型鋼混凝土組合短肢剪力墻研究綜述

王獻云　李勝紅　鄭亮

摘要：短肢剪力墻結構是近年來在我國興起的一種新型的抗側力構件，它既保留了異形框架柱不凸出墻面的優(yōu)點，又克服了異形框架柱抗震性能不理想等缺點。與普通剪力墻相比，短肢剪力墻門窗洞口更大，可以較好地滿足住宅建筑的采光與通風要求，增加使用面積，造價更低，且結構自重更小。在此基礎上我們在短肢剪力墻兩側加入型鋼，以組合短肢剪力墻的結構形式來進一步提高結構整體剛度和抗震性能。

關鍵詞：抗震性能；型鋼混凝土；短肢剪力墻；組合結構

中圖分類號：U663.9+3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）15-0056-02

一、前言

近年來，由于住宅需求的增加和用于建造住宅的土地供應緊張，高層住宅的建造成為眾多開發(fā)商的首選，同時隨著生活水平的提高，人們的居住觀念也發(fā)生了根本變化，如要求大開間、平面和房間布置靈活、室內(nèi)不露梁柱等，使得普通框架外露梁柱或普通剪力墻結構對建筑空間的嚴格限制與分割的設計已經(jīng)不能滿足使用要求。在這種情況下，一種界于異型框架柱和普通剪力墻結構之間的短肢剪力墻結構應用而生。短肢剪力墻既保留了異形框架柱不凸出墻面，房間布置靈活等優(yōu)點，又克服了異形框架柱抗側移剛度相對較低的缺點。與普通剪力墻相比，短肢剪力墻門窗洞口更大，可以較好地滿足住宅建筑的采光與通風要求，增加使用面積，造價更低，且結構自重更小。另外，對于新一代的高層建筑，當今世界各國都已趨向采用鋼—混凝土的組合結構。型鋼混凝土組合構件充分利用了混凝土的抗壓性能和鋼材的抗拉壓性能，使鋼筋混凝土與型鋼形成整體，共同受力。因此，型鋼混凝土組合構件的承載力可以高出同樣橫截面的鋼筋混凝土構件一倍以上。外包混凝土對型鋼有較強的約束作用，可防止型鋼的局部屈曲，提高型鋼骨架的整體剛度和抗扭能力。并且型鋼混凝土組合構件具有比鋼筋混凝土構件更好的延性和耗能性能。因此，在強地震中，呈現(xiàn)出優(yōu)良的抗震性能。鑒于型鋼和混凝土能夠較好的優(yōu)勢互補、取長補短，使材料的優(yōu)勢在結構抗震中能夠更加充分體現(xiàn)出來的特點，所以我們在普通短肢剪力墻兩側加入型鋼材料，形成型鋼混凝土組合短肢剪力墻的結構形式。本文中我們稱這種結構形式為型鋼混凝土組合短肢剪力墻結構，并對該種結構形式的特點進行探討。

二、短肢剪力墻的正式提出與定義

短肢剪力墻結構是由我國的容柏生院士于1997年首先正式提出的，文中扼要敘述了短肢剪力墻結構體系的構成、特點、設計原則等，指出短肢剪力墻結構是界于異型框架柱和普通剪力墻之間的一種結構形式。該體系的墻肢相對普通剪力墻較短，截面通常采用“T”字型，“L”字型，“十”字型，“Z”字型，折線型或“一”字型等。

通過眾多學者和工程師對短肢剪力墻的逐步研究和實踐應用總結，我國現(xiàn)行《高層建筑混凝土結構技術規(guī)范》對短肢剪力墻的定義為：短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比（肢高厚比）為5～8的剪力墻。即短肢剪力墻應滿足5≤hc/bw≤8，hc為墻肢截面高度，bw為墻肢截面的厚度。

三、短肢剪力墻結構特點

1.它可結合建筑平面，利用間隔墻位置布置豎向構件，基本上不與建筑功能產(chǎn)生矛盾。

2.連接各墻的梁隨墻肢位置而設于間隔墻豎平面內(nèi)，故較隱秘，解決了框架結構梁柱突出墻面的問題，使房間布置靈活，建筑功能容易滿足，使用率高；尤其適用于20層左右的小高層住宅，且造價相對于普通剪力墻結構較低。

3.與普通剪力墻相比，隨著剪力墻數(shù)量減少和結構自重減輕，整體結構剛度也減小，可降低地震作用力對結構抗震較為有利；可以開較大洞口，建筑上還可獲得良好的通風與采光效果。

4.根據(jù)建筑平面抗側剛度的需要，利用中心剪力墻形成主要抗側力構件，易滿足剛度和強度要求。

5.肢高寬比大，水平荷載作用下墻體的破壞一般都呈彎曲型。同時連梁的跨高比大，故連梁的破壞也呈彎曲型。所以短肢剪力墻延性好，對抗震有利。

四、型鋼混凝土組合結構特點

型鋼混凝土組合結構是把型鋼埋入鋼筋混凝土中的一種獨立的結構形式。這種結構在各國有不同的名稱，建設部2001年10月23日發(fā)布的《型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程》（JGJ 138—2001）則正式將該種結構稱作型鋼混凝土組合結構。這種結構主要用來構成建筑物的梁和柱，內(nèi)含型鋼可分為實腹式和格構式兩大類。該結構形式的特點如下：

