組合鋼板剪力墻的力學(xué)性能研究現(xiàn)狀分析

張皖駿 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，安徽 合肥 230031）

0 前言

由于側(cè)向剛度大、整體性好，且防火和抗風(fēng)性能優(yōu)異等優(yōu)點，剪力墻作為一種重要抗側(cè)力構(gòu)件得到廣泛應(yīng)用[1]。如今，隨著高層建筑的發(fā)展，建筑物的高度逐漸增高，其底部剪力墻承受的豎向荷載作用也隨之增大，在側(cè)向荷載作用（主要由地震作用及風(fēng)荷載引起）下，結(jié)構(gòu)體系會產(chǎn)生較大側(cè)移[2]，故高層建筑的抗震設(shè)計對結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)力構(gòu)件提出了更高的要求，傳統(tǒng)鋼筋混凝土剪力墻自重較大、延性相對較小，已不再滿足需要。

因此，20 世紀(jì)70 年代，鋼板剪力墻作為一種新型抗側(cè)單元應(yīng)運(yùn)而生[3]。近年來，隨著國內(nèi)外學(xué)者的研究不斷深化，鋼板剪力墻的形式逐漸多元化，其中，組合鋼板剪力墻是現(xiàn)今在高層建筑中最為常見的一種。本文將系統(tǒng)介紹組合鋼板剪力墻的定義、主要分類、抗震性能及其影響因素。

1 組合鋼板剪力墻的定義及主要分類

組合鋼板剪力墻（以下簡稱CSPSW）是在鋼板的一側(cè)或兩側(cè)固定鋼筋混凝土預(yù)制墻板或現(xiàn)澆鋼筋混凝土，兩種材料用抗剪連接件（如螺柱或螺栓等）保證連接，如圖1 所示[4]。由于混凝土板剛度大、抗火性能好，而鋼板延性大、承載力高、施工效率高，二者結(jié)合，相得益彰。此外，鋼筋混凝土墻板相當(dāng)于鋼板的側(cè)向約束，有效減少了在受力時部分鋼板產(chǎn)生局部屈曲而造成的剛度損失，進(jìn)而提高整體屈曲強(qiáng)度，減小P-△效應(yīng)；另一方面，鋼板也減少了鋼筋混凝土墻受力破壞時的承載力和剛度損失[5-6]。

圖1 組合鋼板剪力墻的基本組成[4]

按照混凝土板層數(shù)的不同，CSPSW可以分為四種類型：單側(cè)混凝土板CSPSW、雙側(cè)混凝土板CSPSW、鋼板外包混凝土CSPSW 和雙鋼板內(nèi)填混凝土CSPSW，具體構(gòu)成如圖2 所示[4]。其中，后兩種形式為目前CSPSW 發(fā)展的主流趨勢，下文將著重介紹二者。

圖2 組合鋼板剪力墻分類[4]

2 組合鋼板剪力墻的性能及影響因素

2.1 鋼板外包混凝土CSPSW

2.1.1 現(xiàn)澆混凝土板鋼板外包混凝土CSPSW

現(xiàn)澆混凝土板鋼板外包混凝土CSPSW 是在鋼板外配置鋼筋，并現(xiàn)澆混凝土，通過抗剪連接件和粘結(jié)作用使?jié)仓匿摻罨炷辽w板和內(nèi)嵌鋼板協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)形式[7]。

孫建超等[8]通過對十一個高寬比為1.5 的現(xiàn)澆CSPSW 進(jìn)行加載實驗，比較了不同連接形式下試件的極限承載力、剪切破壞形態(tài)和延性性能。實驗結(jié)果表明，現(xiàn)澆組合墻的各材料可以實現(xiàn)有效協(xié)同工作，但試件的抗震性能提高幅度由鋼板與周邊連接的緊密程度決定。其中，四周焊接CSPSW 試件的受剪承載力提高最為顯著，耗能能力及變形能力優(yōu)異；而當(dāng)鋼板四周僅設(shè)置弱連接時，承載力最低，但滯回環(huán)最飽滿，變形能力最強(qiáng)。因此，為使鋼板的強(qiáng)度得到充分利用，實際應(yīng)用中四周焊接的連接形式優(yōu)于四周采用連接板或錨栓及兩側(cè)焊接。

李海彬[9]在2015年以一座框架剪力墻結(jié)構(gòu)的辦公樓為原型設(shè)計了一榀兩層的現(xiàn)澆混凝土板CSPSW，并進(jìn)行循環(huán)加載實驗。結(jié)果顯示，CSPSW 有較好的強(qiáng)度儲備能力，其側(cè)向極限荷載是設(shè)計值的4.47 倍。李海彬提出，鋼板兩側(cè)的鋼筋混凝土蓋板起到有效抑制鋼板屈曲的作用，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的滯回耗能能力，可通過減少蓋板中部的配筋量，增加周邊配筋量來使蓋板更好地發(fā)揮作用。

