鋼-混凝土組合剪力墻研究與應用

楊 迪，趙 凱

（1.中鐵建設集團有限公司南寧分公司，廣西 南寧 530000；2.廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004）

1 鋼-混凝土組合剪力墻受力性能研究

1.1 型鋼混凝土組合剪力墻

型鋼混凝土組合剪力墻是指在混凝土剪力墻內(nèi)部布置型鋼形成的一種組合剪力墻。從20世紀90年代末，國內(nèi)外學者開始對型鋼混凝土組合剪力墻的受力性能進行試驗研究和數(shù)值分析。2010年，馮鵬等[1]對 7個冷彎薄壁型鋼混凝土（簡稱CTSRC）剪力墻進行擬靜力水平往復試驗，試驗表明，CTSRC剪力墻在正常使用階段有較高的剛度，峰值后有較好的延性，破壞時仍具有較高的豎向承載能力。2011年，初明進等[2]建立了 CTSRC剪力墻受剪承載力的拉壓桿-滑移分析模型和計算方法。白亮等[3]提出一種可用于型鋼高性能混凝土剪力墻受剪承載力計算的理論公式。2013年，馬愷澤等[4]進行8個剪跨比為2.5的型鋼混凝土剪力墻試件的擬靜力試驗，提出可用于剪力墻的屈服承載力和極限承載力計算的方法；同時通過建立剪力墻頂點位移角與底部截面曲率和塑性鉸區(qū)長度的關系，提出基于剪力墻頂點位移角的截面變形能力的設計方法。2015年，闕昂等[5]根據(jù)8個型鋼混凝土剪力墻彎曲破壞的試驗結果，將該類剪力墻截面的彎矩-曲率骨架曲線簡化為四線型，并提出相應的計算表達式。

部分學者對型鋼剪力墻的抗震性能也開展試驗研究，并對各類型鋼剪力墻的抗震性能進行了評定。YAMADAM[6]對 3組 1/5縮尺的型鋼混凝土剪力墻模型開展試驗研究，試驗結果表明，型鋼混凝土剪力墻承載機制與型鋼混凝土框架填充鋼板剪力墻承載機制的組合，使組合結構的抗震性能控制成為可能。2012年，祝紅梅等[7]對4片高強型鋼高性能混凝土剪力墻試件進行低周反復加載試驗研究，結果表明軸壓比、配鋼率、配箍率及邊緣約束區(qū)長度等對高強型鋼混凝土剪力墻的抗震性能均有影響。2013年，柯曉軍等[8]開展的試驗研究表明型鋼高強混凝土短肢剪力墻-連梁節(jié)點承載力、剛度及抗震性能較高強混凝土短肢剪力墻節(jié)點均有所提高。2014年，王曉燕等[9]對6片一字形型鋼高強混凝土短肢剪力墻試件進行低周反復荷載試驗，對比格構式配鋼試件和實腹式配鋼試件的破壞過程，表明實腹式配鋼試件具有更好的延性和抗裂縫發(fā)展的能力。同年，伍云天等[10-11]分別對內(nèi)置型鋼桁架高強混凝土中高剪力墻和型鋼T形截面剪力墻開展低周期反復加載試驗，研究表明：內(nèi)置型鋼桁架高強混凝土中高剪力墻試件相較普通剪力墻具有良好的耗能能力。

1.2 鋼板混凝土組合剪力墻

1994年，H O WA R DW 等[12-16]對鋼板剪力墻進行研究，隨后幾十年間鋼板混凝土剪力墻的受力性能和設計方法得到進一步研究。2014年，馬曉偉等[17]通過一組鋼板混凝土組合剪力墻試驗，提出平面組合桁架模型和彎曲變形簡化公式。2015年，馬愷澤等[18]采用有限元軟件Abaqus建立雙層鋼板混凝土組合剪力墻的非線性有限元模型，并據(jù)此提出可用于該類組合剪力墻壓彎承載力簡化的計算公式。2016年，程春蘭等[19]進行了16個帶約束拉桿的雙鋼板-混凝土組合剪力墻試件的滯回加載試驗研究及數(shù)值模擬，分析影響其承載力及變形的主要參數(shù)，并推導出可用于該類型剪力墻水平承載力和變形的計算公式。

