加勁薄鋼板剪力墻在鋼結(jié)構(gòu)住宅中的應(yīng)用

段坤朋 徐 晗 陳慧娜 龔永慶

（1.浙江中天恒筑鋼構(gòu)有限公司，杭州 310008；2.中天建設(shè)集團(tuán)有限公司，杭州 310005）

0 引 言

鋼結(jié)構(gòu)住宅是以鋼結(jié)構(gòu)作為主要結(jié)構(gòu)的住宅系統(tǒng)，以優(yōu)異的抗震性能、高度的工業(yè)化和集成化等優(yōu)點(diǎn)而著稱，多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化是今后發(fā)展的重要方向［1-2］。

在多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅項(xiàng)目應(yīng)用過程中，常用抗側(cè)力體系有組合剪力墻、鋼支撐、鋼板剪力墻等［3］。組合剪力墻用鋼量大、施工工藝復(fù)雜，若將鋼板設(shè)置在混凝土兩側(cè)，則混凝土可能造成鋼板鼓脹、混凝土灌注不滿的隱患。采用鋼支撐可降低用鋼量［4］，但是鋼支撐影響門、窗等洞口的自由設(shè)置，并且鋼支撐位置需要建筑墻體填充，可能導(dǎo)致墻體超厚，降低得房率。采用鋼板剪力墻可以做到與鋼支撐用鋼量相等或少量的節(jié)省［5］，并且洞口可自由設(shè)置，但是厚鋼板經(jīng)濟(jì)性不足，薄鋼板的滯回曲線存在捏縮，因此國(guó)內(nèi)常采用加勁鋼板剪力墻［6-7］。

位于低烈度地區(qū)的多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，如果只考慮設(shè)計(jì)驗(yàn)算，一般選用厚度為4～6 mm的加勁薄鋼板剪力墻即可滿足設(shè)計(jì)要求。但是，加勁薄鋼板剪力墻的制作難度大，焊接工藝繁瑣［8］，并且《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 380—2015）對(duì)鋼板剪力墻面外變形的驗(yàn)收要求為h/1000（h為鋼板剪力墻高度），而加工完成的鋼板剪力墻面外變形高達(dá)h/500～h/300，難以滿足規(guī)范要求。項(xiàng)目應(yīng)用過程中，只能通過增加鋼板剪力墻厚度的方式以降低技術(shù)門檻，造成直接成本增加。

杭州某鋼結(jié)構(gòu)住宅項(xiàng)目的建筑高度為99.8 m，采用鋼框架-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系，加勁鋼板剪力墻厚度為4～6 mm。若采用傳統(tǒng)制作工藝，則面外變形高達(dá)30 mm，無法滿足規(guī)范要求。本文結(jié)合工程實(shí)例提出一種新型制作工藝，通過試驗(yàn)研究新型工藝對(duì)加勁薄鋼板剪力墻抗剪性能的影響，并對(duì)項(xiàng)目應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化總結(jié)，可供同類工程借鑒。

圖1 加勁鋼板剪力墻Fig.1 Stiffened steel plate shear walls

圖2 杭州某鋼結(jié)構(gòu)住宅項(xiàng)目Fig.2 A steel structure residential project in Hangzhou

1 工藝改進(jìn)

常用的平板拼接工藝是對(duì)鋼板的接縫直接進(jìn)行坡口熔透焊，當(dāng)板厚較薄時(shí)，拼接處容易出現(xiàn)殘余變形大、觀感質(zhì)量差的缺陷。

經(jīng)過工藝試驗(yàn)改進(jìn)，提出新型制作工藝：在鋼板一端彎折約20 mm形成彎折結(jié)構(gòu)，在鋼板另一端根據(jù)加勁肋設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行3次彎折形成凹形結(jié)構(gòu)，然后將一塊鋼板的凹形結(jié)構(gòu)與另一塊鋼板的彎折結(jié)構(gòu)首尾搭接形成加勁肋鋼板剪力墻（圖4），使加勁肋與鋼板剪力墻整體折彎成型。焊縫數(shù)量由3道（圖3（a））減為2道（圖5），鋼板自身折彎形成加勁肋，整體性更好，減小焊接殘余應(yīng)力和變形，效果顯著。

圖3 傳統(tǒng)平板拼接工藝與加工效果Fig.3 Traditional plate splicing technology and processing effect

圖4 新型制作工藝拼接單元Fig.4 New manufacturing process splicing unit

圖5 新型制作工藝焊縫示意圖Fig.5 Weld diagram of new manufacturing process

2 試驗(yàn)研究

2.1 焊縫拉伸試驗(yàn)

采用不同焊接方式、不同焊接材料分別制作鋼板厚度為3～6 mm的試件，共制作60個(gè)試件進(jìn)行焊縫拉伸試驗(yàn)。試件斷裂位置均在焊縫范圍以外，且每個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度值均大于母材的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值370 N/m2。

