組合剪力墻抗震研究

王冬

（長沙有色冶金設計研究院有限公司 湖南 長沙 410000）

組合剪力墻抗震研究

王冬

（長沙有色冶金設計研究院有限公司 湖南 長沙 410000）

超高層建筑結構的剪力墻往往要承擔巨大的豎向荷載和地震作用，若采用普通鋼筋混凝土剪力墻，其墻體過厚，導致成本增加及結構整體控制困難。因此，研發出承載力高、延性耗能好且施工簡便的組合剪力墻是解決此難題的有效途徑。本文中提出一種新型組合剪力墻，并采用試驗研究的方法對其抗震性能進行了研究。

組合；剪力墻；抗震

引言

超高層建筑的主要抗側力構件是剪力墻或剪力墻組成的筒體。近年來，隨著社會經濟的飛速發展和城市用地緊張，建筑高度不斷增加，建筑功能需求不斷提高，剪力墻性能的要求也隨之提高。若仍采用普通鋼筋混凝土剪力墻承受巨大的豎向荷載和地震作用，在滿足現有規范對軸壓比、剪重比等設計要求時，剪力墻的墻體會過厚，導致建筑面積減少、建筑成本增加、結構整體控制困難及結構性價比不高。解決此難題的有效途徑是研發出承載力高、延性耗能好且施工簡便的組合剪力墻。

隨著鋼-混凝土組合結構在國內外的研究深入和推廣應用，學者們由組合梁、柱良好的力學性能和抗震性能得到啟示，提出了一種新型剪力墻——鋼-混凝土組合剪力墻。已有研究表明，鋼-混凝土組合剪力墻能夠充分發揮了鋼筋混凝土結構抗側剛度大和鋼結構延性好的優勢，避免鋼筋混凝土結構延性差、耗能差和鋼結構抗側能力弱、易局部屈曲等缺點，比普通混凝土剪力墻具有更高的承載力和更好的延性。目前對鋼-混凝土組合剪力墻研究的構造型式主要有型鋼混凝土組合剪力墻、鋼管混凝土邊框組合剪力墻、單層鋼板-混凝土組合剪力墻、雙層鋼板-混凝土組合剪力墻等四種。其中國內外學者針對型鋼混凝土組合剪力墻、鋼管混凝土邊框組合剪力墻、單層鋼板-混凝土組合剪力墻三種構造型式進行了大量的試驗研究，并對它們的力學性能和抗震機理進行了較為深入的理論研究，已在實際高層建筑結構工程中應用較為廣泛。而針對于雙層鋼板-混凝土組合剪力墻無論試驗研究還是理論研究仍較少，且已有的研究主要應用于防護結構、核電站等特種結構及快速建造的結構，小部分針對超高層建筑結構，相關研究成果表明該類組合剪力墻具有良好的承載力、變形和耗能能力，但其構造形式過于復雜，施工操作困難，工程造價偏高，在實際超高層建筑結構工程應用中較難實現。因此，本文提出一種新型組合剪力墻——組合剪力墻，并對其力學性能和抗震性能進行了試驗與理論研究。

組合剪力墻由帶約束拉桿雙層鋼板內填混凝土墻體和鋼管混凝土邊端柱組成，如圖1所示。具有以下優點：

（1）約束拉桿將雙層鋼板和內填混凝土墻板緊密連結并共同工作，約束拉桿、鋼板和鋼管混凝土邊端柱對內填混凝土提供側向約束，有效改善內填混凝土的受力性能，改善其強度和延性。

（2）約束拉桿能有效地阻止鋼板的向外鼓曲，保證鋼板的受力性能得到充分發揮。

圖1　組合剪力墻的構造形式

（3）帶約束拉桿的鋼板剪力墻和鋼管混凝土邊端柱的協同工作，使組合剪力墻的力學性能得到更充分發揮和改善，承載力更高、延性更好。

（4）采用約束拉桿連接墻兩側鋼板，施工方便，傳力機制明確。避免了采用加勁肋時墻內側焊接困難、施工難度大；采用栓釘對鋼板和墻內混凝土的約束效果不理想等不足。所以對組合剪力墻研究不僅具有重要的科學價值，而且具有廣泛的工程應用前景和重大的社會經濟效益。

