三種雙鋼板組合剪力墻受力性能研究綜述

黃立朋， 張敏

（青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266000）

0 引言

普通鋼筋混凝土剪力墻通常采用增加墻體厚度和鋼筋用量的方法滿足國內外設計規范［1，2］對高層或超高層剪力墻承載力和延性的要求，這樣將會使得施工復雜，工程造價成本增加，建筑空間利用率降低。為此，學者們提出了承載力高、抗震性能優越、施工方便的雙鋼板組合剪力墻。它是由兩側鋼板、內部混凝土以及拉結構件組成。混凝土在兩側鋼板的約束作用下，抗壓承載力得到了提高。同時，混凝土能夠防止兩側鋼板發生向內屈曲，拉結構件可以防止兩側鋼板向外屈曲，提高了混凝土與鋼板的協同工作能力。并且兩側鋼板在施工過程中可以當作混凝土模板，節省了建筑耗材，降低了工程造價。

2011年，鹽城建成的全國最大的鋼包混凝土結構—鹽城電視塔，是國內首次將雙鋼板組合剪力墻應用到實際工程中，充分展示了雙鋼板組合剪力墻的優越性能［3］，截面形式如圖1所示。隨著建筑結構的形式變得越來越復雜，單一的“一”字型雙鋼板組合剪力墻已不能滿足設計要求和施工要求。為解決復雜結構形式帶來的施工困難，學者們提出了“T”型、“L”型雙鋼板組合剪力墻，截面形式如圖2、圖3所示。由于“T”型、“L”型組合剪力墻屬于非對稱結構，受力時，傳力路徑復雜，容易發生墻面扭轉，對結構整體的承載力、延性和抗震性能產生不利的影響。

圖1 鹽城電視塔主塔平面示意圖

圖2 “T”型組合剪力墻截面圖（單位：mm）

圖3 “L”型組合剪力墻截面圖

為更好的設計和應用“一”字型、“T”型、“L”型3種截面形式的雙鋼板組合剪力墻，應對它們的受力性能進行系統的總結。文中對三種雙鋼板組合剪力墻的受力性能進行綜述，闡述了混凝土強度、鋼材強度、鋼板厚度、連接方式、端部加強等因素分別對受力性能的影響，總結了3種雙鋼板組合剪力墻常用的承載力計算公式。鑒于現有研究的不足，文中認為應將組合剪力墻的端部加強和整體性能研究作為未來的研究重點。

1 “一”字型、“T”型、“L”型雙鋼板組合剪力墻受力性能研究現狀

1.1 “一”字型雙鋼板組合剪力墻受力性能研究現狀

“一”字型雙鋼板組合剪力墻構造，在實際工程中應用最多。國內外學者對“一”字型雙鋼板組合剪力墻的受力性能進行了深入研究。最早，Wright等［4］對壓型鋼板組成的雙鋼板組合剪力墻進行了抗壓試驗，如圖4所示。

圖4 雙層壓型鋼板組合剪力墻

研究發現，雙鋼板組合剪力墻的抗壓承載力好于普通鋼筋混凝土剪力墻，但混凝土與鋼板的粘結強度較低，兩者不能很好的協同工作。Corus公司［5］提出了采用對拉螺栓連接的“一”字型組合剪力墻Bi-Steel，如圖5所示。研究發現，對拉螺栓將混凝土與兩側鋼板牢固的連接在一起，防止了鋼板過早產生平面屈曲，提高了混凝土與鋼板的協同工作能力，從而提高了剪力墻整體的承載力。聶建國團隊［6-9］對不同剪跨比和軸壓比工況下的組合剪力墻進行了試驗研究和有限元分析。研究發現，低剪跨比雙鋼板組合剪力墻的承載力、變形能力、抗側剛度、抗震耗能能力均優于普通混凝土剪力墻；增加混凝土和鋼板的強度可以顯著提高組合剪力墻的承載力；設置螺栓連接使混凝土與雙鋼板牢固的連接在一起，提高了混凝土與鋼板的協同工作性，充分發揮了兩者的優點；提高雙鋼板混凝土組合剪力的剛度應優先考慮提高混凝土的強度。李健、郭小農等［10-12］對不同構造的雙鋼板組合剪力墻進行了試驗研究和數值分析，考慮了混凝土強度、鋼板厚度、栓釘間距、洞口等因素。結果表明，針對混凝土和鋼材的材料強度而言，組合剪力墻的承載力與材料強度成正比，材料強度越高，承載力越高；影響剪力墻延性的因素主要是軸壓比、鋼板厚度、栓釘間距、洞口等，其中，軸壓比對剪力墻延性的影響最大；組合剪力墻開洞會降低承載力，但提高了剪力墻的延性和抗震耗能能力。郝婷玥等［13］對雙鋼板組合剪力墻進行了軸壓試驗，提出了軸壓承載力計算式（1）。郭全全等［14］對剪切破壞為主的雙鋼板組合剪力墻進行了低周往復荷載試驗，得出了組合剪力墻不受軸壓力時的斜截面受剪承載力計算式（2）和受軸壓力時的斜截面受剪承載力計算式（3）。

