型鋼混凝土短肢剪力墻的研究現(xiàn)狀和展望

魏山山 唐紅元

1 概述

鑒于某些截面形式的短肢剪力墻力學(xué)性質(zhì)很不對稱，比如橫斷面為T形、L形的短肢墻在承受不同方向側(cè)力時，承載力、延性、剛度等性能會不對稱[1]。考慮在其截面中埋置型鋼后，其受力性能會得到改善，減小構(gòu)件的截面尺寸，增加建筑的使用面積，提高結(jié)構(gòu)的抗震性等。因此，該結(jié)構(gòu)即型鋼混凝土短肢剪力墻具有相當(dāng)廣闊的發(fā)展前景。

2 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的形式及特點

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)(簡稱SRC結(jié)構(gòu))是指在混凝土內(nèi)配置型鋼(軋制或焊接成型)和鋼筋的組合結(jié)構(gòu)[3]。與鋼結(jié)構(gòu)相比，SRC結(jié)構(gòu)外包混凝土可以防止型鋼的局部屈曲，并能提高鋼構(gòu)件的整體剛度，增加結(jié)構(gòu)的耐久性和耐火性，同時具有良好的延性和耗能性能，還可以節(jié)約鋼材。與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，SRC結(jié)構(gòu)內(nèi)含型鋼，其承載力高，剛度大，延性及耗能性能好，具有良好的抗震性能;在相同荷載情況下，可大大減小柱截面尺寸，避免形成不利于抗震的短柱。

國內(nèi)外試驗研究表明[4]，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中，型鋼與混凝土的粘結(jié)力大約只相當(dāng)于光面鋼筋與混凝土的45%。因此，需要在構(gòu)件上加設(shè)剪切連接件以確保型鋼與混凝土協(xié)同工作，或在計算中考慮粘結(jié)滑移對承載力的影響。

3 型鋼混凝土短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的概念及特點

短肢剪力墻屬于剪力墻結(jié)構(gòu)體系，短肢剪力墻[2]是墻肢截面高厚比為5～8，墻厚不小于200 mm的剪力墻，它的形式介于異形框架柱與一般剪力墻之間。《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]規(guī)定:型鋼混凝土剪力墻為剪力墻的邊緣構(gòu)件中配置實腹型鋼形成暗柱并配有一定橫向箍筋及縱向受力鋼筋的結(jié)構(gòu)。

型鋼混凝土短肢剪力墻是基于對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)和型鋼混凝土結(jié)構(gòu)兩類結(jié)構(gòu)的認識，發(fā)揮兩者優(yōu)勢的同時克服它們的缺點而提出的。將型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，成為一種新型的混凝土短肢剪力墻——型鋼混凝土短肢剪力墻。

4 型鋼混凝土短肢剪力墻的國內(nèi)研究現(xiàn)狀

對型鋼混凝土短肢剪力墻的研究只是在近幾年，而且主要是對構(gòu)件的研究，目前還處于初級階段，很多理論與計算方法還有待進一步研究。主要是西安建筑科技大學(xué)和北方工業(yè)大學(xué)的課題組對“一”字形和“T”形型鋼混凝土短肢剪力墻的承載力和抗震性能做了相關(guān)研究。

北方工業(yè)大學(xué)的課題組對“一”字形型鋼混凝土短肢剪力墻構(gòu)件進行了一系列試驗來研究其抗震性能。王獻云[5]對端部配置角鋼“一”字形型鋼混凝土短肢剪力墻墻肢構(gòu)件進行抗震性能的試驗研究，分析其承載力、剛度、延性、滯回特性、耗能能力及破壞機理等，試驗結(jié)果表明，與普通“一”字形混凝土短肢剪力墻比較，型鋼混凝土短肢剪力墻構(gòu)件的承載力較大，剛度有相應(yīng)提高，延性性能良好，耗能能力顯著。鄭亮[6]對端部配置槽鋼“一”字形型鋼混凝土短肢剪力墻墻肢構(gòu)件進行了低周反復(fù)荷載下的抗震性能試驗，試驗結(jié)果表明槽鋼混凝土短肢剪力墻的承載能力和耗能比普通短肢剪力墻的相應(yīng)值明顯提高，設(shè)置槽鋼暗柱提高了混凝土短肢剪力墻的抗震性能。范源[7]進行了六個不同肢厚比端部分別配置角鋼和槽鋼的“一”字形型鋼混凝土短肢剪力墻低周反復(fù)荷載試驗。根據(jù)試驗結(jié)果，分析不同型鋼配置的混凝土短肢剪力墻承載力、剛度、延性、滯回特性、耗能能力、應(yīng)力應(yīng)變及破壞機制等抗震性能差異，研究其抗震作用機理。在試驗研究基礎(chǔ)上，建立型鋼混凝土“一”字形短肢剪力墻的剛度和承載力簡化力學(xué)模型和計算公式，建立了恢復(fù)力模型。