1　組合剪力墻試驗研究

1.1試件設計與制作

根據實驗室現有設備技術條件和《建筑抗震試驗方法規程》（JGJ101-1996）的規定，設計了5個用于低周往復水平荷載加載的試件W1、W3～W6和1個單調水平荷載加載的試件W2。各試件截面均為矩形，截面尺寸為650mm×80mm，墻體高度1300mm，剪跨比為2.0，左右兩端設有80mm×80mm帶約束拉桿的鋼管混凝土柱作為剪力墻的邊緣約束構件（端柱），墻體鋼板與鋼管通過焊接方式連接，墻體兩側鋼板間設置約束拉桿連接。在拼接鋼板前，預先在鋼板設置約束拉桿處機械冷鉆成孔，孔徑比約束拉桿直徑大2mm，以便約束拉桿穿過。試件鋼板和鋼管采用同批材料制作，厚度3mm。約束拉桿通過其端部的墊板、螺帽與剪力墻連成一體（如圖2）。

1.2試驗加載裝置及測量方法

采用低周反復水平加載，加載裝置如圖3所示。在試件的底部設置了剛度和強度均很大的底梁，剪力墻與底梁整體澆筑，這樣底梁就約束住了剪力墻試件底部所有的自由度，使試件底部滿足固定的邊界條件。底梁通過地錨螺栓固定在剛性地板上，并在底梁兩端設置千斤頂以防止底梁在加載過程中產生滑移。水平往復荷載由1500kN的MTS液壓伺服作動器施加，水平加載點位于墻體頂部加載梁的中心。將水平連接裝置固定在加載梁上，再將作動器后端固定在反力墻上，作動器前端與水平連接裝置相連。通過水平連接裝置給試件施加拉、壓往復水平荷載。

圖2　試件W1-W4立面

圖3　加載裝置圖

豎向荷載由豎向油壓千斤頂提供，通過系統補壓實現自動調節或輔助以人工補壓以盡可能保證實驗全過程中施加軸向力恒定。為了使豎向荷載作用點始終保持在墻頂中心處，并在試驗過程中與試件的變形同步同向，在反力梁上安裝滑動支座，將一個2000kN千斤頂倒裝固定在滑動支座上。在豎向千斤頂與試件之間設置剛性墊梁，以使剪力墻截面產生均勻的壓應力。為了避免實驗過程中可能發生的平面外失穩，在試件的平面外設置了側向支撐。該裝置為可調節間距的帶垂直推力軸承的撐板。側向支撐固定于剛接的反力剛架上，可保證剪力墻試件在荷載作用平面的自由前后移動，避免發生側向位移，以盡可能的模擬平面剪力墻的工作條件和受力特點。

1.3試驗現象

（1）彈性工作階段

前期加載時，試件無明顯的現象，各試件水平荷載-位移曲線基本呈線性變化，殘余變形很小，鋼板和約束拉桿的應變小于屈服應變。

（2）屈服階段

彈性工作階段過后，試件剛度開始降低，試件水平荷載-位移曲線出現較明顯轉折點，一直到峰值荷載出現，該階段定義為屈服階段。在該階段，各試件的主要試驗現象為鋼板與混凝土的界面間局部發生黏結破壞，墻體底部鋼板在上下排約束拉桿間出現局部屈曲，墻體底部鋼板和約束拉桿的應變值大于屈服應變值。各參數對試件墻體鋼板局部屈曲的出現時間和屈曲程度大小有很大影響。隨著約束拉桿間距的減小，墻體底部鋼板的局部屈曲出現越遲，屈曲程度越輕，峰值荷載對應的位移角越大。與約束拉桿并列式布置方式相比，梅花式布置方式的試件墻體底部鋼板的局部屈曲出現越遲，屈曲程度越輕，峰值荷載對應的位移角越大。

（3）破壞階段

破壞階段是指試件在峰值荷載過后，承載力開始下降，破壞加劇直至承載力下降至峰值荷載的85%以下，或者試件不能維持所施加的軸向荷載，從而喪失了承載能力。在此階段，各試件的主要現象是墻體底部鋼板局部屈曲進一步加劇，墻端端柱鋼管屈曲加劇甚至被撕裂，墻體底部約束拉桿被拉斷，殘余變形急劇增大，墻體底部鋼板和約束拉桿應變值急劇增加。

