型鋼混凝土組合短肢剪力墻研究綜述

王獻(xiàn)云　李勝紅　鄭亮

摘要：短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是近年來(lái)在我國(guó)興起的一種新型的抗側(cè)力構(gòu)件，它既保留了異形框架柱不凸出墻面的優(yōu)點(diǎn)，又克服了異形框架柱抗震性能不理想等缺點(diǎn)。與普通剪力墻相比，短肢剪力墻門窗洞口更大，可以較好地滿足住宅建筑的采光與通風(fēng)要求，增加使用面積，造價(jià)更低，且結(jié)構(gòu)自重更小。在此基礎(chǔ)上我們?cè)诙讨袅蓚?cè)加入型鋼，以組合短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)形式來(lái)進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)整體剛度和抗震性能。

關(guān)鍵詞：抗震性能；型鋼混凝土；短肢剪力墻；組合結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U663.9+3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）15-0056-02

一、前言

近年來(lái)，由于住宅需求的增加和用于建造住宅的土地供應(yīng)緊張，高層住宅的建造成為眾多開(kāi)發(fā)商的首選，同時(shí)隨著生活水平的提高，人們的居住觀念也發(fā)生了根本變化，如要求大開(kāi)間、平面和房間布置靈活、室內(nèi)不露梁柱等，使得普通框架外露梁柱或普通剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)建筑空間的嚴(yán)格限制與分割的設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足使用要求。在這種情況下，一種界于異型框架柱和普通剪力墻結(jié)構(gòu)之間的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用而生。短肢剪力墻既保留了異形框架柱不凸出墻面，房間布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，又克服了異形框架柱抗側(cè)移剛度相對(duì)較低的缺點(diǎn)。與普通剪力墻相比，短肢剪力墻門窗洞口更大，可以較好地滿足住宅建筑的采光與通風(fēng)要求，增加使用面積，造價(jià)更低，且結(jié)構(gòu)自重更小。另外，對(duì)于新一代的高層建筑，當(dāng)今世界各國(guó)都已趨向采用鋼—混凝土的組合結(jié)構(gòu)。型鋼混凝土組合構(gòu)件充分利用了混凝土的抗壓性能和鋼材的抗拉壓性能，使鋼筋混凝土與型鋼形成整體，共同受力。因此，型鋼混凝土組合構(gòu)件的承載力可以高出同樣橫截面的鋼筋混凝土構(gòu)件一倍以上。外包混凝土對(duì)型鋼有較強(qiáng)的約束作用，可防止型鋼的局部屈曲，提高型鋼骨架的整體剛度和抗扭能力。并且型鋼混凝土組合構(gòu)件具有比鋼筋混凝土構(gòu)件更好的延性和耗能性能。因此，在強(qiáng)地震中，呈現(xiàn)出優(yōu)良的抗震性能。鑒于型鋼和混凝土能夠較好的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、取長(zhǎng)補(bǔ)短，使材料的優(yōu)勢(shì)在結(jié)構(gòu)抗震中能夠更加充分體現(xiàn)出來(lái)的特點(diǎn)，所以我們?cè)谄胀ǘ讨袅蓚?cè)加入型鋼材料，形成型鋼混凝土組合短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)形式。本文中我們稱這種結(jié)構(gòu)形式為型鋼混凝土組合短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，并對(duì)該種結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)進(jìn)行探討。

二、短肢剪力墻的正式提出與定義

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是由我國(guó)的容柏生院士于1997年首先正式提出的，文中扼要敘述了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)成、特點(diǎn)、設(shè)計(jì)原則等，指出短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是界于異型框架柱和普通剪力墻之間的一種結(jié)構(gòu)形式。該體系的墻肢相對(duì)普通剪力墻較短，截面通常采用“T”字型，“L”字型，“十”字型，“Z”字型，折線型或“一”字型等。

通過(guò)眾多學(xué)者和工程師對(duì)短肢剪力墻的逐步研究和實(shí)踐應(yīng)用總結(jié)，我國(guó)現(xiàn)行《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》對(duì)短肢剪力墻的定義為：短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比（肢高厚比）為5～8的剪力墻。即短肢剪力墻應(yīng)滿足5≤hc/bw≤8，hc為墻肢截面高度，bw為墻肢截面的厚度。

