中美日規范關于雙鋼板組合剪力墻規定的對比分析

黃銀春

[摘要]介紹雙鋼板組合剪力墻的研究現狀，從構造要求、設計要求方面對中國規范JGJ/T380-2015《鋼板剪力墻技術規程》，美國規范ANSI/AISC-N690-18與日本規范JEAG 4618-2005進行對比分析。通過比較得到3本規范關于組合墻厚度與鋼板厚度比值、鋼板厚度、距厚比、栓釘直徑的規定均不一致，對栓釘長度有一樣的規定。關于抗彎剛度和面內受剪有不一樣的規定，鋼板剪力墻技術規程關于面內抗剪更加保守，僅考慮了鋼板的貢獻，美國規范和日本規范不僅考慮了鋼板的貢獻，還把開裂混凝土的貢獻考慮進來，更為精確。

[關鍵詞]雙鋼板組合剪力墻; 延性; 距厚比; 栓釘連接

[中國分類號]TU318.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]A

0引言

剪力墻按材料可分成鋼筋混凝土剪力墻、鋼板剪力墻和鋼板-混凝土組合剪力墻。鋼筋混凝土剪力墻延性和耗能能力相對較差，鋼板剪力墻薄的容易平面失穩，厚的用鋼量多，造價高，鋼板與混凝土的組合剪力墻應運而生。鋼板混凝土組合剪力墻包含三大類，有單鋼板-混凝土組合剪力墻、內置鋼板混凝土組合剪力墻和雙鋼板內填混凝土組合剪力墻。

雙鋼板組合剪力墻作為一種新型抗側力構件，目前國內外研究相對較少。聶建國［1-2］做了不少雙鋼板組合剪力墻的擬靜力試驗，表明其具有延性好、耗能能力強、構造簡單、施工方便等諸多優點。蔡健、湯序霖等［3-4］研究了軸壓比和剪跨比對帶約束拉桿雙鋼板混凝土組合剪力墻抗震性能的影響，也研究了加勁肋對雙鋼板混凝土組合剪力墻承載力的影響。國內江蘇鹽城廣播電視塔已實際應用了雙鋼板組合剪力墻［5］。國外暫時沒有民用建筑中的雙鋼板組合剪力墻的設計規范，國內JGJ T380-2015《鋼板剪力墻技術規程》［6］中簡單介紹了雙鋼板組合剪力墻的構造要求和設計要求。美國規范ANSI/AISC-N690-18《核設施用有關安全的鋼結構規范》［7］，日本規范JEAG 4618-2005《鋼板混凝土組合結構的抗震設計技術導則》［8］詳細介紹了核設施相關雙鋼板組合剪力墻的設計方法和構造要求。本文將對國標、美標和日標關于雙鋼板組合剪力墻的構造要求和設計要求作對比分析。

1各國規范對鋼板剪力墻分類不同

JGJ T380-2015《鋼板剪力墻技術規程》把鋼板組合剪力墻根據墻體外包鋼板與內填混凝土的連接構造分成四大類：栓釘連接、T型加勁肋連接、綴板連接、對拉螺栓連接，也可以把這四大類進行混合連接，各種連接方式如圖1所示。

美國規范ANSI/AISC-N690-18未對鋼板組合剪力墻作出分類。JEAG 4618把鋼板組合剪力墻（SC shear wall）分成3類：栓釘連接、加勁板連接、隔板連接如圖2所示，JEAG 4618只針對栓釘連接或栓釘與加勁板或隔板組合連接有效。如果單獨的加勁板連接或隔板連接，需要合適的調查研究后方可使用JEAG 4618規范。

2各國規范對鋼板剪力墻構造要求不同

3個國家對應的3本規范在墻體厚度與鋼板厚度比值、鋼板厚度、栓釘的間距與鋼板厚度之比（距厚比）、栓釘直徑、拉桿等方面的規定都不一樣，只在栓釘長度方面我國規范與日本規范規定一致。

2.1墻體厚度與鋼板厚度比值

鋼板組合墻的墻體厚度與鋼板厚度之比見表1。

ANSI中的墻體厚度與鋼板厚度之比從含鋼率換算而來，含鋼率為雙鋼板厚度與鋼板組合墻厚度之比值，范圍為［0.015，0.050］，而國標和日標是直接規定的。ANSI規定含鋼率不超過0.050，因為過高的含鋼率會導致混凝土應力偏高，把組合墻的極限狀態從鋼板屈服轉變成混凝土受壓破壞，從而降低鋼板組合墻的延性。JEAG規定鋼板組合墻厚度與鋼板厚度比值主要考慮地震時，在面內剪力的作用下，鋼板和混凝土有適當的應力。墻厚與鋼板厚比值在30到50之間時，組合墻更接近鋼結構，比值在150到200之間時，組合墻更接近鋼筋混凝土結構，如果比值大于200時，直接用混凝土結構設計更合理。