1.受力性能好，材料利用充分：型鋼混凝土組合構件充分利用了混凝土的抗壓性能和鋼材的抗拉壓性能，鋼筋混凝土與型鋼整體共同受力。因此型鋼混凝土構件的承載力可以高出同樣橫截面的鋼筋混凝土構件一倍以上，所以在相同承載力下，其截面尺寸可以適當減小，因而不會形成“肥梁胖柱”。

2.良好的耐久性和耐火性：型鋼外包裹的混凝土具有抵抗有害介質侵蝕，防止鋼材銹蝕等作用；同時，型鋼外混凝土保護層厚度，也決定著結構構件的耐火性能，比鋼結構要好很多。

3.綜合經(jīng)濟效益好：與鋼結構相比，型鋼混凝土組合結構可節(jié)約■的鋼材，降低了造價；與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構相比，構件的截面尺寸更小，結構自重輕，可以增加使用面積，便于建筑靈活布置。型鋼混凝土組合結構與鋼筋混凝土結構相比，可節(jié)省60%左右的混凝土，雖用鋼量有所增加，但由于其較鋼筋混凝土結構自重輕20%左右，對于高層建筑而言，明顯降低了地基基礎的費用。

4.抗震性能好：型鋼混凝土組合結構由于型鋼的設置，其延性比鋼筋混凝土結構有明顯提高，因此在大震中此種結構呈現(xiàn)出較好的抗震性能。

五、型鋼混凝土組合短肢剪力墻結構特點

型鋼混凝土短肢剪力墻基本上繼承了普通鋼筋混凝土短肢剪力墻的所有優(yōu)點，同時由于型鋼的加入，使型鋼混凝土短肢剪力墻較其他結構形式也體現(xiàn)出更大的優(yōu)越性：

1.型鋼混凝土短肢剪力墻與普通鋼結構相比具有良好的耐久性和耐火性，外包混凝土可以起到很好的防銹、抗火作用；同時由于外包混凝土的約束作用使普通鋼結構構件受壓失穩(wěn)的弱點得到了很大的克服；另外混凝土與型鋼共同承擔荷載，使型鋼混凝土成為節(jié)約鋼材的一個重要手段。

2.型鋼混凝土結構和普通鋼筋混凝土結構相比承載力大大提高，型鋼混凝土結構構件的承載力可以高于同樣外形尺寸的鋼筋混凝土構件的承載能力1倍以上；由于型鋼在混凝土在未澆筑以前就已形成鋼結構骨架，它具有相當大的承載能力，能夠承受構件自重和施工荷載，從而縮短施工周期；型鋼混凝土組合結構由于型鋼的設置，其延性比鋼筋混凝土結構有明顯提高，因此在大震中此種結構呈現(xiàn)出較好的抗震性能。

六、型鋼混凝土組合短肢剪力墻結構存在的問題

型鋼混凝土組合短肢剪力墻結構雖然有諸多優(yōu)勢，但是由于研究工作還處于起步階段，而且暫時還沒有太多的文章提及，因此在理論、應用以及在實際工程中都仍然存在很多有待解決問題。

1.短肢剪力墻結構雖然有以上各種優(yōu)點，并在實際住宅建筑上得到了應用，但是，對其受力和變形特性方面的研究還基本上處于初始階段，明顯地滯后于工程實踐。目前，在新的國家規(guī)范或規(guī)程中，雖已給出有關短肢剪力墻結構和異形柱結構的設計條款，但是從各種信息和資料來看，各類短肢墻受力性能試驗數(shù)據(jù)的積累還較少，還不足以對這種新型的結構形式給出準確定性和定量分析的基礎。與此同時，短肢剪力墻這種結構形式本身布置的靈活性，在不同情況下，也可能使結構的受力特性發(fā)生變化，因此，進一步的抗震性能試驗是非常必要的。

2.在理論方面，現(xiàn)在對短肢墻的結構分析和設計軟件，基本上仍采用以彈性模型為基礎的有限元方法。這種方法可以精細地分析鋼筋砼結構在砼開裂前的應力狀態(tài)，但對結構的破壞模式分析卻無能為力，不足以指導短肢墻的結構設計。在實際工程中，結構設計人員在設計中常常會遇到一些規(guī)范或規(guī)程中沒有涉及的問題，所實施的有關構造措施，往往是將普通剪力墻結構的規(guī)定移植過來；在計算分析方法上，也是沿用普通剪力墻的計算方法。這些做法并沒有可靠的技術基礎，可以說，到目前為止，對于短肢剪力墻結構尚缺少比較準確有效的設計和安全性評價的理論和方法。

3.型鋼混凝土結構由于具有良好的力學性能在高層建筑中的應用日益廣泛。但總的來說，型鋼混凝土結構在我國的應用還處于起步階段，尤其型鋼混凝土結構與短肢剪力墻結構相結合的工作仍需要進一步深入研究，隨著工程實踐、數(shù)據(jù)、經(jīng)驗積累，科研工作的深入，計算理論的進一步完善，如果能有針對性的推廣應用型鋼混凝土組合短肢剪力墻結構，對我國高層建筑的發(fā)展、優(yōu)化和改善結構抗震性能，都將具有極其重要的意義。

七、結語

型鋼混凝土組合短肢剪力墻結構是在短肢剪力墻結構的基礎上，充分利用型鋼混凝土結構的特點，通過在普通鋼筋混凝土短肢剪力墻兩側配制型鋼，以改善結構的延性和耗能能力，并提高整體剛度和抗震性能的一種新型的組合結構形式。該結構能夠有效實現(xiàn)結構建筑使用功能、抗震性能要求和經(jīng)濟指標合理三者的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，在高層住宅及多、高層辦公樓中具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

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