圖5 Bi-Steel組合剪力墻

式中，Nc為混凝土的受壓承載力；Ns為鋼板在有效寬度范圍內的受壓承載力；Nss為內部豎向隔板或螺栓的受壓承載力；Ac為混凝土的橫截面面積；fcc為混凝土的軸心抗壓強度；fy1為雙鋼板的屈服強度；fy2為內部豎向隔板或螺栓的屈服強度；b為鋼板寬度；ts為鋼板厚度；As2為內部各豎向隔板或螺栓的橫截面面積之和；η為鋼板屈曲影響系數，η=be/b，be為鋼板的有效寬度。

式中，Vu為雙鋼板剪力墻斜截面受剪承載力；lw為腹板寬度；bw為腹板混凝土厚度；tsw為腹板鋼板總厚度；fc為混凝土軸心抗壓強度；fy為腹板鋼板屈服強度；λ為剪跨比（0.5≤λ≤0.85，當λ＜0.5時，取λ=0.5；當λ＞0.85時，取λ=0.85），N0為軸壓力。

學者們除了對“一”字型雙鋼板組合剪力墻的軸壓比、材料強度、鋼板厚度、栓釘間距、洞口進行了研究，還對鋼板連接方式和構造形式進行了研究。程春蘭、黃圣恩、夏登榮、韋芳芳［15-18］分別通過試驗對約束拉桿、C形連接件、L形連接件、栓釘連接件等不同的連接方式對組合剪力墻受力性能的影響進行了研究。聶建國等［19］通過理論分析，推導出了栓釘最大間距計算公式，如式（4）所示。王偉、徐文平、王來［20-22］分別對格構柱式、格柵管式、多腔體式雙鋼板組合剪力墻的受力性能進行了研究。分析發現，提高混凝土強度等級和鋼材強度、增加鋼板厚度都可以提高組合剪力墻的承載力；剪跨比和軸壓比對組合剪力墻的承載力和變形能力影響較大，增加剪跨比或者降低軸壓比可以改善其變形能力，但會降低承載力。

端部約束構件在雙鋼板組合剪力墻受力時發揮著重要作用。普通雙鋼板組合剪力墻，由于端部沒有設置約束支撐，在往復荷載作用下，兩側鋼板容易被壓屈，混凝土三向受壓減弱，導致剪力墻的抗壓承載力降低。在雙鋼板組合剪力墻端部設置約束可以提高鋼板的延性，延緩剛度退化，有效提高了剪力墻的抗壓強度。Jia-BaoYan等［23］對帶邊界柱雙鋼板組合剪力墻進行了試驗研究，武曉東等［24］在雙鋼板組合剪力墻中設置了鋼管混凝土端柱。結果顯示組合剪力墻中設置邊界柱，能夠顯著提高剪力墻的承載力、極限位移角和抗震耗能能力；增大邊界柱的寬度和鋼管厚度都可以改善帶端柱組合剪力墻的承載力和抗震耗能能力。

式中，tf為墻身鋼板厚度；fy為鋼板屈服強度。

1.2 “T”型雙鋼板組合剪力墻受力性能研究現狀

“T”型剪力墻主要用于高層建筑結構中內墻與外墻的連接處，由于“T”型雙鋼板組合剪力墻結構復雜，截面呈非對稱性，存在剪力滯后現象，受力路徑復雜，為保證剪力墻整體的安全性，有必要對其受力性進行深入的研究。

