兩邊連接加勁鋼板剪力墻抗剪性能分析

劉智穎 周文杰 李冠民

【摘 要】鋼板剪力墻作為一種新型的結構構件，能夠有效抵抗側向力，克服鋼筋混凝土剪力墻的自重對其抗剪性能的影響同時能對角隅混凝土容易開裂等現象進行有效規避，具有整體重量較輕、結構剛度大、抗側向力性能好、延展性好和施工快簡便快捷等優點。在原有理論的基礎上，通過研究試驗表明，支承柱體的破壞是鋼板剪力墻抗剪性能喪失的主要原因，而通過設置橫向加勁肋可顯著提高鋼板剪力墻的承載能力。厚度不同的鋼板其抗剪性能不同，當鋼板受到外力作用時，較薄的鋼板受到的影響大于較厚的鋼板。然而，無論是厚板和薄板，加強肋寬比有助于增強兩邊連接加勁鋼板剪力強的抗剪性能。對此，調查員詳細調查了各種連接方式的加勁鋼板在工程建筑上的應用，分析比對其方式的優劣性，著重分析了兩邊連接加勁鋼板剪力墻的抗剪性能，作出此文。

【關鍵詞】剪力墻；抗側力構件；性能分析；

引言

鋼板剪力墻是十九世紀七十年代開始使用的建筑方式，其本質是一種有效抗側力構件。發展初期主要應用在北美和日本等國家，并被廣泛應用于多層和高層建筑的結構框架中，尤其適用于海拔高的地區。鋼板剪力墻克服了混凝土剪力墻自身重量大、角部易開裂的缺點。兩邊連加勁鋼板剪力墻是它的布置不容易受到限制，并且能夠滿足住宅用戶在鋼體結構上需要靈活開設門窗洞口的需求。兩邊連接加勁鋼板抗剪力強的應用對鋼板墻的推廣起到非常關鍵的作用，此方法還具備兩邊連接鋼板墻不再與柱子相連的特點。

1結構分析

兩側連接加勁支撐鋼板剪力墻的結構方式是在與墻連接的上下框架梁上進行焊接并與左右兩側框架的支柱斷開，沿剪力墻的架構方式在鋼筋兩側對稱布置，設立對角板。在水平剪力在作用下，剪力墻的左右兩側會產生壓應力，容易引起它發生局部彎曲，因此通常會在剪力墻的左右兩側的加勁對角上交叉設計加勁鋼板。同時在剪力墻內壁沿著墻板對角排列線兩側對稱布置加勁肋，墻內、墻下及框架梁只采用焊接連接或螺栓連接，左右兩側不連接框架。

2受力破壞分析

2.1結構受力破壞

兩邊連接加勁鋼板剪力墻框架柱的受力情況是不均勻的。從結構抗震設計角度考慮，框架柱被破壞造成的危害性高于梁被破壞帶來的危害，因為梁的破壞屬于構件破壞，是局部破壞，不具備整體危害性，及時發現受損情況尚且有可挽回的余地。框架柱破壞將會危及整個框架結構的安全，可能會導致建筑結構的倒塌，將會造成嚴重后果，所以要保證柱子“相對”安全。

2.2荷載受力破壞

為了研究兩邊連接加勁式鋼板剪力墻各類構件在水平荷載作用下的破壞順序及破壞情況，可以采用一個典型的單層帶邊框兩邊連接加勁式鋼板剪力模型，向右進行靜力對剪力墻的作用分析，在以往對剪力墻抗剪性的分析研究報告中來看，在受到外力作用時，兩邊連接加勁式鋼板的剪力墻會在其上形成一個屈服區域，在逐漸增大的水平荷載作用下，首先在剪力墻的墻底邊角部及梁端部與加勁鋼板墻接處出現屈服區，隨著側向荷載作用力的逐漸增大，鋼板墻中屈服區域面積逐漸增大到大部分鋼墻區域，接著支柱子底端也將出現屈服區，最后柱子頂部出現屈服區。屈服區的產生順序放映了剪力墻受到外力作用下的破壞順序，我們可以根據其先后順序，在對應的部分采取措施來提高剪力墻的抗剪性能。

3剪力墻受力分析

框架梁承受剪力最大的位置為框架梁、柱的節點附近，梁中部受到的剪力作用較小，在實際的建筑工程應用中，可考慮在框架梁節點區域增大剪力墻梁截面尺寸以提高梁的抗剪承受力，從而保證框架梁不先于剪力墻的加勁鋼板發生破壞。兩邊連接加勁鋼板剪力墻的框架梁節點區域剪力變化梯度較大，其原因是鋼板的對邊受力方向相反，在遭受剪力時，形成順時針方向的彎矩，此彎矩需要通過鋼板的四個角點的形成剪力平衡，剪力在此區域數值隨著剪力墻彎矩數值的變化而改變。