試驗(yàn)結(jié)果表明，新型制作工藝的焊接工藝可行，并確定采用藥芯焊絲作為焊接材料。

圖6 試件的破壞形態(tài)Fig.6 Failure modes of specimens

圖7 不同厚度試驗(yàn)構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度值統(tǒng)計(jì)Fig.7 Statistics of tensile strength values of test members with different thickness

2.2 抗剪性能試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)

根據(jù)焊縫拉伸試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合項(xiàng)目應(yīng)用和試驗(yàn)設(shè)備情況，設(shè)計(jì)4個(gè)足尺試件進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，主要設(shè)計(jì)指標(biāo)和研究目的如下：

（1）焊接工藝：全部采用新焊接工藝，加勁肋尺寸C80×50×4，鋼板墻殘余變形以實(shí)測(cè)為準(zhǔn)，以研究采用新型制作工藝對(duì)鋼板墻抗剪性能的影響。

（2）鋼板墻尺寸：厚度為4 mm，高度為250 mm，寬度為3 300 mm（SJ-1、SJ-2）、2 500 mm（SJ-3、SJ-4），材料為Q235B，以研究不同寬高比對(duì)鋼板墻抗剪性能的影響。

（3）框架截面尺寸：框架梁為H400×160×8×10，框架柱為 B400×300×10（SJ-1、SJ-3）、B500×300×16（SJ-2、SJ-4），材質(zhì)為Q345B，以研究不同框架抗側(cè)剛度對(duì)鋼板剪力墻抗剪性能的影響。

為更接近工程實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)，在鋼板墻底部澆筑120 mm厚的混凝土樓板，鋼梁設(shè)置面外支撐，鋼板墻四邊與框架焊接連接，框架梁與框架柱栓焊連接。同時(shí)，在試件底部設(shè)置地梁，便于錨固于試驗(yàn)室地面，試件設(shè)計(jì)圖如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)圖Fig.8 Design drawing of test specimen

各試件的焊接殘余變形實(shí)測(cè)最大值分別為8 mm、8 mm、7 mm、8 mm。

2.3 抗剪性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 試件破壞形態(tài)簡(jiǎn)述

在低周反復(fù)荷載下，4個(gè)試件均未發(fā)現(xiàn)新型制作工藝焊接位置的破壞。試件破壞過程基本相似：鋼板墻屈服→鋼梁端部屈服→鋼柱柱腳屈服→鋼板墻撕裂。其中，首次試驗(yàn)的SJ-2試件因鋼梁面外支撐設(shè)置不合理，導(dǎo)致鋼梁提前破壞，其余試件均調(diào)整鋼梁面外支撐措施，避免對(duì)試驗(yàn)的影響。試驗(yàn)照片如圖9所示。

圖9 試件加載過程與破壞形態(tài)Fig.9 Loading process and failure mode of specimen

2.3.2 滯回曲線

循環(huán)荷載作用下結(jié)構(gòu)抗力和變形之間的關(guān)系曲線稱為滯回曲線，可反映結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載下的剛度、延性、耗能能力等力學(xué)性能。

如圖10所示，SJ-2試件由于鋼梁提前破壞，滯回曲線與其他試件有明顯不同，不作為判斷依據(jù)。其余試件的滯回環(huán)飽滿，表明加勁薄鋼板剪力墻承載能力高、耗能能力強(qiáng)，材料強(qiáng)度得到充分利用。

圖10 各試件滯回曲線Fig.10 Hysteretic curve of each specimen

2.3.3 骨架曲線

骨架曲線是每級(jí)荷載作用下構(gòu)件滯回曲線的峰值點(diǎn)連接而成的包絡(luò)線，能反映結(jié)構(gòu)在各階段的屈服強(qiáng)度、極限承載力等［9］。

如圖11所示，從骨架曲線可以看出：各試件在屈服荷載之前，荷載與位移成線性增長(zhǎng)關(guān)系；屈服荷載之后表現(xiàn)出明顯的彈塑性特征；達(dá)到極限荷載之后，鋼板墻開裂，荷載降低。

圖11 各試件骨架曲線Fig.11 Skeleton curve of each specimen

SJ-1與SJ-2、SJ-3與SJ-4的極限荷載對(duì)比，說明框架抗側(cè)剛度加大，極限承載力增加。SJ-1與SJ-3、SJ-2與SJ-4的極限荷載對(duì)比，說明寬高比增加可提高極限承載力。

2.3.4 承載能力

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提取各試件的屈服荷載分別為1 607 kN、1 608 kN、1 304 kN、1 309 kN。

SJ-1與SJ-2的屈服荷載對(duì)比，說明框架抗側(cè)剛度對(duì)屈服荷載影響較小。SJ-1與SJ-3、SJ-2與SJ-4的屈服荷載對(duì)比，說明鋼板墻的寬高比增加可提高屈服荷載。

