中美日規(guī)范關(guān)于雙鋼板組合剪力墻規(guī)定的對(duì)比分析

黃銀春

[摘要]介紹雙鋼板組合剪力墻的研究現(xiàn)狀，從構(gòu)造要求、設(shè)計(jì)要求方面對(duì)中國(guó)規(guī)范JGJ/T380-2015《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》，美國(guó)規(guī)范ANSI/AISC-N690-18與日本規(guī)范JEAG 4618-2005進(jìn)行對(duì)比分析。通過比較得到3本規(guī)范關(guān)于組合墻厚度與鋼板厚度比值、鋼板厚度、距厚比、栓釘直徑的規(guī)定均不一致，對(duì)栓釘長(zhǎng)度有一樣的規(guī)定。關(guān)于抗彎剛度和面內(nèi)受剪有不一樣的規(guī)定，鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程關(guān)于面內(nèi)抗剪更加保守，僅考慮了鋼板的貢獻(xiàn)，美國(guó)規(guī)范和日本規(guī)范不僅考慮了鋼板的貢獻(xiàn)，還把開裂混凝土的貢獻(xiàn)考慮進(jìn)來，更為精確。

[關(guān)鍵詞]雙鋼板組合剪力墻; 延性; 距厚比; 栓釘連接

[中國(guó)分類號(hào)]TU318.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

0引言

剪力墻按材料可分成鋼筋混凝土剪力墻、鋼板剪力墻和鋼板-混凝土組合剪力墻。鋼筋混凝土剪力墻延性和耗能能力相對(duì)較差，鋼板剪力墻薄的容易平面失穩(wěn)，厚的用鋼量多，造價(jià)高，鋼板與混凝土的組合剪力墻應(yīng)運(yùn)而生。鋼板混凝土組合剪力墻包含三大類，有單鋼板-混凝土組合剪力墻、內(nèi)置鋼板混凝土組合剪力墻和雙鋼板內(nèi)填混凝土組合剪力墻。

雙鋼板組合剪力墻作為一種新型抗側(cè)力構(gòu)件，目前國(guó)內(nèi)外研究相對(duì)較少。聶建國(guó)［1-2］做了不少雙鋼板組合剪力墻的擬靜力試驗(yàn)，表明其具有延性好、耗能能力強(qiáng)、構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。蔡健、湯序霖等［3-4］研究了軸壓比和剪跨比對(duì)帶約束拉桿雙鋼板混凝土組合剪力墻抗震性能的影響，也研究了加勁肋對(duì)雙鋼板混凝土組合剪力墻承載力的影響。國(guó)內(nèi)江蘇鹽城廣播電視塔已實(shí)際應(yīng)用了雙鋼板組合剪力墻［5］。國(guó)外暫時(shí)沒有民用建筑中的雙鋼板組合剪力墻的設(shè)計(jì)規(guī)范，國(guó)內(nèi)JGJ T380-2015《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》［6］中簡(jiǎn)單介紹了雙鋼板組合剪力墻的構(gòu)造要求和設(shè)計(jì)要求。美國(guó)規(guī)范ANSI/AISC-N690-18《核設(shè)施用有關(guān)安全的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》［7］，日本規(guī)范JEAG 4618-2005《鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》［8］詳細(xì)介紹了核設(shè)施相關(guān)雙鋼板組合剪力墻的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造要求。本文將對(duì)國(guó)標(biāo)、美標(biāo)和日標(biāo)關(guān)于雙鋼板組合剪力墻的構(gòu)造要求和設(shè)計(jì)要求作對(duì)比分析。

1各國(guó)規(guī)范對(duì)鋼板剪力墻分類不同

JGJ T380-2015《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》把鋼板組合剪力墻根據(jù)墻體外包鋼板與內(nèi)填混凝土的連接構(gòu)造分成四大類：栓釘連接、T型加勁肋連接、綴板連接、對(duì)拉螺栓連接，也可以把這四大類進(jìn)行混合連接，各種連接方式如圖1所示。

美國(guó)規(guī)范ANSI/AISC-N690-18未對(duì)鋼板組合剪力墻作出分類。JEAG 4618把鋼板組合剪力墻（SC shear wall）分成3類：栓釘連接、加勁板連接、隔板連接如圖2所示，JEAG 4618只針對(duì)栓釘連接或栓釘與加勁板或隔板組合連接有效。如果單獨(dú)的加勁板連接或隔板連接，需要合適的調(diào)查研究后方可使用JEAG 4618規(guī)范。

2各國(guó)規(guī)范對(duì)鋼板剪力墻構(gòu)造要求不同

3個(gè)國(guó)家對(duì)應(yīng)的3本規(guī)范在墻體厚度與鋼板厚度比值、鋼板厚度、栓釘?shù)拈g距與鋼板厚度之比（距厚比）、栓釘直徑、拉桿等方面的規(guī)定都不一樣，只在栓釘長(zhǎng)度方面我國(guó)規(guī)范與日本規(guī)范規(guī)定一致。