4加勁肋對剪力墻性能影響

兩邊連接加勁鋼板的剪力墻在設置加勁肋后，墻板的抗剪能力有了顯著提 高，而對于厚度較薄鋼板其承載性能的提高幅度要大于具有一定厚度的鋼板。加勁肋對于厚板和薄板荷載位移曲線數值的影響不同。加勁肋會對鋼板的抗剪性能產生影響。對于厚度較薄的鋼板來說，沒有采用加勁肋的薄板其承載性能雖然較厚板的抗剪性低，但是具有較好的延展性能。但鋼板的延展性卻有所降低。隨著肋板剛度比的增加，極限承載力也隨之增加，且延展性也有所提高。因此，對薄板設置加勁肋，要使得承載力提高的同時，考慮到不能過多地降低其延展性。肋板剛度比的選取應同時考慮到加勁肋的寬度與厚度之比，因為寬厚比的減小會使加勁肋自身對鋼的用量在增加。因此在實際工程中，不宜取用過小的加勁肋寬厚比，否則無法有效地提高鋼板的抗剪性，而且會造成一定的資源浪費。另一方面，加勁肋寬厚比也不宜取得過大，因為過大的寬厚比會使加勁肋屈曲嚴重，從而難以發揮其應有的作用。

5模型構建

兩邊連接加勁鋼板剪力墻最常用的構建模型為限元模型。在構建模型的過程中，框架梁、柱的抗壓和抗彎剛度均取無窮大，且框架梁、柱節點為餃型連接方式，水平荷載力施加在加勁鋼板上方框架的梁端，一階模態對應的水平剪力即為鋼板剪力墻的彈性屈曲承載力。在以往對兩邊連接鋼板剪力墻的抗剪性研究中，通常還應用到單層單跨鉸接模型，在此模型構建中框架梁抗壓能力和抗彎剛度也設定為無窮大，在此模型設定下，加勁鋼板剪力墻具有構造簡單，受力點和受力方向明確等優點，但該模型不能考慮到剪力墻框架梁的剛度以及梁柱節點形式對加勁鋼板剪力墻抗剪性的影響。在模型構建時為了更真實地模擬鋼板剪力墻實際的受力狀態，常通過對層數單跨五層的兩邊連接鋼板剪力墻在單向荷載作用下的受力特點進行分析。

6不同類型比較

6.1鋼板加勁肋

加勁肋的設置可有效地防止剪力墻兩側邊的平面外變形，阻止建筑物的結構失穩。但是剪力墻加勁肋構試件的滯回能力較弱，這是因為加勁肋在抗剪過程中存在初始缺陷，在剪力產生時，其構件為了應對承載力的變化會過早地產生屈曲，無法對其彎曲部位進行恢復，只在早期表現出較強的抗剪能力，對剪力墻有貢獻有限。

6.2四邊連接鋼板

四邊連接加勁鋼板與兩邊連接有所不同。采用四邊連接鋼板剪力墻在受到剪力作用時其框架梁、柱共同工作，并且四邊連接鋼板剪力強的初始剪切剛度和承載力較兩邊連接鋼板剪力墻有所提高。與四邊連接鋼板剪力墻相比，兩邊連接鋼板剪力墻的初始剪切剛度降低了剪力墻平均剪應力。但是四邊連接剪力鋼板存在施工操作難度大，建構應用受到限制的缺點。

6.3交叉加勁肋與十字加勁肋

通過考察兩邊連接加勁鋼板剪力墻在建筑工程上的應用，發現加勁鋼板的結構方式常采用交叉加勁肋和十字加勁肋，通過對交叉加勁板與十字加勁板屈曲荷載的比較，而交叉加勁肋的長度是十字加勁肋長度的兩倍.為了能更準確地比較二者的屈曲荷載，通過建立與十字加勁肋長度相等的交叉加勁肋鋼板剪力墻模型，對構建后模型進行分析研究，得出交叉加勁肋屈曲荷載的增量。通過研究可知采用交叉加勁肋可以使墻板的屈曲荷載在十字加勁肋的基礎上提高三至五成，且隨著墻板高厚比的增大，提高幅度有所增加。由此可見，交叉加勁肋是一種比十字加勁肋更加有效的加勁形式，能夠起到更充分地利用材料，達到節省用鋼量的作用。

結束語

兩邊連接加勁鋼板剪力墻具有良好的延展性和抗消耗能力，具有較強的抗剪性能。采用這種連接形式的剪力墻的框架柱會受到抗剪保護，其部件是一種較為合理的結構抗震構件。同時剪力墻的構建還可以采取其他輔助構件，如采取增設加勁肋的方式。綜合研究表明，加勁肋的存在不但減小了剪力墻兩側邊的平面的變形，同時也提高了兩邊連接鋼板剪力墻的承載力和抗消耗能力，加勁肋對于荷載等指標的提高較低，但仍能增強邊界的穩定性。

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（作者單位：中國建筑第四工程局有限公司）