鋼板-混凝土組合剪力墻研究

徐如楠，劉新領，張弘洋

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥　230009)

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鋼板-混凝土組合剪力墻研究

徐如楠，劉新領，張弘洋

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥230009)

摘要：在超高層結構中，鋼板-混凝土組合剪力墻可以有效避免鋼筋混凝土剪力墻墻體過厚、純鋼板剪力墻內嵌鋼板過早屈曲的缺陷，充分發揮鋼材與混凝土之間的組合作用，具有廣闊的發展前景。文章重點介紹國內外鋼板-混凝土組合剪力墻的研究成果，并在此基礎上提出一種新型雙鋼板-混凝土組合剪力墻，以期為今后組合剪力墻的發展提供參考借鑒。

關鍵詞：鋼板-混凝土組合剪力墻；組合作用：雙鋼板

早在20世紀70年代，作為一種新型抗側力結構體系——鋼板剪力墻結構，已經應用在美國和日本的建筑結構當中。鋼板剪力墻具有內嵌鋼板和外圍框架的雙重抗側力體系，有較高的側向剛度和承載能力、良好的延性及耗能能力，為高層、超高層建筑結構設計增加了一種更為有效的選擇。鋼板剪力墻只依靠兩端框架柱承擔豎向力，內嵌鋼板只承受水平荷載，為節省鋼材，大多數鋼板剪力墻依靠內嵌薄鋼板屈曲后所形成的拉力場抵抗水平力，而在拉力場的作用下，柱子抗彎剛度對鋼板作用的發揮有較大影響。

為更好發揮內嵌鋼板的延性及耗能能力，提高墻體的抗震性能，國內外學者對鋼板-混凝土組合剪力墻進行了一系列的試驗與理論研究。將鋼與混凝土2種材料組合在一起，可有效解決鋼板過早屈曲問題和提高墻體延性，如果將混凝土澆筑在2塊鋼板之間，鋼板對其核心混凝土也會起到較好的約束作用，可有效增加墻體的承載能力。

1單鋼板組合剪力

1.1單鋼板雙蓋板組合剪力墻

2004年，文獻[1]完成了2個單跨3層的單鋼板-混凝土組合剪力墻試件的試驗研究，其中一個試件鋼板兩側預制混凝土板與外圍框架緊密接觸，該類試件稱為傳統型；另一個試件兩側預制混凝土板與外圍框架留有一定的空隙，該類試件稱為改進型，如圖1所示。傳統型組合墻在小荷載作用下，鋼板和混凝土共同承擔水平力，但是由于混凝土具有較大的彈性模量而容易被擠壓破壞；對于改進型組合墻，由于空隙的存在，小荷載情況下只有鋼板承擔水平力，混凝土板只起到抑制鋼板面外屈曲的作用，當荷載較大時，改進型組合墻中混凝土板開始與外圍框架接觸，一方面繼續抑制鋼板面外屈曲，一方面參與承擔水平剪力。

圖1　傳統型與改進型組合鋼板墻

2009年，文獻[2]對傳統防屈曲組合鋼板墻進行改進，混凝土蓋板預留孔徑根據其與鋼板最大相對滑移來確定，大于螺栓直徑，并在此基礎上完成了7個試件的擬靜力試驗。試驗結果表明，較大的預留孔徑可以避免蓋板承擔水平荷載，防止蓋板破壞；混凝土蓋板可以消除純鋼板墻在水平荷載作用下產生的噪聲，緩解內嵌鋼板面外屈曲。

1.2單鋼板單蓋板組合剪力墻

2011年，文獻[3]進行了15個包含組合鋼板墻、純鋼板墻和鋼框架的試驗研究。研究發現，相比于雙蓋板組合鋼板墻，單蓋板試件雖然在初始剛度、耗能能力及強度方面有一定程度的下降，但是試件的延性會有所提高；改進型試件在延性及耗能方面比傳統型增加20%和16%；高強混凝土可顯著減小混凝土面板的破壞程度，提供更強的面外約束；端柱必須有足夠的強度、剛度來承擔彎矩及豎向荷載。

2雙鋼板組合剪力墻

2.1雙鋼板內填混凝土組合剪力墻

2009年，文獻[4]考慮到大剪跨比組合墻試件底部焊縫容易斷裂的情況，提出2種解決方法增強墻體底部強度:一種是在墻板底部與底座之間焊上肋板，另一種是在墻板底部一定高度范圍內焊上蓋板，如圖2所示。研究結果表明，肋板加強并不能改變試件的破壞模式，仍然以墻底焊縫斷裂為主，而蓋板加強試件的破壞主要源于未加強鋼板局部屈曲、內部填充混凝壓碎及系桿拉斷等。

圖2　底部加強措施

2011年，文獻[5-7]完成了10個不同剪跨比雙鋼板-混凝土組合剪力墻的試驗研究。試件主要經歷了彈性工作、鋼板與混凝土局部粘結破壞、端柱與墻板局部屈曲和試件屈服、變形加劇、混凝土壓潰、試件破壞4個階段。減小栓釘間距可增加滯回環穩定性和減緩鋼板局部屈曲；軸壓比對中、高剪跨比試件延性及變形能力影響較為顯著；中、高剪跨比試件鋼板屈曲及混凝土壓潰主要發生在試件底部。