2.1墻體厚度與鋼板厚度比值

鋼板組合墻的墻體厚度與鋼板厚度之比見表1。

ANSI中的墻體厚度與鋼板厚度之比從含鋼率換算而來，含鋼率為雙鋼板厚度與鋼板組合墻厚度之比值，范圍為［0.015，0.050］，而國(guó)標(biāo)和日標(biāo)是直接規(guī)定的。ANSI規(guī)定含鋼率不超過0.050，因?yàn)檫^高的含鋼率會(huì)導(dǎo)致混凝土應(yīng)力偏高，把組合墻的極限狀態(tài)從鋼板屈服轉(zhuǎn)變成混凝土受壓破壞，從而降低鋼板組合墻的延性。JEAG規(guī)定鋼板組合墻厚度與鋼板厚度比值主要考慮地震時(shí)，在面內(nèi)剪力的作用下，鋼板和混凝土有適當(dāng)?shù)膽?yīng)力。墻厚與鋼板厚比值在30到50之間時(shí)，組合墻更接近鋼結(jié)構(gòu)，比值在150到200之間時(shí)，組合墻更接近鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如果比值大于200時(shí)，直接用混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理。

2.2鋼板厚度限值

鋼板厚度限值見表2。

在JGJ T380-2015《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》中限定最小厚度為10 mm，主要是考慮施工過程中鋼板的穩(wěn)定性和栓釘?shù)目珊感裕畲笾禌]有直接規(guī)定可根據(jù)墻厚與鋼板厚比值得出。因?yàn)榛炷翝仓陂g鋼板需要足夠的剛度和強(qiáng)度，在ANSI/AISC-N690-18中規(guī)定鋼板至少厚6 mm。在JEAG-4618-2005中規(guī)定鋼板厚度最小值為3.2 mm，主要考慮到可施工性，各種實(shí)驗(yàn)也表明這個(gè)厚度屈曲行為可以被限制。當(dāng)鋼板厚度在［25，40］范圍時(shí)，要充分考慮次要結(jié)構(gòu)栓釘?shù)鹊脑O(shè)計(jì)。根據(jù)中美日各國(guó)規(guī)定可知，3本規(guī)范規(guī)定鋼板最小值都考慮到施工和栓釘?shù)目珊附有浴?/p>

2.3距厚比

栓釘間距與鋼板厚度之比（距厚比）見表3。

式中：Es=鋼材的彈性模量，碳素鋼為200 000 MPa，不銹鋼為193 000 MPa，F(xiàn)y=鋼板的屈服強(qiáng)度。

日本規(guī)范規(guī)定距厚比不大于85的要求只是最低要求，為防止鋼板屈曲還需要滿足不大于600F，式中F為鋼材強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。中國(guó)規(guī)范限制距厚比為40，主要為滿足位移角為1/80（與大震位移角一致）時(shí)，墻體鋼板不發(fā)生局部屈曲。在ANSI中，定義其為鋼板長(zhǎng)細(xì)比，限制長(zhǎng)細(xì)比的目的是保證受壓屈服發(fā)生在局部屈曲之前。在ANSI規(guī)定鋼板的最小屈服應(yīng)力不小于350 MPa，也是為了降低局部屈曲發(fā)生在屈服前的可能性。JEAG的最低要求根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而來。

以鋼板材料為Q235為例，屈服強(qiáng)度Fy=235 MPa計(jì)算，依次得到中美日距厚比的最大值為40，29，39，可見，ANSI/AISC-N690-18對(duì)距厚比要求最為嚴(yán)格。

2.4栓釘直徑

栓釘直徑見表4。

JGJ限制栓釘直徑與鋼板厚度的比值，為防止栓釘焊接影響鋼板性能。ANSI未對(duì)栓釘直徑作出規(guī)定。JEAG規(guī)定栓釘直徑最大值主要為保證栓釘?shù)目珊感?。栓釘直徑超過最大值時(shí)，需要確保鋼板性能不因焊接缺陷而降級(jí)。

2.5栓釘長(zhǎng)度

栓釘長(zhǎng)度見表5。

JGJ限定栓釘長(zhǎng)度最小值為8倍栓釘直徑，主要是防止栓釘被拔出影響栓釘防止鋼板屈曲的能力。JEAG最小限值與JGJ一致，目的也一樣，主要保證栓釘有足夠的拔出力。當(dāng)承受的面外剪力很大時(shí)，需要更多的栓釘限制鋼板位移時(shí)，這種情況下，栓釘長(zhǎng)度大于等于4倍的栓釘直徑即可。

2.6拉桿間距

JGJ沒有拉桿的相關(guān)規(guī)定。ANSI規(guī)定拉桿間距為1倍墻厚或48倍拉桿直徑。在ANSI中拉桿有雙重作用。在澆灌混凝土過程中約束兩片鋼板，保證截面完整性；同時(shí)在使用階段可作為面外抗剪加勁。面外抗剪的貢獻(xiàn)大小主要取決于拉桿的分類和間距，拉桿根據(jù)屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和破壞強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系可分成屈服抗剪加勁和不屈服抗剪加勁，屈強(qiáng)比小于等于0.8為屈服抗剪加勁，否則為非屈服抗剪加勁。JEAG中拉桿主要作用是在施工過程中作臨時(shí)構(gòu)件，防止鋼板局部屈曲和增強(qiáng)面外抗剪功能與ANSI相同。ANSI中有關(guān)于拉桿的抗拉強(qiáng)度的要求，JEAG中未涉及到。