2.1.2 預(yù)制混凝土板鋼板外包混凝土CSPSW

雖然混凝土蓋板現(xiàn)澆的方式能夠達(dá)到提高結(jié)構(gòu)剛度，增強(qiáng)抗震性能的目的，卻也大幅增加了結(jié)構(gòu)自重和施工難度[6]，為提高施工效率，越來越多的學(xué)者開始探索預(yù)制混凝土板CSPSW 領(lǐng)域。

采用預(yù)制混凝土蓋板的CSPSW中，鋼板主要起承擔(dān)水平荷載和提供耗能能力的作用，而豎向邊緣構(gòu)件用于承擔(dān)豎向力[5]。按照連接方式的不同，預(yù)制板CSPSW 可分為兩種類型：四邊連接CSPSW 和兩邊連接CSPSW。前者的內(nèi)嵌鋼板與四周的柱和框架梁等邊緣構(gòu)件均相連，而后者的鋼板僅與上下框架梁等水平邊緣構(gòu)件相連[5]。

2.1.2 .1四邊連接的CSPSW

針對各種形式的四邊連接鋼板墻及四邊連接預(yù)制板CSPSW，蔡克銓等[10]提出了統(tǒng)一的等效支撐模型，可以作為CSPSW 初步設(shè)計時期的建模分析基礎(chǔ)。

朱旭龍等[11]將混凝土開裂和多重非線性作為考慮因素，通過建立四邊剛接的CSPSW 模擬模型進(jìn)行數(shù)值分析，研究得出，減小鋼板的高厚比，增大抗剪螺栓連接件預(yù)緊力，增大鋼筋混凝土板的配筋率或板厚，可以增大屈服荷載，減小鋼筋混凝土板的開裂。

孫飛飛等[12]認(rèn)為，對于四邊連接形式的CSPSW，內(nèi)嵌鋼板四周易發(fā)生局部屈曲而造成鋼板薄弱，可以使用在鋼板上開圓孔的構(gòu)造措施改善，將薄弱部位轉(zhuǎn)移至預(yù)制混凝土板約束范圍以內(nèi)。此外，作者建立了四邊連接設(shè)縫CSPSW 的雙向多斜桿模型，并推導(dǎo)了計算公式及滯回曲線[13]。

2.1.2 .2兩邊連接的CSPSW

盡管四邊連接的CSPSW 承載和耗能能力較高，這種結(jié)構(gòu)形式往往會對框架柱產(chǎn)生較大附加彎矩，造成框架柱過早發(fā)生破壞，從而影響抗震性能[14]，且剪力墻四邊連接也會加大門窗洞口的開設(shè)難度，影響建筑的使用功能[15]。因此，學(xué)者們將研究重心轉(zhuǎn)至兩邊連接的CSPSW。

2009 年，馬欣伯等[16]制作了6 個僅與框架梁相連的組合剪力墻構(gòu)件，以研究它們在低周往復(fù)荷載下的抗剪性能。研究表明，混凝土蓋板的存在對限制鋼板的平面外變形有顯著作用，并消除了純鋼板剪力墻鼓曲時發(fā)出的響聲。同年，他們用有限元分析法建立了兩邊連接組合剪力墻的簡化模型，推導(dǎo)了其承載力計算公式[15]。

為了研究預(yù)制混凝土蓋板對鋼板的影響及鋼板厚度與CSPSW 力學(xué)性能的關(guān)系，管娜[17]對兩個兩邊連接的組合鋼板剪力墻和一個兩邊連接的純鋼板剪力墻（如圖3 所示）施加往復(fù)荷載，并采用ANSYS 軟件進(jìn)行有限元建模分析。實驗得出，CSPSW 受力始終保持在平面內(nèi)，抗剪承載力和割線剛度較純鋼板剪力墻均有顯著提升。同時，建模分析表明，CSPSW 的抗剪承載力等主要受鋼板跨高比影響，鋼板利用率與其成正比，而組合墻的初始剛度等力學(xué)指標(biāo)與鋼板高厚比成反比。

圖3 兩邊連接組合鋼板混凝土剪力墻[17]

2010 年，郭震等[6]制作了五個預(yù)制水泥基混凝土板作為組合剪力墻兩側(cè)的蓋板，并進(jìn)行實驗。實驗結(jié)果顯示，合理的構(gòu)造形式下，預(yù)制墻板有效提高了鋼板的屈曲荷載和剛度；寬厚比較小時，相應(yīng)的鋼板平面外變形會減小，極限抗剪承載力提高；此外，角鋼的存在一定程度上能抑制鋼板屈曲和平面外變形。因此，鋼板構(gòu)造形式至關(guān)重要，會影響鋼板屈曲形式、結(jié)構(gòu)耗能能力及組合墻破壞形式。