2014年，文獻[8-9]設計了4個雙鋼板-混凝土組合剪力墻試件，在墻體兩面設置4.8 mm厚的鋼板，通過布置栓釘及拉桿與內部混凝土共同工作，而墻體兩側混凝土外露，鋼板并未形成封閉，墻體高寬比均為1。試件的主要破壞模式為墻面底部鋼板局部屈曲或屈服、墻側底部混凝土壓碎，如圖3所示；縮短第一排連接件與支座的間距可有效減緩試件強度退化,雙鋼板承擔了絕大部分的水平剪力。

圖3　試件主要破壞模式

2.2雙壓型鋼板混凝土組合剪力墻

1995年，文獻[10]完成了5個足尺雙壓型鋼板內填混凝土組合鋼板剪力墻的試驗研究，分別考慮在施工階段和使用階段2種情況下該類組合墻的抗剪性能。試驗結果表明，壓型鋼板與核心混凝土之間的界面粘結強度以及壓型鋼板抵抗局部變形的能力是影響試件受力性能的主要因素，可以通過減小壓型鋼板波距來延緩壓型鋼板的局部屈曲。隨后又完成了13個足尺組合鋼板剪力墻在軸壓作用下的試驗研究[11]。研究結果表明，增加組合墻縱向抗彎剛度可有效提高構件的穩定性和延緩構件的整體屈曲,該類組合墻的豎向承載能力與壓型鋼板的剛度及其截面形狀密切相關。

2013年，文獻[12]進行了3個雙壓型鋼板-混凝土組合剪力墻的試驗研究(圖4)，試驗中采用2種中強和高強壓型鋼板，采用2種內部填充材料，即自密實混凝土(SCC)和工程水泥基復合材料(ECC)。在低周反復荷載作用下，試件的主要破壞形式是沿組合墻對角線處混凝土開裂和兩邊壓型鋼板屈曲,在兩邊壓型鋼板之間，如果不采用連接件就會導致鋼與混凝土的組合作用減小，壓型鋼板屈曲先于屈服。

圖4　雙壓型鋼板-混凝土組合剪力墻

2.3型鋼拼接型混凝土組合剪力墻

2014年，文獻[13]提出一種新型箱型鋼板剪力墻，墻體由H型鋼拼接而成，如圖5(a)所示，根據是否在管腔內填筑混凝土分為組合箱型鋼板墻和純鋼箱型鋼板墻。通過對2種鋼板墻整體穩定和局部穩定的理論分析，得出墻體、板件高厚比限值及計算公式，并與有限元分析結果進行比較，均表明純箱型鋼板墻高厚比限值可比混凝土墻有所提高，組合箱型鋼板墻寬厚比限值可比純箱型鋼板墻有所提高。2015年又對H型拼接組合墻/柱的協同工作性能進行分析[14]，結果表明，管腔內設置一定數量的栓釘可有效發揮鋼管和核心混凝土的組合作用，并給出了每層需設置栓釘數量的計算公式。

浙江杭蕭鋼構股份有限公司提出一系列新型鋼管束組合構件，新型構件由不同形狀的鋼管束焊接而成，如C型(圖5(b))、一字型、T型等。構件便于標準化設計及裝配式施工，鋼材可循環利用及綠色環保，建筑空間可靈活布置，滿足不同人群需求。

圖5　型鋼拼接型組合鋼板剪力墻

3新型雙鋼板-混凝土組合剪力墻

本文在前人研究的基礎上，提出一種新型雙鋼板-混凝土組合剪力墻，如圖6所示。雙鋼板兩端與空鋼管采用對接焊縫連接，2片鋼板之間通過C型連接件拉結，C型連接件與鋼板之間通過交叉點焊連接，并在雙鋼板空腔內澆筑混凝土。

圖6　雙鋼板-混凝土組合剪力墻

構件制作可在工廠進行，施工簡單方便；兩端空鋼管方便與周邊鋼梁、組合梁的節點設計，有效避免加強環對澆筑混凝土的困擾，可以通過調整C型連接件間距來改變試件承載力、延性及耗能能力。

4結論

(1) 鋼板-混凝土組合剪力墻與鋼筋混凝土剪力墻相比，可避免底層墻體過厚、減輕結構自重及增加建筑空間；與鋼板剪力墻相比，可延緩鋼板屈曲、提高構件延性及增強抗火性能。

(2) 絕大多數鋼板-混凝土組合剪力墻的試驗與理論研究尚未考慮建筑門窗開洞對試件抗震性能的影響，對不同洞口形式、洞口位置及洞口尺寸的組合剪力墻力學特性的研究還有待于進一步開展。

(3) 為了更好地推廣該新型結構體系在實際工程中的應用，有必要進行組合墻與鋼梁、組合梁的節點設計，并進行系統的試驗研究與理論分析。

(4) 鋼板混凝土組合剪力墻作為一種承載能力高、抗震性能好及施工效率高的新型組合結構，在以后的超高層結構中具有廣闊的發展前景。隨著試驗方法的不斷改進、理論研究的不斷深入、設計及施工的不斷成熟，鋼板組合墻結構將得到長足發展。

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收稿日期：2016-03-16

作者簡介：徐如楠(1988-)，男，安徽霍邱人，合肥工業大學碩士生．

中圖分類號：TU398

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0155-03