1.4試驗結果分析

①各試件鋼管和鋼板屈曲均出現在鋼管和鋼板屈服之后，且在鋼管和鋼板屈服后，荷載都有很大增長，主要原因是內填的混凝土阻止鋼板和鋼管向里屈曲，而約束拉桿的約束作用，則改變了鋼板和鋼管的局部屈曲模態，減緩了局部屈曲的出現，提高了局部屈曲強度；②與試件W4相比，試件W1、W3的水平荷載峰值分別提高了13%、36%，而且試件W1、W3的最終加載位移角分別為1/50、1/33.3也比試件W4的1/75大，表明約束拉桿間距的減小，能更好減緩墻體鋼板局部屈曲的發生，提高鋼板的局部屈曲強度，提高鋼板對混凝土的約束作用，從而明顯提高試件的承載力和變形；③與試件W1相比，試件W5水平荷載峰值提高了11%，最終加載位移角也提高到1/33.3，主要是由于與約束拉桿并列式布置相比，約束拉桿梅花式布置改變墻體鋼板的局部屈曲模態，更有效地減緩鋼板局部屈曲的出現，提高鋼板的局部屈曲強度，增強鋼板對混凝土的約束作用，從而提高試件的承載力和變形；④對比試件W1、W6可知，在鋼板四周加密約束拉桿對試件承載力、變形和延緩鋼板的屈曲均沒有明顯的改善，主要原因是在鋼板四周加密約束拉桿不能改變鋼板的局部屈曲模態和提高其局部屈曲強度；⑤對比試件W1、W2可知，單調加載試件鋼板屈曲時的水平荷載及試件水平荷載峰值較低周往復加載時低，主要原因是鋼板在低周往復加載過程中經歷了強化階段。

2　抗震設計建議

（1）超高層建筑結構底部的剪力墻受到巨大豎向荷載和地震作用，為了減小剪力墻的厚度，同時能滿足軸壓比限值和延性要求，可以采用組合剪力墻。

（2）組合剪力墻的布置宜均勻、對稱，且盡可能布置在距離剛度中心較遠處，以保證結構后期剛度的均勻對稱，減小結構的扭轉效應。

（3）為了使組合剪力墻與基礎具有良好的錨固，避免組合剪力墻受到巨大水平荷載被拔出，組合剪力墻宜采用埋入式基礎，且外側鋼板必須焊接加勁肋或短鋼筋等加強錨固的構造措施。

（4）組合剪力墻墻板厚度的最小值可以參考《高層建筑混凝土結構技術規程》對鋼筋混凝土剪力墻厚度的相關要求。

（5）組合剪力墻的含鋼率取值范圍宜為4～12%。

（6）組合剪力墻壓彎承載力計算及斜截面承載力計算可以參考本文第四、五章給出的簡化計算公式進行設計。

（7）根據相關試驗研究，軸壓比為0.9時組合剪力墻仍具有良好延性，實際工程考慮各種不利因素影響，建議組合剪力墻軸壓比限值取為0.7。

3　結束語

為了更為深入的認識該類新型組合剪力墻的力學性能和抗震性能，作者認為還應該從以下幾方面開展研究工作：

（1）進一步通過試驗研究分析更多相關參數對該類組合剪力墻滯回性能的影響，修正本文提出的組合剪力墻簡化恢復力模型。

（2）進行單層多跨、多層多跨的該類組合剪力墻的試驗研究和理論分析，以進一步完善該類組合剪力墻的力學性能和抗震性能。

（3）進行該類組合剪力墻的動力性能研究，以更加深入研究該類組合剪力墻的抗震性能。

（4）進行該類組合剪力墻的耐火試驗和理論研究，以了解其耐火性能及火災作用后的力學性能。

[1]Wallace J.W.Lateral load behavior of shear walls with structural steel boundary columns[J].Composite and Hybrid Structures.LosAngeles，California：Association for International Cooperation and Research in Steel-Concrete Composite Structures，2000：801～809.

[2]聶建國，卜凡民，樊健生.低剪跨比雙鋼板——混凝土組合剪力墻抗震性能試驗研究[J].建筑結構學報，2011，32（11）：74～81.

[3]卜凡民，聶建國，樊健生.高軸壓比下中高剪跨比雙鋼板——混凝土組合剪力墻抗震性能試驗研究[J].建筑結構學報，2013，34（4）：91～98.

TU398+.2

A

1673-0038（2015）42-0076-03

2015-9-3

王冬（1984-），男，工程師，本科，主要從事結構設計工作。