鋼板混凝土組合剪力墻綜合鋼板剪力墻和鋼筋混凝土剪力墻的優(yōu)缺點，其抗震性能也得到相應的研究。2011年，聶建國等[20]完成了2片低剪跨比雙鋼板-混凝土組合剪力墻和1片低剪跨比鋼筋混凝土剪力墻試驗，結果表明，該類型剪力墻比鋼筋混凝土剪力墻具有更好的承載能力和抗震性能。2013年，紀曉東等[21]通過對5個剪跨比為2.5的一字形截面組合剪力墻試件進行擬靜力試驗，提出一種可提高超高層建筑底部樓層抗震性能的鋼管-雙層鋼板-混凝土新型組合剪力墻。同年，李健等[22]進行了9個雙層鋼板內(nèi)填混凝土組合剪力墻縮尺試件試驗，結果表明，該類型構件能夠充分發(fā)揮鋼板和混凝土材料各自的優(yōu)點，具有良好的受力、抗震性能。2015年，馬愷澤等[23]對4個剪跨比為2.5的組合剪力墻試件進行了擬靜力加載試驗，并運用Open Sees軟件建立纖維模型，進行低周期反復荷載作用下的非線性分析，研究結果表明設置加勁肋、加密加勁肋、提高軸壓比、采用強度高的混凝土和增加板厚等均能提高其抗震性能和承載力。2016年，趙寶成等[24]進行2層半單跨1∶3縮尺內(nèi)填混凝土雙鋼板混凝土聯(lián)肢組合剪力墻結構試件的低周反復加載試驗，結果表明該類型剪力墻滯回曲線比較飽滿，抗震性能較好。

1.3 內(nèi)藏桁架混凝土組合剪力墻

鋼管混凝土邊框內(nèi)藏桁架組合剪力墻是將桁架和剪力墻結合而成的一種組合剪力墻形式。2009年，曹萬林等[25]提出了具有較好抗震性能的圓鋼管混凝土邊框內(nèi)藏桁架剪力墻結構，并建立了此類結構的承載力計算模型。2010年，曹萬林等[26]進行1個1/7縮尺的組合雙肢剪力墻模型的低周反復荷載試驗，研究表明，內(nèi)藏鋼板-鋼桁架可顯著提高鋼管混凝土疊合邊框雙肢剪力墻的承載力和抗震性能。2011年，楊亞彬等[27]進行了3個1/5縮尺圓鋼管混凝土邊框內(nèi)藏桁架剪力墻試件的低周反復荷載試驗，試驗表明圓鋼管混凝土邊框內(nèi)藏鋼桁架剪力墻具有承載力高、剛度大和抗震性能良好等優(yōu)點。2011年，張建偉等[28]進行了3個剪跨比為1.0的低矮剪力墻低周反復荷載試驗，結果表明，圓鋼管混凝土邊框內(nèi)藏鋼桁架低矮剪力墻的抗震性能較普通混凝土低矮剪力墻與圓鋼管混凝土邊框低矮剪力墻有顯著提高。同年，王堯鴻等[29]進行了4個鋼管混凝土疊合邊框剪力墻模型的模擬地震振動臺試驗，試驗表明鋼管混凝土疊合邊框內(nèi)藏鋼桁架剪力墻比普通鋼管混凝土疊合柱邊框剪力墻承載力高、抗震性能好。2015年，藍文武等[30]對內(nèi)置鋼桁架的預應力剪力墻進行研究，試驗表明，橫向預應力的施加能明顯提高結構承載能力和抗震性能。

1.4 內(nèi)置鋼管混凝土組合剪力墻

內(nèi)置鋼管組合剪力墻是指在傳統(tǒng)混凝土剪力墻中布置鋼管形成的一種新型組合剪力墻形式。2013年，方小丹等[31-32]分別對鋼管高強混凝土剪力墻試件開展軸心受壓試驗和單調(diào)水平荷載作用下的壓彎試驗，研究表明鋼管對高強混凝土的有效約束作用可進一步提高剪力墻軸心受壓承載力，鋼管高強混凝土剪力墻與一般剪力墻相比具有較好的抗震性能。同年，祁佳睿等[33]對不同洞口偏心率下鋼管混凝土剪力墻結構的受力性能開展了數(shù)值分析，結果表明，洞口處于不同受力區(qū)域時結構會產(chǎn)生不同的破壞形態(tài)。2016年，方小丹等[34]對18個鋼管高強混凝土剪力墻試件的受壓性能和受拉性能分別開展了試驗研究，研究表明鋼管間混凝土體積配箍率對鋼管混凝土剪力墻的承載力有明顯影響，混凝土強度對剪力墻受拉剛度影響較大。

內(nèi)置鋼管混凝土剪力墻在地震作用下的受力性能也得到了較多的研究。2010年，錢稼茹等[35]完成了關于約束邊緣構件內(nèi)配置圓鋼管的鋼管混凝土剪力墻的抗震性能的擬靜力試驗，研究表明約束邊緣構件內(nèi)配置雙鋼管的剪力墻能提高其承載力和抗變形能力。2014年，白亮等[36]進行了鋼管約束高強混凝土剪力墻低周反復加載試驗，試驗表明：通過在約束邊緣構件內(nèi)設置鋼管的剪力墻可提高剪力墻的水平和豎向承載力，同時其變形能力和抗震能力均明顯改善。2015年，方小丹等[37]設計制作了2批共10個剪跨比為2.44的鋼管高強混凝土剪力墻試件并對其進行擬靜力試驗，表明鋼管高強混凝土剪力墻在高軸壓比下（設計軸壓比為0.7）仍然保持良好的延性和耗能能力，抗震性能良好。2016年，趙作周等[38]對8片不同鋼管布置形式的鋼管高強混凝土組合剪力墻進行低周期往復加載試驗，研究表明該類型結構破壞形式為壓彎作用下的受彎破壞，且試件的截面應變分布基本符合平截面假定，具有良好的抗震性能和抗倒塌能力。