三、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.它可結(jié)合建筑平面，利用間隔墻位置布置豎向構(gòu)件，基本上不與建筑功能產(chǎn)生矛盾。

2.連接各墻的梁隨墻肢位置而設(shè)于間隔墻豎平面內(nèi)，故較隱秘，解決了框架結(jié)構(gòu)梁柱突出墻面的問(wèn)題，使房間布置靈活，建筑功能容易滿足，使用率高；尤其適用于20層左右的小高層住宅，且造價(jià)相對(duì)于普通剪力墻結(jié)構(gòu)較低。

3.與普通剪力墻相比，隨著剪力墻數(shù)量減少和結(jié)構(gòu)自重減輕，整體結(jié)構(gòu)剛度也減小，可降低地震作用力對(duì)結(jié)構(gòu)抗震較為有利；可以開(kāi)較大洞口，建筑上還可獲得良好的通風(fēng)與采光效果。

4.根據(jù)建筑平面抗側(cè)剛度的需要，利用中心剪力墻形成主要抗側(cè)力構(gòu)件，易滿足剛度和強(qiáng)度要求。

5.肢高寬比大，水平荷載作用下墻體的破壞一般都呈彎曲型。同時(shí)連梁的跨高比大，故連梁的破壞也呈彎曲型。所以短肢剪力墻延性好，對(duì)抗震有利。

四、型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)是把型鋼埋入鋼筋混凝土中的一種獨(dú)立的結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)在各國(guó)有不同的名稱，建設(shè)部2001年10月23日發(fā)布的《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 138—2001）則正式將該種結(jié)構(gòu)稱作型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)主要用來(lái)構(gòu)成建筑物的梁和柱，內(nèi)含型鋼可分為實(shí)腹式和格構(gòu)式兩大類。該結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)如下：

1.受力性能好，材料利用充分：型鋼混凝土組合構(gòu)件充分利用了混凝土的抗壓性能和鋼材的抗拉壓性能，鋼筋混凝土與型鋼整體共同受力。因此型鋼混凝土構(gòu)件的承載力可以高出同樣橫截面的鋼筋混凝土構(gòu)件一倍以上，所以在相同承載力下，其截面尺寸可以適當(dāng)減小，因而不會(huì)形成“肥梁胖柱”。

2.良好的耐久性和耐火性：型鋼外包裹的混凝土具有抵抗有害介質(zhì)侵蝕，防止鋼材銹蝕等作用；同時(shí)，型鋼外混凝土保護(hù)層厚度，也決定著結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火性能，比鋼結(jié)構(gòu)要好很多。

3.綜合經(jīng)濟(jì)效益好：與鋼結(jié)構(gòu)相比，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)可節(jié)約■的鋼材，降低了造價(jià)；與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，構(gòu)件的截面尺寸更小，結(jié)構(gòu)自重輕，可以增加使用面積，便于建筑靈活布置。型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，可節(jié)省60%左右的混凝土，雖用鋼量有所增加，但由于其較鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自重輕20%左右，對(duì)于高層建筑而言，明顯降低了地基基礎(chǔ)的費(fèi)用。

4.抗震性能好：型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)由于型鋼的設(shè)置，其延性比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有明顯提高，因此在大震中此種結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較好的抗震性能。

五、型鋼混凝土組合短肢剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

型鋼混凝土短肢剪力墻基本上繼承了普通鋼筋混凝土短肢剪力墻的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于型鋼的加入，使型鋼混凝土短肢剪力墻較其他結(jié)構(gòu)形式也體現(xiàn)出更大的優(yōu)越性：

1.型鋼混凝土短肢剪力墻與普通鋼結(jié)構(gòu)相比具有良好的耐久性和耐火性，外包混凝土可以起到很好的防銹、抗火作用；同時(shí)由于外包混凝土的約束作用使普通鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件受壓失穩(wěn)的弱點(diǎn)得到了很大的克服；另外混凝土與型鋼共同承擔(dān)荷載，使型鋼混凝土成為節(jié)約鋼材的一個(gè)重要手段。