2.2鋼板厚度限值

鋼板厚度限值見表2。

在JGJ T380-2015《鋼板剪力墻技術規程》中限定最小厚度為10 mm，主要是考慮施工過程中鋼板的穩定性和栓釘的可焊性，最大值沒有直接規定可根據墻厚與鋼板厚比值得出。因為混凝土澆筑期間鋼板需要足夠的剛度和強度，在ANSI/AISC-N690-18中規定鋼板至少厚6 mm。在JEAG-4618-2005中規定鋼板厚度最小值為3.2 mm，主要考慮到可施工性，各種實驗也表明這個厚度屈曲行為可以被限制。當鋼板厚度在［25，40］范圍時，要充分考慮次要結構栓釘等的設計。根據中美日各國規定可知，3本規范規定鋼板最小值都考慮到施工和栓釘的可焊接性。

2.3距厚比

栓釘間距與鋼板厚度之比（距厚比）見表3。

式中：Es=鋼材的彈性模量，碳素鋼為200 000 MPa，不銹鋼為193 000 MPa，Fy=鋼板的屈服強度。

日本規范規定距厚比不大于85的要求只是最低要求，為防止鋼板屈曲還需要滿足不大于600F，式中F為鋼材強度標準值。中國規范限制距厚比為40，主要為滿足位移角為1/80（與大震位移角一致）時，墻體鋼板不發生局部屈曲。在ANSI中，定義其為鋼板長細比，限制長細比的目的是保證受壓屈服發生在局部屈曲之前。在ANSI規定鋼板的最小屈服應力不小于350 MPa，也是為了降低局部屈曲發生在屈服前的可能性。JEAG的最低要求根據實驗數據而來。

以鋼板材料為Q235為例，屈服強度Fy=235 MPa計算，依次得到中美日距厚比的最大值為40，29，39，可見，ANSI/AISC-N690-18對距厚比要求最為嚴格。

2.4栓釘直徑

栓釘直徑見表4。

JGJ限制栓釘直徑與鋼板厚度的比值，為防止栓釘焊接影響鋼板性能。ANSI未對栓釘直徑作出規定。JEAG規定栓釘直徑最大值主要為保證栓釘的可焊性。栓釘直徑超過最大值時，需要確保鋼板性能不因焊接缺陷而降級。

2.5栓釘長度

栓釘長度見表5。

JGJ限定栓釘長度最小值為8倍栓釘直徑，主要是防止栓釘被拔出影響栓釘防止鋼板屈曲的能力。JEAG最小限值與JGJ一致，目的也一樣，主要保證栓釘有足夠的拔出力。當承受的面外剪力很大時，需要更多的栓釘限制鋼板位移時，這種情況下，栓釘長度大于等于4倍的栓釘直徑即可。

2.6拉桿間距

JGJ沒有拉桿的相關規定。ANSI規定拉桿間距為1倍墻厚或48倍拉桿直徑。在ANSI中拉桿有雙重作用。在澆灌混凝土過程中約束兩片鋼板，保證截面完整性；同時在使用階段可作為面外抗剪加勁。面外抗剪的貢獻大小主要取決于拉桿的分類和間距，拉桿根據屈服強度標準值和破壞強度標準值的關系可分成屈服抗剪加勁和不屈服抗剪加勁，屈強比小于等于0.8為屈服抗剪加勁，否則為非屈服抗剪加勁。JEAG中拉桿主要作用是在施工過程中作臨時構件，防止鋼板局部屈曲和增強面外抗剪功能與ANSI相同。ANSI中有關于拉桿的抗拉強度的要求，JEAG中未涉及到。

3設計要求

本節比較了中美日三國規范中關于抗彎剛度和面內受剪的規定。ANSI規定鋼板組合墻應進行三維彈性厚殼有限元分析或三維實體有限元分析。

3.1抗彎剛度

JGJ計算內力和變形時，認為組合墻的抗彎剛度是鋼板抗彎剛度和混凝土抗彎剛度的疊加，公式如下：

EI=EsIs+EcIc（1）

式中：EsIs為鋼板的抗彎剛度；EcIc為混凝土的抗彎剛度。

ANSI不考慮事故熱工況的有效抗彎剛度公式（2）：

EIeff=（EsIs+c2EcIc）≥EsIs（2）

式中：EsIs為混凝土完全開裂后，鋼板的抗彎剛度；EcIc為混凝土的抗彎剛度；c2為確定有效抗彎剛度的標準常數=0.48ρ′+0.10；n為鋼與混凝土的模量系數=Es/Ec=13或15；ρ′為匹配剛度的含鋼率=ρn（ρ為含鋼率）。