2.2 雙鋼板內(nèi)填混凝土CSPSW

雙鋼板內(nèi)填混凝土CSPSW 也稱外包鋼板CSPSW，是一種常用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層建筑中的新興構(gòu)件，由在兩側(cè)面層鋼板間澆筑混凝土形成，其在《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T380-2015）[18]中被稱為組合鋼板墻。近年來，學(xué)者們對于雙鋼板CSPSW 提出了許多創(chuàng)新和改進(jìn)。

2.2.1 開洞

Masahiko 等[19]在2004 年提出了一種開洞形式的雙鋼板組合剪力墻，并通過實驗闡明，開洞對CSPSW 結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度幾乎無影響，但開洞后的CSPSW 極限強(qiáng)度達(dá)到了不開洞CSPSW 的2-3 倍?；谶@一設(shè)計理念，易永勝和方有珍[20]建立了一種新型雙開孔鋼板CSPSW 力學(xué)模型，并指出開孔可明顯改善混凝土材料的耗能損傷。

2.2.2 設(shè)豎向縫

蔡健等[21]設(shè)計了一種新型雙層鋼板CSPSW，即在邊緣構(gòu)件和組合墻間設(shè)豎向縫，用蓋板連接件螺旋連接墻體中間鋼板。通過與未設(shè)豎向縫、邊緣構(gòu)件與墻體焊接的CSPSW 進(jìn)行擬靜力對比試驗發(fā)現(xiàn)，豎向縫的設(shè)置削弱了CSPSW的抗剪承載力，但提高了試件的延性和耗能能力；而采用蓋板連接件螺旋連接鋼板確保了連接縫應(yīng)力的有效傳遞。

2.2.3 約束拉桿連接

2013 年，劉鴻亮等[22]首次提出了帶約束拉桿的雙鋼板CSPSW，即用約束拉桿作為連接件連接兩側(cè)的鋼板，作者通過實驗證明了約束拉桿比普通栓釘對混凝土的約束作用更強(qiáng)，該構(gòu)造形式的CSPSW 具有更好的抗震能力。

3 CSPSW的研究

現(xiàn)有研究在考慮CSPSW 的屈曲問題時，大多數(shù)采用彈性分析方法，為探究結(jié)構(gòu)彈塑性反應(yīng)的影響，齊益等運(yùn)用ABAQUS 軟件建立了有限元模型，提出了簡化后的CSPSW 屈曲強(qiáng)度計算公式[23]及在側(cè)向荷載下，滿足結(jié)構(gòu)不同層間位移角變形要求的最小鋼筋混凝土蓋板厚度確定方法[24]；同年，蔣翊之等和劉瀏等分別通過建模分析，建立了不同高寬比下鋼板單面外包混凝土CSPSW[25]和鋼板雙面外包混凝土CSPSW[26]的連接件（栓釘）剪力計算公式。類似地，繆雪峰等[7]提出了CSPSW 的栓釘拉力和彎矩需求計算公式。這些均為CSPSW相關(guān)設(shè)計規(guī)程的編制提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)語

CSPSW 通過混凝土與鋼板之間的協(xié)同作用，物盡其用，充分發(fā)揮了兩種材料的長處。相比傳統(tǒng)剪力墻，在相同外力條件下，CSPSW 的抗震性能更好，剛度和承載能力更大，且墻重及墻厚更小，能夠有效提升建筑物整體性和力學(xué)性能，同時降低成本，節(jié)省建筑物使用空間。從混凝土板層數(shù)的區(qū)別來看，CSPSW 可以分為兩大類：一類是鋼板外包混凝土CSPSW，鋼筋混凝土板可以采用現(xiàn)澆或預(yù)制形式；另一類是雙鋼板內(nèi)填混凝土CSPSW，可通過設(shè)豎向縫，在鋼板上開洞，改進(jìn)鋼板抗剪連接件等方式增強(qiáng)CSPSW 的力學(xué)性能。此外，鋼板與周圍構(gòu)件的連接形式及鋼板的配筋率、板厚、高厚比、跨高比、抗剪螺栓連接件預(yù)緊力等，都對CSPSW 的性能有一定影響。

國內(nèi)外有關(guān)CSPSW 的各種試驗及有限元分析已經(jīng)證明了這一結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，但現(xiàn)有研究依舊存在一些不足，如目前國內(nèi)的組合墻設(shè)計仍缺少通用統(tǒng)一規(guī)范，查閱我國現(xiàn)行的抗震設(shè)計規(guī)范，均沒有涉及CSPSW 的自震周期和頻率等動力特性參數(shù)計算方法；由于用鋼量較大，造價較高，如何優(yōu)化CSPSW 的材料使用，使其更加經(jīng)濟(jì)合理也是推動其實際應(yīng)用的關(guān)鍵。

有關(guān)CSPSW 的研究方興未艾，隨著建筑物日新月異的發(fā)展和工程需求的增長，未來會有更多新型組合剪力墻出現(xiàn)，這是結(jié)構(gòu)向著高延性、高強(qiáng)度、高效率施工發(fā)展的必由之路，組合剪力墻有著廣闊的發(fā)展前景和工程應(yīng)用價值。