鋼板混凝土剪力墻研究概述

黃鎮(zhèn) 余海

(蘇州新城創(chuàng)佳置業(yè)有限公司，江蘇蘇州 215128)

0 引言

眾所周知，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于控制側(cè)移，而墻體構(gòu)件可以明顯地提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，因而在高層建筑中廣泛應(yīng)用。主流的混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)都有自己的墻體結(jié)構(gòu)形式?；炷翂w由兩端鋼筋混凝土邊緣構(gòu)件和中間鋼筋混凝土墻體組成，鋼結(jié)構(gòu)墻體由兩端型鋼柱、上下型鋼梁和中間鋼板組成。

鋼—混凝土組合抗側(cè)力構(gòu)件具有廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景，已在發(fā)達(dá)國(guó)家的高烈度地震設(shè)防區(qū)得到較多的應(yīng)用。早在20世紀(jì)60年代，日本名古屋地鐵公車(chē)站率先采用了這種內(nèi)置鋼板鋼筋混凝土剪力墻框架結(jié)構(gòu)。目前，在我國(guó)，北京國(guó)貿(mào)中心三期工程主塔樓結(jié)構(gòu)核心筒底部結(jié)構(gòu)采用了組合鋼板剪力墻［1］。

1 鋼板混凝土剪力墻的種類(lèi)

鋼板混凝土剪力墻在組成上主要分為:鋼框架加內(nèi)嵌鋼板，再在鋼板上貼混凝土墻板的偏向于鋼結(jié)構(gòu)的鋼板混凝土剪力墻;鋼框架加內(nèi)嵌鋼板，再整體現(xiàn)澆混凝土的偏向于混凝土結(jié)構(gòu)的鋼板混凝土剪力墻。

1.1 偏向于鋼結(jié)構(gòu)的鋼板混凝土剪力墻

偏向于鋼結(jié)構(gòu)的鋼板混凝土剪力墻的組成形式及構(gòu)件大致如圖1所示。

圖1 偏向于鋼結(jié)構(gòu)的鋼板混凝土剪力墻組成形式

傳統(tǒng)的組合鋼板剪力墻，預(yù)制混凝土板與鋼板疊合在一起，共同抵抗水平荷載。混凝土板與鋼板之間通過(guò)栓釘連接，且混凝土板與周邊框架之間沒(méi)有縫隙。在水平荷載作用下，混凝土板角部與鋼框架發(fā)生擠壓變形，導(dǎo)致混凝土板角部提前開(kāi)裂或者壓碎，栓釘周?chē)幕炷猎谘h(huán)往復(fù)荷載作用下，也很快壓碎剝落。因此在加載后期，失去混凝土板保護(hù)的內(nèi)嵌鋼板，表現(xiàn)出和非加勁鋼板剪力墻墻板一樣的力學(xué)性能。

由于傳統(tǒng)組合墻有諸多不足之處，Astaneh-Asl A和Zhao Q.H等［2，3］提出了改進(jìn)型的組合剪力墻。與傳統(tǒng)組合墻唯一的區(qū)別在于:混凝土板與周邊框架留有一定的間隙，從而減弱了混凝土材料的破壞。文中相關(guān)試驗(yàn)表明，傳統(tǒng)混凝土墻板破壞嚴(yán)重，混凝土基本上都被壓碎，而改進(jìn)型組合墻雖然在加載試驗(yàn)后也有很明顯的混凝土壓碎情況，但是內(nèi)嵌鋼板卻沒(méi)有像傳統(tǒng)剪力墻那樣出現(xiàn)明顯的面外屈曲現(xiàn)象，表現(xiàn)出了良好的延性和塑性變形能力。

