鋼板混凝土剪力墻研究概述

黃鎮 余海

(蘇州新城創佳置業有限公司，江蘇蘇州 215128)

0 引言

眾所周知，高層建筑結構設計難點在于控制側移，而墻體構件可以明顯地提高結構的抗側剛度，因而在高層建筑中廣泛應用。主流的混凝土結構和鋼結構都有自己的墻體結構形式?；炷翂w由兩端鋼筋混凝土邊緣構件和中間鋼筋混凝土墻體組成，鋼結構墻體由兩端型鋼柱、上下型鋼梁和中間鋼板組成。

鋼—混凝土組合抗側力構件具有廣闊的實際應用前景，已在發達國家的高烈度地震設防區得到較多的應用。早在20世紀60年代，日本名古屋地鐵公車站率先采用了這種內置鋼板鋼筋混凝土剪力墻框架結構。目前，在我國，北京國貿中心三期工程主塔樓結構核心筒底部結構采用了組合鋼板剪力墻［1］。

1 鋼板混凝土剪力墻的種類

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

1.1 偏向于鋼結構的鋼板混凝土剪力墻

偏向于鋼結構的鋼板混凝土剪力墻的組成形式及構件大致如圖1所示。

圖1 偏向于鋼結構的鋼板混凝土剪力墻組成形式

傳統的組合鋼板剪力墻，預制混凝土板與鋼板疊合在一起，共同抵抗水平荷載?；炷涟迮c鋼板之間通過栓釘連接，且混凝土板與周邊框架之間沒有縫隙。在水平荷載作用下，混凝土板角部與鋼框架發生擠壓變形，導致混凝土板角部提前開裂或者壓碎，栓釘周圍的混凝土在循環往復荷載作用下，也很快壓碎剝落。因此在加載后期，失去混凝土板保護的內嵌鋼板，表現出和非加勁鋼板剪力墻墻板一樣的力學性能。

由于傳統組合墻有諸多不足之處，Astaneh-Asl A和Zhao Q.H等［2，3］提出了改進型的組合剪力墻。與傳統組合墻唯一的區別在于: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。文中相關試驗表明，傳統混凝土墻板破壞嚴重，混凝土基本上都被壓碎，而改進型組合墻雖然在加載試驗后也有很明顯的混凝土壓碎情況，但是內嵌鋼板卻沒有像傳統剪力墻那樣出現明顯的面外屈曲現象，表現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。其主要的構造特征是內嵌鋼板與鋼框架之間通過魚尾板過渡連接，然后再使魚尾板與鋼板、型鋼之間通過焊接或高強螺栓連接。預制混凝土板與內嵌鋼板之間通過施加預緊力的高強螺栓進行連接。與Astaneh-Asl A等提出的改進型組合剪力墻不同的就是螺栓桿穿過混凝土墻板的孔洞要大于螺栓桿的直徑。試驗結果可以看出，此種墻體削弱了內嵌鋼板在循環荷載作用下的拉力場效應，使鋼板表面拉力場均勻化，同時極限承載力、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損。

張素梅等［6］提出將鋼板混凝土剪力墻開縫，然后進行了有限元分析研究。分析假定鋼板四邊簡支，結果表明鋼板開縫后雖然會導致承載力有所下降，但通過改變開縫參數(如開縫數目和開縫間距等)，可以實現調節其承載力和初始剛度，從而具有良好的抗震性能。

1.2 偏向于混凝土結構的鋼板混凝土剪力墻

偏向于混凝土結構的鋼板混凝土剪力墻的截面形式大致如圖2所示。由于混凝土結構在國外研究較少，所以此方面的研究國外較少開展。

圖2 偏向于混凝土結構的鋼板混凝土剪力墻組成形式

在國內，孫建超、徐培福等進行了鋼板混凝土剪力墻的試驗研究［7，8］，試驗中鋼板與周邊型鋼采用四周焊接、兩側焊接上下錨筋連接、四周通過連接板連接、四周設錨筋連接、四周設弱連接等連接方式。

試驗得出以下結論:

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

2)較低荷載下鋼板混凝土剪力墻呈現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，鋼筋或鋼板陸續進入屈服，混凝土逐步退出工作;達到極限承載力甚至下降時，混凝土已退出工作，鋼板單獨提供承載能力，已無共同工作性能。

呂西林等［9］進行了鋼板混凝土剪力墻的試驗研究，主要是鋼板混凝土剪力墻的破壞特征、破壞機理以及影響破壞機理的參數等。試驗發現:

1)鋼筋混凝土剪力墻的高寬比對構件的破壞形式起決定性作用，高寬比為2.0和1.5時分別發生彎曲屈服后破壞、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)鋼板焊接栓釘的方式比鋼板打孔穿拉結筋的方式效果好，鋼板上焊接栓釘的試件裂縫發展緩慢，裂縫數量少。

2 目前研究存在的問題

對偏向于鋼結構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，沒有充分利用材料性能。其試驗設計未充分考慮鋼結構抗火、抗腐蝕等對鋼結構的嚴格要求。預制混凝土墻板的螺栓洞口易形成防火、防腐蝕的薄弱區域，從而造成重要的連接區域因腐蝕、大火等造成破壞。

對偏向于鋼板混凝土剪力墻承載能力目前沒有可靠的理論計算公式。目前研究成果中的計算公式只是將實驗結果進行擬合得出的公式。而由理論模型推出的計算公式，需要進一步的理論分析研究。

3 結語

本文對目前國內外關于鋼板混凝土剪力墻的研究進行了簡要概述，將目前主流的研究趨勢分為兩種:即偏向于鋼結構的鋼板混凝土剪力墻和偏向于混凝土結構的鋼板混凝土剪力墻，得到結論如下:

1)對于偏向于鋼結構的鋼板混凝土剪力墻，逐漸發展為以預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嵌鋼板的面外約束的形式。

2)對于偏向于混凝土結構的鋼板混凝土剪力墻，逐漸發展為以現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，構件的承載力越高，但是其耗能能力越差。構件的高寬比決定了構件的破壞形式。

3)兩種類型的鋼板混凝土剪力墻中，由于發達國家主要建設高層鋼結構，故偏向于鋼結構的鋼板混凝土剪力墻方面的研究較多，并且也較成熟;偏向于混凝土結構的鋼板剪力墻研究較少，只有國內幾個試驗，且許多用于設計的控制性因素(如鋼板的連接形式、鋼板厚度的選取等)都對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展。

［1］ 郭家耀，郭偉邦，徐衛國，等.中國國際貿易中心三期主塔樓結構設計［A］.第四屆海峽兩岸及香港鋼結構技術交流會論文集［C］.上海:同濟大學，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研究［J］.建筑結構學報，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，2009，26(2):108-114.

［6］ 博 一，董 莉，張素梅.開縫和不開縫鋼板混凝土剪力墻抗剪性能研究［J］.哈爾濱工業大學學報，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研究［J］.建筑結構，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研究［J］.建筑結構，2008，38(6):6-10.

［9］ 呂西林，干淳潔，王 威.內置鋼板鋼筋混凝土剪力墻抗震性能研究［J］.建筑結構學報，2009，30(5):89-96.