鋼板剪力墻承載力與抗震性能研究

陳宇

【摘要】本文關注了加勁鋼板剪力墻的屈曲特性和抗剪承載力，考察了影響鋼板剪力墻屈曲承載力的各主要因素。對鋼板墻的受剪屈服和屈服后行為及其影響因素進行分析研究，并同時對比了薄板和厚板承載機制方面的區別。通過整體模型，探討了鋼板剪力墻抵抗地震作用的塑性耗能機制和特性。

【關鍵詞】加勁鋼板剪力墻；屈曲特性；抗剪承載力；塑性耗能

目前鋼砼剪力墻是我國高層建筑中最為常見抗側力結構形式，鋼砼剪力墻剛度較大，在劇烈地震作用下，將造成墻體的嚴重損壞，剛度退化，而地震作用向框架轉移，抗震性能不盡合理。鋼板剪力墻以其合理的初始剛度，大變形能力和良好的塑性性能，穩定的滯回特性而逐漸受到重視。

1、鋼板剪力墻屈曲特性

屈曲特性的分析采用通用有限元軟件的特征值屈曲模塊，加勁肋的布置主要考慮其自身尺寸和間距兩種因素，分別考慮豎向加勁肋和縱橫加勁肋兩種形式鋼板剪力墻，本文以肋板的外伸寬度與鋼板板厚的比值（bs/t）來表明加勁肋的強度，同時定義高厚比（λ=h0/t）以區分不同厚度的墻板。為考慮框架柱對屈曲承載力的影響，設置了多種柱截面。

加勁肋鋼板剪力墻的彈性屈曲承載力與高厚比λ密切相關，屈曲承載力隨高厚比的增大迅速降低。另外加勁肋對薄板屈曲承載力提高明顯，可見加勁肋對薄板更有必要。

僅設置豎向加勁肋鋼板剪力墻的屈曲承載力隨著加勁肋剛度增加而增大，剛度繼續增加，失穩形式由整體失穩向局部變形的過渡，承載力不再增加，類似于梁腹板加勁肋的尺寸要求，

隨著加勁肋間距的增加，其屈曲承載力快速地下降，針對僅設置豎向加勁肋的鋼板剪力墻，當加勁肋間距達到a/h0=0.5～0.83，加勁肋的作用不明顯，因此在實際鋼板剪力墻設計中，對僅設置豎向加勁肋的情況，肋間距宜小于鋼板高度的1/2，且不應大于5/6。

板厚越大，則強柱對承載力的提高作用越明顯。另外框架柱對墻板屈曲承載力的提高，必須以加勁肋的合理配置能夠有效使得墻板面外位移得以限制為前提條件。

將采用不同的加勁肋設置方式的屈曲承載力對比，當豎向加勁肋間距小于鋼板高的0.25時（a≤0.25h0），額外地設置橫向加勁肋，并不會提高承載力。當豎向肋間距a=0.25h0～0.5h0時，設置一道橫肋可獲得最多12.5%的提高，而設置兩道橫肋可提高承載力50%。當豎向肋間距a≥0.5h0，建議采用增設橫肋加勁形式。

2、靜力抗剪承載力

鋼板剪力墻作為結構中主要抗側力構件，水平荷載作用下，墻板極有可能進入塑性工作狀態[1]，此時鋼板剪力墻的優勢在于具有較大的延性和良好的塑性耗能能力。

以特征值屈曲的第一階屈曲模態為基礎，將第一階屈曲模態的1/1000、1/500和1/200作為缺陷幅值，分別施加于模型之上，分析可見初始幾何缺陷并未對鋼板剪力墻產生顯著的影響，荷載—位移曲基本重合。

隨著高厚比λ的增加，承載力快速地下降。薄板以局部屈曲并受拉屈服為極限破壞狀態，厚板則以截面受剪而最終進入剪切屈服，加勁肋的作用均不明顯。反觀中厚板，由于同時可能伴隨截面受剪和拉力帶兩種不同的承載方式，加勁肋的作用明顯，說明加勁肋的設置對于中厚板更有必要。