郭彥林等［4，5］第一次提出了防屈曲鋼板墻概念。其主要的構(gòu)造特征是內(nèi)嵌鋼板與鋼框架之間通過(guò)魚(yú)尾板過(guò)渡連接，然后再使魚(yú)尾板與鋼板、型鋼之間通過(guò)焊接或高強(qiáng)螺栓連接。預(yù)制混凝土板與內(nèi)嵌鋼板之間通過(guò)施加預(yù)緊力的高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接。與Astaneh-Asl A等提出的改進(jìn)型組合剪力墻不同的就是螺栓桿穿過(guò)混凝土墻板的孔洞要大于螺栓桿的直徑。試驗(yàn)結(jié)果可以看出，此種墻體削弱了內(nèi)嵌鋼板在循環(huán)荷載作用下的拉力場(chǎng)效應(yīng)，使鋼板表面拉力場(chǎng)均勻化，同時(shí)極限承載力、彈性剛度增加幅度僅在10%左右，但是混凝土墻板一直完好無(wú)損。

張素梅等［6］提出將鋼板混凝土剪力墻開(kāi)縫，然后進(jìn)行了有限元分析研究。分析假定鋼板四邊簡(jiǎn)支，結(jié)果表明鋼板開(kāi)縫后雖然會(huì)導(dǎo)致承載力有所下降，但通過(guò)改變開(kāi)縫參數(shù)(如開(kāi)縫數(shù)目和開(kāi)縫間距等)，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)其承載力和初始剛度，從而具有良好的抗震性能。

1.2 偏向于混凝土結(jié)構(gòu)的鋼板混凝土剪力墻

偏向于混凝土結(jié)構(gòu)的鋼板混凝土剪力墻的截面形式大致如圖2所示。由于混凝土結(jié)構(gòu)在國(guó)外研究較少，所以此方面的研究國(guó)外較少開(kāi)展。

圖2 偏向于混凝土結(jié)構(gòu)的鋼板混凝土剪力墻組成形式

在國(guó)內(nèi)，孫建超、徐培福等進(jìn)行了鋼板混凝土剪力墻的試驗(yàn)研究［7，8］，試驗(yàn)中鋼板與周邊型鋼采用四周焊接、兩側(cè)焊接上下錨筋連接、四周通過(guò)連接板連接、四周設(shè)錨筋連接、四周設(shè)弱連接等連接方式。

試驗(yàn)得出以下結(jié)論:

1)鋼板與周邊型鋼的連接越強(qiáng)，墻體承載力越高，但相應(yīng)地變形和耗能能力就越差，滯回曲線(xiàn)呈現(xiàn)明顯的捏攏效應(yīng);

2)較低荷載下鋼板混凝土剪力墻呈現(xiàn)完全彈性且能夠很好地共同工作;隨著力不斷加大，混凝土開(kāi)裂位置增多、剛度降低，鋼板分配的力逐漸增加，鋼筋或鋼板陸續(xù)進(jìn)入屈服，混凝土逐步退出工作;達(dá)到極限承載力甚至下降時(shí)，混凝土已退出工作，鋼板單獨(dú)提供承載能力，已無(wú)共同工作性能。

呂西林等［9］進(jìn)行了鋼板混凝土剪力墻的試驗(yàn)研究，主要是鋼板混凝土剪力墻的破壞特征、破壞機(jī)理以及影響破壞機(jī)理的參數(shù)等。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):

1)鋼筋混凝土剪力墻的高寬比對(duì)構(gòu)件的破壞形式起決定性作用，高寬比為2.0和1.5時(shí)分別發(fā)生彎曲屈服后破壞、彎剪破壞，墻體耗散能力隨高寬比增大而增大;

2)混凝土墻體厚度大的試件變形能力比厚度小的試件大;

3)鋼板焊接栓釘?shù)姆绞奖蠕摪宕蚩状├Y(jié)筋的方式效果好，鋼板上焊接栓釘?shù)脑嚰芽p發(fā)展緩慢，裂縫數(shù)量少。

2 目前研究存在的問(wèn)題

對(duì)偏向于鋼結(jié)構(gòu)的鋼板混凝土剪力墻，其僅利用混凝土墻板作為鋼板平面外約束，沒(méi)有充分利用材料性能。其試驗(yàn)設(shè)計(jì)未充分考慮鋼結(jié)構(gòu)抗火、抗腐蝕等對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格要求。預(yù)制混凝土墻板的螺栓洞口易形成防火、防腐蝕的薄弱區(qū)域，從而造成重要的連接區(qū)域因腐蝕、大火等造成破壞。

