鋼板剪力墻發展及展望

陳曦

摘 要： 高層建筑是近現代經濟發展和科學進步的產物。由于高層建筑需要有較大的側向剛度， 因此設計中， 抗側力結構的設計是關鍵。基本的抗側力結構體系有以下三種：梁柱剛接的純框架結構、框架-支撐結構和框架-剪力墻結構。在過去30多年， 關于鋼板剪力墻的試驗研究和分析都表明鋼板剪力墻有較大的彈性初始剛度、大變形能力和良好的塑性性能、穩定的滯回特性等特點。鋼板剪力墻已成為一種非常具有發展前景的高層抗側力體系，已經在全球范圍內的高設防烈度區建筑上得到廣泛應用。

關鍵詞： 鋼板剪力墻；抗側力；抗震；屈曲耗能；發展

一、鋼板剪力墻技術概述

鋼板剪力墻是以鋼框架為基礎內嵌鋼板的結構體系，主要用于抵抗風或橫向地震力等側向力產生的層間剪力和傾覆彎矩，可以有效控制結構的水平側移。鋼板剪力墻本身只承受水平作用，并為整個結構體系的側向剛度提供部分抗剪剛度，豎向力作用完全由周邊的框架柱承擔，并且鋼框架承擔水平荷載引起的部傾覆力矩和部分水平剪力，在整個結構體系的抗推剛度中，鋼框架提供部分抗剪剛度和全部整體抗彎剛度，鋼板剪力墻結構是非常理想的抗側力構件。鋼板剪力墻可視為一個豎向放置底端固支的懸臂薄腹板梁結構，框架柱相當于梁的翼緣，框架梁相當于板梁的橫向水平加勁肋，內填板相當于梁腹板，但鋼板剪力墻周邊框架的剛度遠大于梁翼緣的抗彎剛度如圖1示，為充分利用周邊框架對內填板的嵌固作用，通常將內填鋼板水平向滿跨布置，豎向通高布置。

二、鋼板剪力墻技術發展歷程

自20世紀80年代以來，鋼板用于剪力墻結構最早出現在美國。鋼板作為剪力墻的加強構造來提高剪力墻的強度性能。鋼板剪力墻起步的時間點較晚，在經歷了30多年的發展，鋼板剪力墻也經歷了從無到有，結構上從簡單到復雜的發展過程。鋼板剪力墻的發展，也代表了現代剪力墻技術發展的過程，成為了現代剪力墻抗側體系和抗震技術的十分重要的標志性技術。

1、國外發展歷程

20世紀80年代以前，剪力墻普遍采用鋼筋混凝土結構或者各類砌塊構成的剪力墻結構，由于鋼筋混凝土和砌體結構的延性較差，在較大的風荷載或地震荷載下，剪力墻結構因缺少有效的抵抗能力，因此很容易發生坍塌現象，造成人員以及財產的嚴重損失。尤其在較高層建筑結構中，這種現象尤為突出。而鋼板有較大的彈性初始剛度、大變形能力和良好的塑性性能、穩定的滯回特性等特點，鋼板運用于剪力墻結構也成為人們解決上述問題努力嘗試的途徑。

1971年8月，美國惠靈匹茲堡鋼鐵公司申請了一份關于鋼板運用于剪力墻的發明申請，其將鋼板設置在墻體表面的一側，作為墻體壁的骨架結構，使鋼板構件與混凝土剪力墻結合一體，以達到增加混凝土剪力墻強度等性能，為后來的鋼板剪力墻發展奠定了基礎。（圖2）

1995年日本開始提出了豎縫鋼板剪力墻，其關鍵構造是在兩側開縫鋼板剪力墻的基礎上，把整塊鋼板分割成一系列柱狀板條，板條類似受彎小柱一樣工作，從而將墻板的變形由剪切轉化為彎曲，希望以此提高墻板的延性。這種結構抗側剛度很小，側向承載力也不大。

隨著鋼板剪力墻的發展，組合鋼板剪力墻也應運而生。組合式鋼板剪力墻是在鋼板一側或兩側現澆鋼筋混凝土， 兩種材料通過內嵌鋼板上預置的剪力釘組成一體，鋼板外包混凝土墻板，可以起到防火、保溫、隔聲等作用，減少了后續工作量，降低了工程造價。所謂傳統組合墻，是指混凝土墻板與周邊框架緊密接觸，不留縫隙，不足之處在于混凝土墻板剛度大，側移很小時角部就與框架相互擠壓，從而開裂或壓潰，由此過早破壞并退出工作。改進型組合墻的特點在于，根據結構在大震下的側移，現澆混凝土墻板與周邊梁、柱間預留適當的間隙，避免過早與框架接觸而損壞。

圖3是全球歷年來鋼板剪力墻專利申請量，其可以分成四個階段。第一階段是鋼板剪力墻起步階段（1970-1982年），鋼板剪力墻處于研究、試用階段。最早的鋼板剪力墻專利申請出現在1970年。但之后12年里，每年的申請量不超過10件。第二階段是穩步發展階段（1982-1998年），專利申請保持著穩步的增長，從1982年的1件增長到1998年53件。第三階段是緩慢發展階段（1998-2003年），這期間由于受材料及理論研究的限制，鋼板剪力墻發展較為緩慢。第四階段是快速發展階段，新的理論研究及材料的運用同時高層建筑的廣泛建設使得鋼板剪力墻快速發展起來。自2004年起鋼板剪力墻技術專利申請呈現良好的增長趨勢，至2012年高達136件（數據可能與實際存在差距）。