2.型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比承載力大大提高，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力可以高于同樣外形尺寸的鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力1倍以上；由于型鋼在混凝土在未澆筑以前就已形成鋼結(jié)構(gòu)骨架，它具有相當(dāng)大的承載能力，能夠承受構(gòu)件自重和施工荷載，從而縮短施工周期；型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)由于型鋼的設(shè)置，其延性比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有明顯提高，因此在大震中此種結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較好的抗震性能。

六、型鋼混凝土組合短肢剪力墻結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題

型鋼混凝土組合短肢剪力墻結(jié)構(gòu)雖然有諸多優(yōu)勢(shì)，但是由于研究工作還處于起步階段，而且暫時(shí)還沒(méi)有太多的文章提及，因此在理論、應(yīng)用以及在實(shí)際工程中都仍然存在很多有待解決問(wèn)題。

1.短肢剪力墻結(jié)構(gòu)雖然有以上各種優(yōu)點(diǎn)，并在實(shí)際住宅建筑上得到了應(yīng)用，但是，對(duì)其受力和變形特性方面的研究還基本上處于初始階段，明顯地滯后于工程實(shí)踐。目前，在新的國(guó)家規(guī)范或規(guī)程中，雖已給出有關(guān)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)和異形柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)條款，但是從各種信息和資料來(lái)看，各類短肢墻受力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累還較少，還不足以對(duì)這種新型的結(jié)構(gòu)形式給出準(zhǔn)確定性和定量分析的基礎(chǔ)。與此同時(shí)，短肢剪力墻這種結(jié)構(gòu)形式本身布置的靈活性，在不同情況下，也可能使結(jié)構(gòu)的受力特性發(fā)生變化，因此，進(jìn)一步的抗震性能試驗(yàn)是非常必要的。

2.在理論方面，現(xiàn)在對(duì)短肢墻的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)軟件，基本上仍采用以彈性模型為基礎(chǔ)的有限元方法。這種方法可以精細(xì)地分析鋼筋砼結(jié)構(gòu)在砼開(kāi)裂前的應(yīng)力狀態(tài)，但對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞模式分析卻無(wú)能為力，不足以指導(dǎo)短肢墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在實(shí)際工程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中常常會(huì)遇到一些規(guī)范或規(guī)程中沒(méi)有涉及的問(wèn)題，所實(shí)施的有關(guān)構(gòu)造措施，往往是將普通剪力墻結(jié)構(gòu)的規(guī)定移植過(guò)來(lái)；在計(jì)算分析方法上，也是沿用普通剪力墻的計(jì)算方法。這些做法并沒(méi)有可靠的技術(shù)基礎(chǔ)，可以說(shuō)，到目前為止，對(duì)于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)尚缺少比較準(zhǔn)確有效的設(shè)計(jì)和安全性評(píng)價(jià)的理論和方法。

3.型鋼混凝土結(jié)構(gòu)由于具有良好的力學(xué)性能在高層建筑中的應(yīng)用日益廣泛。但總的來(lái)說(shuō)，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)的應(yīng)用還處于起步階段，尤其型鋼混凝土結(jié)構(gòu)與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)相結(jié)合的工作仍需要進(jìn)一步深入研究，隨著工程實(shí)踐、數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)積累，科研工作的深入，計(jì)算理論的進(jìn)一步完善，如果能有針對(duì)性的推廣應(yīng)用型鋼混凝土組合短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，對(duì)我國(guó)高層建筑的發(fā)展、優(yōu)化和改善結(jié)構(gòu)抗震性能，都將具有極其重要的意義。

七、結(jié)語(yǔ)

型鋼混凝土組合短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，充分利用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過(guò)在普通鋼筋混凝土短肢剪力墻兩側(cè)配制型鋼，以改善結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力，并提高整體剛度和抗震性能的一種新型的組合結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)能夠有效實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)建筑使用功能、抗震性能要求和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)合理三者的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，在高層住宅及多、高層辦公樓中具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[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(bào)，1997，18（6）：14-19

[2]JGJ3-2002.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[3]劉維亞，張興武，姜維山，等.型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)造與計(jì)算手冊(cè)[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.5

[4]趙西安.現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[5]丁永君，紀(jì)綱.短肢剪力墻結(jié)構(gòu)層間極限變形能力的計(jì)算[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，33（3）：363-366.