm。當(dāng)翼緣長度超過450mm時(shí)，應(yīng)考慮減小軸壓比或者提高腹板含鋼量。

圖8 “L”型鋼管束組合剪力墻（單位：mm）

李戶曉［33］對(duì)“L”型雙鋼板組合剪力墻腹板無翼緣側(cè)進(jìn)行了端部加強(qiáng)，如圖9所示。通過試驗(yàn)和有限元分析發(fā)現(xiàn)，“L”型雙鋼板組合剪力墻的破壞主要發(fā)生于腹板端部，墻體主要發(fā)生彎曲變形；普通“L”型雙鋼板組合剪力墻腹板無翼緣側(cè)底部因受壓容易提前發(fā)生破壞，進(jìn)行了腹板端部加強(qiáng)的組合剪力墻的破壞時(shí)間明顯晚于普通組合剪力墻，并且破壞程度也小于普通組合剪力墻；采用H型鋼對(duì)腹板無翼緣側(cè)進(jìn)行端部加強(qiáng)，有利于改善滯回曲線、骨架曲線的對(duì)稱性；通過端部加強(qiáng)提高了腹板的承載力，減小了墻體底部變形，改善了組合剪力墻整體的抗震性能；端部加強(qiáng)采用的H型鋼截面尺寸越大，組合剪力墻的正負(fù)向承載力差距越小，越有利于提高抗震性能；在腹板與翼緣交接處增設(shè)H型鋼，會(huì)對(duì)組合剪力墻的抗震性能產(chǎn)生不利的影響。

圖9 帶端柱“L”型雙鋼板組合剪力墻

2 “一”字型、“T”型、“L”型雙鋼板組合剪力墻受力性能研究存在的問題及展望

（1） 端部加強(qiáng)對(duì)組合剪力墻的整體受力性能有著重要的影響，尚未有文章對(duì)組合剪力墻端部加強(qiáng)后的受力性能和端部加強(qiáng)方式進(jìn)行專門的系統(tǒng)化研究。“一”字型雙鋼板組合剪力墻的兩端鋼板和“T”型、“L”型雙鋼板組合剪力墻的腹板端部鋼板發(fā)生過早屈曲，使得混凝土和鋼板的性能得不到充分發(fā)揮，承載力較低。所以，有必要對(duì)“一”字型剪力墻的兩端和“T”型、“L”型剪力墻的腹板端部進(jìn)行局部加強(qiáng)處理，以提高混凝土和鋼板的協(xié)同工作性和剪力墻的整體受力性能。

（2） 結(jié)構(gòu)整體性是保證結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件在地震作用下協(xié)調(diào)工作的必要條件，結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件之間能夠可靠的連接是保證結(jié)構(gòu)整體性的前提。組合剪力墻作為建筑結(jié)構(gòu)中主要的抗側(cè)力構(gòu)件，其與其它構(gòu)件的可靠連接對(duì)建筑物的整體性起著尤為重要的作用，但由于試驗(yàn)條件限制，現(xiàn)有的文章只研究了雙鋼板組合剪力墻自身的受力性能，尚未有文章對(duì)組合剪力墻與結(jié)構(gòu)中梁、板、柱以及其它墻體的連接方式進(jìn)行研究。

3 結(jié)語

雙鋼板組合剪力墻已被廣泛用于高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)中，為適應(yīng)高層建筑結(jié)構(gòu)對(duì)剪力墻抗震性能的高要求，有必要對(duì)其受力性能進(jìn)行全面系統(tǒng)化的研究。文中綜述了“一”字型、“T”型、“L”型雙鋼板組合剪力墻受力性能的研究現(xiàn)狀，分析了各因素對(duì)三種雙鋼板組合剪力受力性能的影響，總結(jié)了部分常用的承載力計(jì)算公式。指出了現(xiàn)有研究的不足，現(xiàn)有的文章對(duì)端部加強(qiáng)和整體性能的研究相對(duì)較少，不能為雙鋼板組合剪力的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供充分的參考依據(jù)，應(yīng)作為未來的研究重點(diǎn)。