3設(shè)計(jì)要求

本節(jié)比較了中美日三國(guó)規(guī)范中關(guān)于抗彎剛度和面內(nèi)受剪的規(guī)定。ANSI規(guī)定鋼板組合墻應(yīng)進(jìn)行三維彈性厚殼有限元分析或三維實(shí)體有限元分析。

3.1抗彎剛度

JGJ計(jì)算內(nèi)力和變形時(shí)，認(rèn)為組合墻的抗彎剛度是鋼板抗彎剛度和混凝土抗彎剛度的疊加，公式如下：

EI=EsIs+EcIc（1）

式中：EsIs為鋼板的抗彎剛度；EcIc為混凝土的抗彎剛度。

ANSI不考慮事故熱工況的有效抗彎剛度公式（2）：

EIeff=（EsIs+c2EcIc）≥EsIs（2）

式中：EsIs為混凝土完全開裂后，鋼板的抗彎剛度；EcIc為混凝土的抗彎剛度；c2為確定有效抗彎剛度的標(biāo)準(zhǔn)常數(shù)=0.48ρ′+0.10；n為鋼與混凝土的模量系數(shù)=Es/Ec=13或15；ρ′為匹配剛度的含鋼率=ρn（ρ為含鋼率）。

JEAG未直接給出組合截面抗彎剛度的公式。只是在3.1.3節(jié)中交代組合截面剛度原則上按鋼板和混凝土的全截面計(jì)算。當(dāng)鋼板影響很小時(shí)，可假設(shè)組合截面剛度僅由混凝土組成。

3.2面內(nèi)受剪

JGJ只考慮鋼板參與面內(nèi)抗剪，不考慮混凝土的貢獻(xiàn)，受剪承載力滿足公式（3）：

V≤Vu=0.6FyAsw（3）

式中：V為鋼板組合剪力墻的剪力設(shè)計(jì)值；Vu為鋼板組合剪力墻的受剪承載力設(shè)計(jì)值；Asw為平行于剪力墻受力平面的鋼板面積。

ANSI把鋼板屈服作為極限狀態(tài)計(jì)算單位寬度面內(nèi)抗剪承載力設(shè)計(jì)值φviVni，和單位寬度面內(nèi)抗剪承載力容許值Vni/Ωvi，見式（4）。

φvi=0.90（LRFD）Ωvi=1.67（ASD）

Vni=κFyAs（4）

式中：As為鋼板單位寬度毛截面面積；Fy為鋼板規(guī)定的最小屈服應(yīng)力；κ為1.11-5.16ρ-≤1.0，ρ-（據(jù)剛度調(diào)整的含鋼率）=AsFy/31.6Acf′c。

JEAG是用應(yīng)力驗(yàn)算法計(jì)算：

鋼板應(yīng)力，見式（5）。

σsx=σsy=Qc/Asτs=Qs/As（5）

混凝土應(yīng)力，見式（6）。

σcx=σcy=-Qc/Ac（6）

Qs=QxyKa/（Ka+Kβ）

Qc=QxyKβ/（Ka+Kβ）

式中：Ka為鋼板的剪切剛度=AsGs；Kβ為混凝土開裂后考慮鋼板約束的有效抗剪剛度=1/{4/（AcE′c）+2（1-νs）/（AsEs）}。

因?yàn)閷?duì)組合結(jié)構(gòu)中混凝土的抗剪貢獻(xiàn)研究不充分，JGJ保守的取鋼腹板的抗剪貢獻(xiàn)作為整個(gè)組合墻的抗剪承載力。ANSI與JEAG在面內(nèi)受剪的計(jì)算思路是一致的，都考慮的是混凝土開裂后鋼板屈服時(shí)抗剪承載力，面內(nèi)受剪時(shí)主要考慮鋼板和開裂混凝土的貢獻(xiàn)。ANSI抗剪承載力公式經(jīng)簡(jiǎn)化而來，考慮的開裂混凝土的剪切剛度與JEAG混凝土開裂后的抗剪剛度公式一樣的。

4結(jié)論

通過比較分析可知國(guó)標(biāo)JGJ T380-2015《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》、美標(biāo)ANSI/AISC-N690、日標(biāo)JEAG-4618規(guī)定鋼板厚度最小值都是考慮到可施工性和栓釘?shù)目珊附有?。ANSI/AISC-N690對(duì)距厚比規(guī)定最嚴(yán)格，JGJ T380-2015《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》和JEAG-4618在栓釘長(zhǎng)度方面有相同規(guī)定。JGJ T380-2015《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》和ANSI/AISC-N690對(duì)抗彎剛度有不同規(guī)定。面內(nèi)受剪時(shí)，ANSI/AISC-N690和JEAG-4618均考慮了鋼板與開裂混凝土的共同作用，JGJ T380-2015《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》偏保守，僅考慮了鋼板在抗剪方面的貢獻(xiàn)。

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