對(duì)偏向于鋼板混凝土剪力墻承載能力目前沒(méi)有可靠的理論計(jì)算公式。目前研究成果中的計(jì)算公式只是將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合得出的公式。而由理論模型推出的計(jì)算公式，需要進(jìn)一步的理論分析研究。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋼板混凝土剪力墻的研究進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，將目前主流的研究趨勢(shì)分為兩種:即偏向于鋼結(jié)構(gòu)的鋼板混凝土剪力墻和偏向于混凝土結(jié)構(gòu)的鋼板混凝土剪力墻，得到結(jié)論如下:

1)對(duì)于偏向于鋼結(jié)構(gòu)的鋼板混凝土剪力墻，逐漸發(fā)展為以預(yù)制鋼板混凝土剪力墻為主流，即混凝土板和鋼板之間用高強(qiáng)螺栓連接，使混凝土墻板與鋼框架之間留有一定縫隙，僅將混凝土墻板視作內(nèi)嵌鋼板的面外約束的形式。

2)對(duì)于偏向于混凝土結(jié)構(gòu)的鋼板混凝土剪力墻，逐漸發(fā)展為以現(xiàn)澆鋼板混凝土剪力墻為主流，使鋼板和混凝土能夠共同受力和變形。鋼板與周邊型鋼的連接越強(qiáng)，構(gòu)件的承載力越高，但是其耗能能力越差。構(gòu)件的高寬比決定了構(gòu)件的破壞形式。

3)兩種類(lèi)型的鋼板混凝土剪力墻中，由于發(fā)達(dá)國(guó)家主要建設(shè)高層鋼結(jié)構(gòu)，故偏向于鋼結(jié)構(gòu)的鋼板混凝土剪力墻方面的研究較多，并且也較成熟;偏向于混凝土結(jié)構(gòu)的鋼板剪力墻研究較少，只有國(guó)內(nèi)幾個(gè)試驗(yàn)，且許多用于設(shè)計(jì)的控制性因素(如鋼板的連接形式、鋼板厚度的選取等)都對(duì)鋼板和混凝土共同作用有很大的影響，所以此方面的研究仍需大力開(kāi)展。

［1］ 郭家耀，郭偉邦，徐衛(wèi)國(guó)，等.中國(guó)國(guó)際貿(mào)易中心三期主塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［A］.第四屆海峽兩岸及香港鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)交流會(huì)論文集［C］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2006.

［2］ Astaneh-Asl A.Seismic behavior and design of composite steel plate shear walls［R］.Moraga:Structural Steel Educational Council，2002.

［3］ Zhao Q.H，Astaneh-Asl A.Cyclic behavior of traditional and Innovative composite shear walls［J］.Journal of structural engineering，2004，130(2):271-285.

［4］ 郭彥林，董全利，周 明.防屈曲鋼板剪力墻滯回性能的理論與試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009，30(1):31-39.

［5］ 郭彥林，周 明，董全利.防屈曲鋼板剪力墻彈塑性抗剪極限承載力與滯回性能研究［J］.工程力學(xué)，2009，26(2):108-114.

［6］ 博 一，董 莉，張素梅.開(kāi)縫和不開(kāi)縫鋼板混凝土剪力墻抗剪性能研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，42(8):1221-1225.

［7］ 孫建超，徐培福.鋼板—混凝土組合剪力墻受剪性能試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2008，38(6):1-5.

［8］ 孫建超，徐培福.不同配筋形式的混凝土剪力墻受剪性能試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2008，38(6):6-10.

［9］ 呂西林，干淳潔，王 威.內(nèi)置鋼板鋼筋混凝土剪力墻抗震性能研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009，30(5):89-96.