陳志華、張曉萌等［25-27］提出了由“U”型鋼組合成的“T”型鋼管束組合剪力墻如圖6所示，并對其變形性能和抗震性能進行了試驗研究以及有限元分析。結果表明，“T”型鋼管束組合剪力墻的承載力和抗震性能優于普通“T”型組合剪力墻；組合剪力墻的破壞和應力應變主要發生在腹板端部；在組合剪力墻端部鋼板上設置栓釘，僅能提高端部鋼板與混凝土的協同工作能力，對剪力墻整體沒有太大影響；減小端部“U”型鋼的截面尺寸或者增大端部“U”型鋼的鋼板厚度，都能夠提高組合剪力墻的抗震耗能能力；剪跨比是影響組合剪力墻初始剛度的主要因素之一，剪跨比越小，組合剪力墻的初始剛度越大，剛度退化越快；組合剪力墻在水平荷載下的位移主要由彎曲變形和剪切變形產生，其中彎曲變形產生的位移占總位移的85%～90%，隨著剪跨比的減小，彎曲變形產生的位移所占的比例將會逐漸減小；“T”型鋼管束組合剪力墻具有較好的變形能力，在達到破壞荷載后，保證承載力不發生顯著降低的情況下，可以保證建筑結構主體發生嚴重破壞時不倒塌。

圖6 “T”型鋼管束組合剪力墻圖（單位：mm）

馬江霖［28］通過恢復力曲線發現，該類型的組合剪力墻具有良好的延性和抗震耗能能力，可以用于抗震設防設計要求較高的建筑物中；降低高寬比和增厚鋼板是提高承載力和抗震耗能能力的有效方法；混凝土強度等級對承載力的影響不大，混凝土強度等級過高，會導致墻體發生脆性破壞；當軸壓比為0.6時，組合剪力墻的承載力最高、變形性能最佳，所以0.6是組合剪力墻軸壓比的最佳設計值。通過理論研究發現，由于“T”型組合剪力墻的不對稱性，在受到豎向荷載時，會一側受拉一側受壓。由于混凝土的抗壓能力高于抗拉能力，所以組合剪力墻的破壞首先發生在受拉一側；由于“T”型組合剪力墻的腹板截面面積小于翼緣的截面面積，所以當沿著腹板施加往復水平荷載時，腹板的破壞程度遠大于翼緣。

楊陽［29］對“T”型雙鋼板組合剪力墻進行了有限元分析。結果表明，“T”型雙鋼板組合剪力墻的破壞主要是由于腹板無翼緣側端部鋼板屈曲，混凝土被壓潰所致，在設計時應考慮對組合剪力墻腹板端部進行加強；在對組合剪力墻進行局部加強或者底部加強時，首先應考慮采用增大鋼板厚度的方法，能夠有效提高承載力和延性。

王月明［30］通過試驗研究，推導出了“T”型雙鋼板組合剪力墻的有效翼緣寬度計算公式、考慮翼緣寬度的正向承載力（翼緣受拉）公式、基于JGJ理論的斜截面抗剪承載力公式，如式（5）～式（7）所示，計算簡圖如圖7所示。

圖7 計算簡圖

式中，Mu為破壞彎矩；bfc為有效翼緣寬度；bft為實際翼緣寬度；h為剪力墻截面的總高度；hf為翼緣厚度；c為翼緣寬度；b為剪力墻的厚度；t為鋼板厚度；fy為鋼板抗拉強度；Pe為軸壓力；xc為截面形心到翼緣邊的距離；Vc為剪壓區混凝土承擔的剪力；Va為雙鋼板承擔的剪力；Vs為墻體內鋼筋承擔的剪力；λ為剪跨比（當λ＜1.5時，取1.5；λ＞2.2時，取2.2）；fc為混凝土抗壓強度（取0.85倍的混凝土抗壓強度實測值）；A為剪力墻的截面總面積；Aw為剪力墻的腹板截面面積；Aa為單側外包鋼板截面面積。