依據(jù)設(shè)計(jì)要求和試件尺寸，計(jì)算各試件的抗剪承載力設(shè)計(jì)值分別為515 kN、515 kN、390 kN、390 kN。

試驗(yàn)屈服荷載與抗剪承載力設(shè)計(jì)值對(duì)比，說明采用新工藝制作的加勁薄鋼板剪力墻，即使存在一定的初始變形，其抗剪性能可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3 項(xiàng)目應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鋼板墻模塊的制作與轉(zhuǎn)運(yùn)

在前文所述新型制作工藝的基礎(chǔ)上，改進(jìn)鋼板墻模塊，在工廠完成鋼板墻與上部H形鋼梁的拼接，利用鋼梁的剛度減少鋼板墻加工變形。改進(jìn)的剪力墻模塊可以減少現(xiàn)場(chǎng)安裝吊次，減少現(xiàn)場(chǎng)焊接量，提高焊縫質(zhì)量。

經(jīng)過工藝試驗(yàn)和面外變形測(cè)量統(tǒng)計(jì)，確定鋼板墻模塊整體焊接順序?yàn)椋阂粋€(gè)面的拼接焊縫→焊縫自然冷卻→角焊縫→鋼板與梁焊縫→鋼板墻翻身→另一個(gè)面的拼接焊縫→焊縫自然冷卻→角焊縫→鋼板與梁焊縫。焊接采用斷續(xù)焊，焊縫長(zhǎng)度每400 mm間隔200 mm，最后補(bǔ)齊滿焊。

圖12 鋼板墻模塊Fig.12 Steel plate wall module

由于鋼板厚度較小，在轉(zhuǎn)運(yùn)、堆放等過程容易因碰撞、擠壓等外界因素造成面外變形的增加。因此，剪力墻模塊的轉(zhuǎn)運(yùn)、堆放均采用轉(zhuǎn)運(yùn)架，使剪力墻模塊支撐在轉(zhuǎn)運(yùn)架，且互相不接觸。每個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)架與多個(gè)剪力墻模塊整體轉(zhuǎn)運(yùn)，起到成品保護(hù)的作用。

圖13 整體運(yùn)輸Fig.13 Integrated transportation

3.2 建筑構(gòu)造

鋼結(jié)構(gòu)住宅的保溫、隔音、防滲、防裂等使用功能的體驗(yàn)很大程度上取決于建筑圍護(hù)體系［10-12］。

根據(jù)鋼板剪力墻室內(nèi)、室外位置，分別采取干掛幕墻體系與裝配式裝修體系，以確保鋼板剪力墻位置的使用功能，建筑構(gòu)造如圖14所示。

圖14 建筑構(gòu)造圖Fig.14 Architectural structural drawing

鋼板剪力墻室內(nèi)一側(cè)采用裝配式內(nèi)裝，以干式施工工藝為主。內(nèi)裝及管線等填充體與鋼結(jié)構(gòu)分離，降低開裂、滲水風(fēng)險(xiǎn)，提高鋼結(jié)構(gòu)住宅綜合品質(zhì)。

鋼板剪力墻外立面以多道設(shè)防的原則設(shè)置防水構(gòu)造，包括：

（1）幕墻鋁板——自身防水，板塊拼接位置具有防水對(duì)接節(jié)點(diǎn)，并涂裝防水膠。

（2）落水空間——幕墻鋁板與巖棉板之間的空間，水因重力作用在該空間下落，減少到達(dá)防水透氣膜的雨水量。

（3）防水透氣膜——減少墻體表面水的滲透。

（4）防水材料——鋼構(gòu)件過焊孔等位置封堵。

（5）單鋼板剪力墻——無縫，自身防水。

圖15 裝配式內(nèi)裝Fig.15 Prefabricated decoration

4 結(jié)語

結(jié)合工程實(shí)例，提出了一種加勁薄鋼板剪力墻的制作工藝，使加勁肋與鋼板剪力墻整體折彎成型，焊縫數(shù)量由3道減為2道，有效減小面外變形，減少制作工藝對(duì)加勁鋼板剪力墻厚度的限制，從而降低用鋼量和直接成本。

圖16 鋼板墻外立面建筑構(gòu)造Fig.16 Steel plate wall facade construction

經(jīng)過工藝試驗(yàn)和抗剪性能試驗(yàn)研究，表明新工藝制作的加勁薄鋼板剪力墻的承載能力高、耗能能力強(qiáng)，抗剪性能可以滿足設(shè)計(jì)要求。框架剛度的增加可提高其極限承載力，但對(duì)屈服荷載影響較小，高寬比的增加可提高鋼板墻的屈服荷載和極限承載力。

在新工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)住宅項(xiàng)目應(yīng)用過程中的鋼板墻模塊制作與轉(zhuǎn)運(yùn)、建筑構(gòu)造等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)，可供同類工程借鑒。