經對比分析，加勁肋對高厚比λ=600的薄板極限承載力提升作用不大，整體屈曲和局部屈曲的不同失穩形式，并不會對最終承載力造成過多的不同。對于高厚比λ=150的厚板，可通過合理配置加勁肋，將屈曲限制小區格內，減小對柱的依賴，而略為提高承載力。

加勁肋對薄板與厚板初始剛度的影響亦不同，加勁肋能提高薄板的剛度，厚板剪力墻剛度則不會因加勁肋的加強而提高。

強柱能夠提高墻板的極限承載能力。另外對于薄板和中等厚的鋼板[2]，屈曲產生的拉力帶對框架柱的附加作使得柱先于墻板屈服，承載力曲線出現下降段，厚板不會發生承載力下降，但仍能受益于強柱作用。實際應用中，應注意控制因鋼板屈曲對框架柱產生的不利影響。

3、整體結構中鋼板剪力墻的響應特性

建立鋼框架—鋼板剪力墻整體模型，按多遇地震反應譜將地震作用分別沿結構兩個主軸方向施加，多遇地震作用下，因為鋼板墻的存在，約束梁跨范圍內，由于梁受上、下墻體的約束作用，該梁段表現出類似剛性梁的性質，內力和變形都較小。在水平地震作用下，墻板周邊約束邊柱剪力、彎矩明顯小于其他框架柱，但軸力較大。多遇地震作用下，墻板隨結構整體變形，在兩側發生了壓縮和拉伸，因此在墻板兩側等效應力值明顯大于中部，尤其在墻板的角部等效應力往往最大。

從推覆過程來分析，塑性鉸最早出現于中間樓層的框架梁上，繼而塑性鉸往下部樓層發展，同樣出現在框架梁上，其中主要以鋼板墻所處的該榀框架中的主梁上出現的塑性鉸最多，但作為墻板邊緣構件的主梁并未發現有塑性鉸。

為分析鋼板剪力墻在大震作用下的耗能特性，由底層墻板的剪應力隨位移變化的全過程曲線[3]，可見墻板通過在正向和反向位移上剪切屈服，耗散地震能量，表明墻板具有可靠的耗能能力，實現了鋼板剪力墻大震下利用屈服耗能機制抵抗地震作用的目標。

結論：

本文從加勁鋼板剪力墻的細部和整體特性兩方面作為出發點，著重對鋼板剪力墻承載能力和抗震特性進行研究分析，得到如下結論：

（1） 加勁鋼板剪力墻的屈曲承載力同時受自身墻板厚度、加勁肋和邊緣框架構件因素的影響。

（2） 加勁肋對薄鋼板的側向剛度有明顯提高作用，厚板墻則不會，加勁肋布置對中等厚度的墻板效果最好。受薄板拉力帶附加作用，框架柱往往先于墻板自身出現屈服而導致最終承載力降低，厚板則不存在此現現象。

（3） 鋼板墻與框架整體協同工作時，在墻板的四個角部位置，會出現應力較為集中的現象，在實際的鋼板墻設計和施工中應當采用必要的方法和連接措施。

（4） 罕遇地震作用下結構響應的分析結果表明，在大震作用下可依靠自身的墻體材料的大范圍屈服變形來耗散地震能量。位于鋼板墻同榀框架中，且并未布置內嵌墻板的框架梁較容易發生屈服。

參考文獻：

[1]王曉峰， 秦榮， 劉光焰.考慮初始缺陷的結構非線性屈曲承載力分析[J].江蘇建筑，2009：28-30.

[2]Chen Sheng-jin， Chyuan Jhang. Experimental study of low-yield-point steel plate shear wall under in-plane load[J]. Journal of Constructional Steel Research， 2011（67）： 977-985

[3]孫國華，顧強.近斷層地震作用下鋼板剪力墻結構基于MECE譜的性態設計方法[J].建筑結構學報，2012，33（5）：105-117.