JEAG未直接給出組合截面抗彎剛度的公式。只是在3.1.3節中交代組合截面剛度原則上按鋼板和混凝土的全截面計算。當鋼板影響很小時，可假設組合截面剛度僅由混凝土組成。

3.2面內受剪

JGJ只考慮鋼板參與面內抗剪，不考慮混凝土的貢獻，受剪承載力滿足公式（3）：

V≤Vu=0.6FyAsw（3）

式中：V為鋼板組合剪力墻的剪力設計值；Vu為鋼板組合剪力墻的受剪承載力設計值；Asw為平行于剪力墻受力平面的鋼板面積。

ANSI把鋼板屈服作為極限狀態計算單位寬度面內抗剪承載力設計值φviVni，和單位寬度面內抗剪承載力容許值Vni/Ωvi，見式（4）。

φvi=0.90（LRFD）Ωvi=1.67（ASD）

Vni=κFyAs（4）

式中：As為鋼板單位寬度毛截面面積；Fy為鋼板規定的最小屈服應力；κ為1.11-5.16ρ-≤1.0，ρ-（據剛度調整的含鋼率）=AsFy/31.6Acf′c。

JEAG是用應力驗算法計算：

鋼板應力，見式（5）。

σsx=σsy=Qc/Asτs=Qs/As（5）

混凝土應力，見式（6）。

σcx=σcy=-Qc/Ac（6）

Qs=QxyKa/（Ka+Kβ）

Qc=QxyKβ/（Ka+Kβ）

式中：Ka為鋼板的剪切剛度=AsGs；Kβ為混凝土開裂后考慮鋼板約束的有效抗剪剛度=1/{4/（AcE′c）+2（1-νs）/（AsEs）}。

因為對組合結構中混凝土的抗剪貢獻研究不充分，JGJ保守的取鋼腹板的抗剪貢獻作為整個組合墻的抗剪承載力。ANSI與JEAG在面內受剪的計算思路是一致的，都考慮的是混凝土開裂后鋼板屈服時抗剪承載力，面內受剪時主要考慮鋼板和開裂混凝土的貢獻。ANSI抗剪承載力公式經簡化而來，考慮的開裂混凝土的剪切剛度與JEAG混凝土開裂后的抗剪剛度公式一樣的。

4結論

通過比較分析可知國標JGJ T380-2015《鋼板剪力墻技術規程》、美標ANSI/AISC-N690、日標JEAG-4618規定鋼板厚度最小值都是考慮到可施工性和栓釘的可焊接性。ANSI/AISC-N690對距厚比規定最嚴格，JGJ T380-2015《鋼板剪力墻技術規程》和JEAG-4618在栓釘長度方面有相同規定。JGJ T380-2015《鋼板剪力墻技術規程》和ANSI/AISC-N690對抗彎剛度有不同規定。面內受剪時，ANSI/AISC-N690和JEAG-4618均考慮了鋼板與開裂混凝土的共同作用，JGJ T380-2015《鋼板剪力墻技術規程》偏保守，僅考慮了鋼板在抗剪方面的貢獻。

參考文獻

［1］聶建國， 陶慕軒， 樊健生， 等.雙鋼板-混凝土組合剪力墻研究新進展［J］.建筑結構，2011，41（12）：52-60.

［2］聶建國，卜凡民，樊健生.高軸壓比、低剪跨比雙鋼板-混凝土組合剪力墻擬靜力試驗研究［J］.工程力學，2013，30（6）：60-76.

［3］湯序霖，丁昌銀，左志亮，等.設置加勁肋的雙層鋼板-混凝土組合剪力墻抗震性能試驗研究［J］.建筑結構學報，2017，38（5）：85-91.

［4］蔡健，段偉寧，湯序霖等.軸壓比與剪跨比對帶約束拉桿雙層鋼板-混凝土組合剪力墻抗震性能影響研究［J］.建筑結構學報，2018，39（2）：37-43.

［5］丁朝輝，江歡成，曾菁，等.雙鋼板-混凝土組合墻的大膽嘗試—鹽城電視塔結構設計［J］. 建筑結構，2011，41（12）：87-91.

［6］鋼板剪力墻技術規程： JGJ/T 380-2015［S］. 北京：中國建筑工業出版社，2015.

［7］AISC N690-18， Specification for safety-related steel structures for nuclear facilities［S］.