2 組合剪力墻應用案例

2.1 深圳前海中心項目

深圳前海中心工程位于廣東省深圳市南山區(qū)，地下4層，地上由5棟30～62層的超高層酒店、辦公樓及商務公寓組成。其中 T 1為高級辦公樓，地下1層，地上62層，框架核心筒結構，外筒為型鋼混凝土結構，內(nèi)部核心筒為鋼筋混凝土結構，施工過程如圖1所示。

圖1 T1施工過程

根據(jù)上述可知，該工程結構采用的型鋼剪力墻結構相較于一般剪力墻結構具有更高的承載能力和抗震性能，同時也能滿足該工程對空間布局要求。選用該結構形式的主要原因：①鋼筋混凝土剪力墻作為內(nèi)筒結構，自身剛度大，承載力高，但受剪破壞時延性較小，結構安全可靠性較低；本工程為超高層建筑，對建筑抗震和受力性能要求較高，因此，采用外筒為型鋼混凝土組合剪力墻，內(nèi)筒為鋼筋混凝土剪力墻二者相結合的形式，可較好地改善建筑整體結構的受力和抗震性能，具有更好的適用性和更高的經(jīng)濟指標，同時設計、施工也更為合理；②基于所處場地限制等因素，采用工廠定制鋼材的方式，保證了施工進度和工程質(zhì)量，降低了各種限制因素帶來的不利影響，同時避免了鋼材的浪費，具有較高的經(jīng)濟指標。

2.2 南寧九洲國際項目

九洲國際大廈是位于廣西南寧市的一棟綜合型超高層建筑。該建筑地下6層，地上71層，裙樓9層，結構總高度301.6 m。塔樓采用鋼管混凝土柱框架-混凝土核心筒結構。在地下2層至地上9層的核心筒剪力墻內(nèi)共設置68根勁性鋼骨鋼管柱，剪力墻及鋼管柱內(nèi)采用C 70高強高性能混凝土進行填充。其中部分剪力墻內(nèi)異形箍筋樣式和鋼管布置如圖2所示。

圖2 異形箍筋樣式與鋼管在剪力墻中的位置

通過分析該工程項目的實際情況，可知其選用鋼管混凝土剪力墻結構，在其設計、施工和使用上，均具有更為經(jīng)濟合理的優(yōu)勢：①該工程建筑面積較大，且承載力要求較高，選用內(nèi)置鋼管混凝土組合剪力墻更能滿足該高層建筑對承載能力和抗震性能的要求，通過內(nèi)置鋼管剪力墻的合理布置能夠使該高層建筑結構在受力傳力和空間布局等方面更為合理化；②該類型剪力墻結構形式設計原理和施工過程較為簡明，同時根據(jù)工程所處場地等因素，設計了明確的施工流程，有利于施工順利進行；③該項目為超高層綜合型建筑，占地面積較廣、受力傳力過程較復雜；選用內(nèi)置鋼管混凝土組合剪力墻形式，可更節(jié)省鋼材，具有較高的經(jīng)濟指標；且內(nèi)置鋼管組合剪力墻可通過改變內(nèi)置鋼管的間距調(diào)節(jié)墻體的承載性能，能夠滿足該建筑在不同區(qū)域?qū)Τ休d力的不同要求，更具靈活性。

3 結語

1）鋼-混凝土組合剪力墻具有承載力高、抗側能力強和抗震耗能能力好等優(yōu)點，適用于高層及超高層建筑，具有廣闊的應用前景。

2）在剪力墻內(nèi)部放置型鋼或鋼管后，型鋼會對混凝土產(chǎn)生約束和銷鍵作用而提高其抗剪能力，鋼管的約束效應也會改善內(nèi)部混凝土的受力。因此，在組合剪力墻設計過程中應考慮上述有利因素的影響。

3）型鋼、鋼板等組合剪力墻的受力性能和計算理論方面研究較多，而內(nèi)置鋼桁架和內(nèi)置鋼管組合剪力墻的研究相對較少，有必要開展相應的研究工作。此外，現(xiàn)行規(guī)范中針對內(nèi)置鋼管組合剪力墻等新型組合剪力墻的設計條款較少，有必要進行補充完善。

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