1.3 “L”型雙鋼板組合剪力墻受力性能研究現狀

“L”型雙鋼板組合剪力墻主要用于建筑結構中的拐角處，結構形式呈非對稱性，構造復雜，受力情況復雜，對其現有的研究相對較少。

秦成武［31］、蔡敏［32］分別對“L”型雙鋼板組合剪力墻和鋼管束組合剪力墻的力學性能進行了有限元分析，如圖8所示。研究發現，“L”型雙鋼板組合剪力墻主要發生彎曲破壞；組合剪力墻的承載力和延性隨著鋼板強度的提高而提高；鋼板厚度應控制在5mm以內，此時，組合剪力墻的耗能能力隨著鋼板厚度的增加而提高；與其它形式的雙鋼板組合剪力墻一樣，承載力、變形性能和抗震耗能能力受軸壓比和剪跨比的影響。軸壓比越高，剪跨比越低，腹板越長，組合剪力墻的抗震耗能能力越高，承載力和變形能力越差；“L”型組合剪力墻的最佳翼緣長度為450mm。當翼緣長度超過450mm時，應考慮減小軸壓比或者提高腹板含鋼量。

圖8 “L”型鋼管束組合剪力墻（單位：mm）

李戶曉［33］對“L”型雙鋼板組合剪力墻腹板無翼緣側進行了端部加強，如圖9所示。通過試驗和有限元分析發現，“L”型雙鋼板組合剪力墻的破壞主要發生于腹板端部，墻體主要發生彎曲變形；普通“L”型雙鋼板組合剪力墻腹板無翼緣側底部因受壓容易提前發生破壞，進行了腹板端部加強的組合剪力墻的破壞時間明顯晚于普通組合剪力墻，并且破壞程度也小于普通組合剪力墻；采用H型鋼對腹板無翼緣側進行端部加強，有利于改善滯回曲線、骨架曲線的對稱性；通過端部加強提高了腹板的承載力，減小了墻體底部變形，改善了組合剪力墻整體的抗震性能；端部加強采用的H型鋼截面尺寸越大，組合剪力墻的正負向承載力差距越小，越有利于提高抗震性能；在腹板與翼緣交接處增設H型鋼，會對組合剪力墻的抗震性能產生不利的影響。

圖9 帶端柱“L”型雙鋼板組合剪力墻

2 “一”字型、“T”型、“L”型雙鋼板組合剪力墻受力性能研究存在的問題及展望

（1） 端部加強對組合剪力墻的整體受力性能有著重要的影響，尚未有文章對組合剪力墻端部加強后的受力性能和端部加強方式進行專門的系統化研究。“一”字型雙鋼板組合剪力墻的兩端鋼板和“T”型、“L”型雙鋼板組合剪力墻的腹板端部鋼板發生過早屈曲，使得混凝土和鋼板的性能得不到充分發揮，承載力較低。所以，有必要對“一”字型剪力墻的兩端和“T”型、“L”型剪力墻的腹板端部進行局部加強處理，以提高混凝土和鋼板的協同工作性和剪力墻的整體受力性能。

（2） 結構整體性是保證結構中各構件在地震作用下協調工作的必要條件，結構中各構件之間能夠可靠的連接是保證結構整體性的前提。組合剪力墻作為建筑結構中主要的抗側力構件，其與其它構件的可靠連接對建筑物的整體性起著尤為重要的作用，但由于試驗條件限制，現有的文章只研究了雙鋼板組合剪力墻自身的受力性能，尚未有文章對組合剪力墻與結構中梁、板、柱以及其它墻體的連接方式進行研究。

3 結語

雙鋼板組合剪力墻已被廣泛用于高層和超高層建筑結構中，為適應高層建筑結構對剪力墻抗震性能的高要求，有必要對其受力性能進行全面系統化的研究。文中綜述了“一”字型、“T”型、“L”型雙鋼板組合剪力墻受力性能的研究現狀，分析了各因素對三種雙鋼板組合剪力受力性能的影響，總結了部分常用的承載力計算公式。指出了現有研究的不足，現有的文章對端部加強和整體性能的研究相對較少，不能為雙鋼板組合剪力的設計和應用提供充分的參考依據，應作為未來的研究重點。