2、國內發展歷程

我國鋼板剪力墻的發展，至今已有接近二十年的歷史。我國從20世紀90年代初開始研制將鋼板運用于剪力墻結構構件中，經過近20年的快速發展，我國的鋼板剪力墻技術水平已經達到國際先進水準。

1999年， 由北京華洋建設開發有限公司申請了我國第一個將鋼質連接件預埋于剪力墻中的中高層抗震結構體系專利申請（CN1260436A）。這標志著鋼質板狀結構正式運用于剪力墻結構，同時增加剪力墻結構的抗震性能，提高中高層建筑結構的穩定性。這種預埋的鋼質連接件的剪力墻是鋼板剪力墻的雛形形式，并起到了一定的抗震和穩定的性能。

2005年，清華大學在經過大量的鋼板剪力墻的試驗和理論研究的基礎上申請了我國重要的鋼板剪力墻技術專利——防屈曲耗能鋼板剪力墻（CN1603539A）。這表明我國正式開始鋼板剪力墻技術領域的實際運用。該技術方案對國外傳統的鋼板剪力墻進行改進，其加入了我國建筑專家對鋼板剪力墻的靈活運用，也為新型鋼板剪力墻的發展奠定了基礎。

清華大學 鋼板剪力墻（CN1603539A）

清華大學在國外鋼板剪力墻先進技術的基礎上進行進一步改進，形成我國現代新型的組合型鋼板剪力墻。這也表明我國的鋼板剪力墻技術雖然起步較晚，但發展迅速，技術革新程度較高，由理論研究指導實踐也成為我國鋼板剪力墻領域的一大特點。

通過鋼板剪力墻的技術改進和迅速發展，大大提高了國內鋼板剪力墻的生產制造和建筑實際運用，縮小了我國鋼板剪力墻生產制造與國際先進技術的差距，提高了我國鋼板剪力墻的設計和實際施工技術，極大地促進了國內鋼板剪力墻整體水平的提高。

3、發展歷程及結論

隨著高層鋼結構的廣泛應用，鋼板剪力墻良好的抗剪與抗震能力將得到研究人員以及工程師的廣泛認識。鋼板剪力墻領域缺乏統一的標準準則，我國多高層鋼板剪力墻體系的研究時間短、深度不夠，還需要在試驗和研究方面做大量的工作，尤其針對我國抗震設防高烈度地區，以指導我國相應規范的制訂和完善。

三、鋼板剪力墻技術發展方向

鋼板剪力墻技術的飛速發展大大促進了建筑結構體系抗震技術的進步，鋼板剪力墻技術的運用也在不斷推廣和創新，并且隨著理論研究的不斷深入，鋼板剪力墻的抗側體系仍在不斷地采用新理論、新技術、新工藝、新材料，以改進結構，提高性能，例如組合式鋼板剪力墻、鋼箱型鋼板剪力墻等新結構的不斷出現，使鋼板剪力墻在中高層建筑結構體系中的應用前景不斷擴大。目前，鋼板剪力墻的技術發展的趨勢是向組合式、輕量化、環保安全等方向發展

a.組合式鋼板剪力墻

為滿足建筑形式的多樣化以及高層和超高層建筑的日益增加，建筑對抗地震、抗風荷載的要求也越來越高。鋼板剪力墻的抗側力性能直接影響其應用和實踐的效果，為了滿足更大的抗側力需要，從而提高鋼板剪力墻的抗側力性能，鋼板剪力墻也逐漸發展出組合式鋼板剪力墻的形式。組合式鋼板剪力墻抗震和抗風荷載性能相較之下更穩定，更能滿足超高層建筑的抗震需求。這也是鋼板剪力墻今后一段時間發展的重要方向，其相應的試驗研究也是各個高校和研究所重點的研究方向。

b.輕量化

鋼板剪力墻雖然有著較大的彈性初始剛度、大變形能力和良好的塑性性能、穩定的延性特性等特點，能為建筑結構提供抗側力，在建筑結構承受水平向荷載的情況下，內嵌鋼板利用其強度提供給結構水平向的抗側力，同時當水平向荷載超過鋼板的屈服強度時，鋼板良好的塑性性能、穩定的延性特性可繼續為建筑結構提供耗能，保證建筑結構在較大的水平向荷載中保持良好的穩定性能，但是其較大的自重，施工、安裝、焊接的較為困難也阻礙了鋼板剪力墻的推廣應用。因此，鋼板材料的輕量化以及合金材料的運用是鋼板剪力墻的另一個發展的方向，在輕量化的鋼板材料應用下，鋼板剪力墻可以更加方便施工、安裝等工藝步驟，為建筑的修建帶來重大的影響。

c.安全環保

隨著鋼板剪力墻越來越多的運用于建筑結構體系中，安全環保的問題也越來越多的被人們關注。鋼板材料的耐火性較差，而鋼板焊接安裝的過程中會產生大量的熱量，而且鋼板按照設計安裝時會切割而產生大量的小塊廢棄鋼材，同時也造成了環保問題。因此，耐火材料的運用以及其影響也是今后鋼板剪力墻的發展研究方向。同時，減少鋼板材料的浪費以及統一的設計規范也是鋼板剪力墻實際應用的重要環節。■

參考文獻

[1]淺析鋼板剪力墻的幾種分類及特點， 羅偉華，《建筑工程》.

[2]組合鋼板剪力墻的發展與研究現狀， 彭曉彤，《濟南大學學報》，2012年第26卷第1期.

[3]鋼板剪力墻的發展及應用范圍， 曹旭東，《遼寧建材》，2011年第10期.