西安建筑科技大學(xué)的課題組通過有限元分析和試驗研究對T形型鋼混凝土短肢剪力墻構(gòu)件的極限承載力和抗震性能做了一系列研究。韓向科[8]通過有限元軟件ANSYS對T形端部配置型鋼短肢剪力墻腹板進行單調(diào)荷載作用下模擬試驗分析，揭示了型鋼混凝土短肢剪力墻的破壞形式和不同影響因素作用下的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了正截面和斜截面的極限承載力公式。孫濤[9]對試件截面高寬比為5和6的T形型鋼混凝土短肢剪力墻進行了低周反復(fù)荷載試驗研究。通過觀測裂縫和撓度的發(fā)展變化規(guī)律，記錄開裂荷載、屈服荷載、極限荷載值，并記錄破壞形態(tài)，對試驗的結(jié)果進行分析，包括承載力、延性、滯回特性等，并結(jié)合已完成試驗進行對比分析，得到通過配置型鋼，大大改善了構(gòu)件的抗震性能，滯回曲線接近對稱，型鋼短肢剪力墻的延性系數(shù)也可以達到3以上，滿足了工程延性的需要的結(jié)論。胡利[10]在對有限元模型進行校驗之后，對不同軸壓比下的T形SRC短肢墻進行單調(diào)反復(fù)荷載下的非線性分析，研究構(gòu)件的軸壓比對正截面抗彎承載力的影響。并基于計算分析和試驗研究，參照規(guī)范，推導(dǎo)出T形SRC短肢墻在單向偏心受壓作用下的正截面強度的計算式。

5 型鋼混凝土剪力墻的國外研究現(xiàn)狀

國外對鋼板混凝土剪力墻研究較多，Astaneh-ASI[11]等對內(nèi)藏單層鋼板混凝土剪力墻進行了一系列的試驗研究，試驗結(jié)果表明:在反復(fù)荷載作用下內(nèi)含鋼板的混凝土墻板能夠大量耗能，是一種有前途的抗側(cè)力構(gòu)件。但由于鋼板和混凝土墻板的組合體剛度很大，導(dǎo)致吸引大量的力，即使在相對小的橫向側(cè)移下產(chǎn)生的橫向力都能導(dǎo)致混凝土剪力墻墻板與外部構(gòu)件連接處開裂。

Berman，Jeffrey W分別對框架中填充輕型鋼板和填充輕型波紋鋼板的剪力墻進行了試驗研究，表明二者均具有良好的延性和耗能能力[12]。加拿大學(xué)者Hossain，K.M.Anwar對兩側(cè)為鋼板，中間填充混凝土的組合剪力墻進行了試驗研究，對其變形、強度、剛度、應(yīng)變、鋼板—混凝土相互作用和破壞模式等進行研究分析，導(dǎo)出了抗剪強度和剛度的分析模型[13]。

6 有待研究解決的問題

1)對暗柱箍筋的影響有必要進行較為深入的討論，合理范圍內(nèi)增大暗柱箍筋的配筋率對改變構(gòu)件的破壞形態(tài)能起到積極作用，需要進一步探索滿足工程需要的合理的暗柱配筋率。2)型鋼短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性能不僅取決于單個構(gòu)件的特性，還有各構(gòu)件之間不同的組合連接關(guān)系，這使得構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的表現(xiàn)往往與單個構(gòu)件時的大為不同。由此，短肢剪力墻構(gòu)件本身以及如何將其放在整體結(jié)構(gòu)中發(fā)揮作用，都需要研究人員及設(shè)計人員進一步掌握和了解，以此來指導(dǎo)型鋼短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作，今后仍需在這一方面進行大量深入研究。3)型鋼與混凝土這兩種材質(zhì)之間的粘結(jié)滑移現(xiàn)象不可避免，但又不容忽視，一直是理論分析的重難點，如何進一步考慮粘結(jié)滑移對其承載力的影響，值得進一步探討。4)目前只有“一”字形和“T”形型鋼混凝土短肢剪力墻構(gòu)件的研究成果，還應(yīng)深入研究不同形狀的構(gòu)件和不同形式的型鋼暗柱及其擺放形式對型鋼混凝土短肢剪力墻的抗震性能的影響，進一步使研究成果系統(tǒng)化。

7 結(jié)語

型鋼混凝土短肢剪力墻作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，它綜合了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土短肢剪力墻的性能，具有較高的承載力和剛度及良好的抗震性能等優(yōu)點，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，同時避免了兩者的不足，對拓寬型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍，具有十分重要的工程應(yīng)用價值，且對完善短肢剪力墻結(jié)構(gòu)都具有非常重要的意義。

[1] 容柏生.高層住宅建筑中的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，1997(6):14-19.

[2] JGJ 3-2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] JGJ 138-2001，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[4] 趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)[M].北京:科學(xué)出版社，2001.

[5] 王獻云.型鋼混凝土組合短肢剪力墻抗震性能試驗研究[D].北京:北方工業(yè)大學(xué)碩士論文，2008.

[6] 鄭 亮.型鋼混凝土短肢剪力墻抗震性能理論分析和試驗研究[D].北京:北方工業(yè)大學(xué)碩士論文，2008.

[7] 范 源.型鋼混凝土短肢剪力墻抗震性能試驗研究與理論分析[D].北京:北方工業(yè)大學(xué)碩士論文，2008.

[8] 韓向科.型鋼混凝土短肢剪力墻正截面斜截面分析[D].西安:西安建筑科技大學(xué)碩士論文，2007.

[9] 孫 濤.T形型鋼短肢剪力墻低周反復(fù)荷載試驗研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué)碩士論文，2009.

[10] 胡 利.T形型鋼混凝土短肢剪力墻正截面承載力分析[D].西安:西安建筑科技大學(xué)碩士論文，2009:42-44.

[11] Astaneh-ASI.Seismic behavior and design of steel shear walls[J].Structural Steel Educational Council，ASCE ，2001(5):21-22.

[12] Berman，Jeffrey W.Bruneau，Michel.Experimental investigation of light-gauge steel plate shear walls[J].Journal of Structural Engineering，2005 ，131(2):259-267.

[13] Hossain，K.M.Anwar，Wright，H.D.Performance of double skin-profiled composite shear walls experiments and design equations[J].Canadian Journal of Civil Engineering，2004，31(2):204-217.