雙層波形鋼板混凝土組合剪力墻的穩定性設計及可行性研究

張 馳

（黃河科技學院應用技術學院，河南 濟源 459005）

0 引言

雙層波形鋼板混凝土組合剪力墻作為一種新型抗側力結構形式，在改善高層建筑抗側剛度方面顯示出良好的應用前景[1]。當前的研究主要集中在該墻體的受力性能和構造優化，而關于施工可行性分析還較少。本文通過對某具體工程項目的分析，驗證雙層波形鋼板混凝土組合剪力墻在實際施工過程中的可行性[2]。研究結果可為類似項目的設計與施工提供參考借鑒。

1 工程概況

案例項目建筑總高度為130m，地上29 層，地下2層，建筑面積約22000m2。其中地上1～3層為商業用房,4～29層為寫字樓。地下室為設備用房和停車場。結構體系采用鋼混組合結構，地下室外框架采用C50 混凝土；地上1～3 層采用鋼管混凝土柱、鋼橫梁的框架結構；4 層以上采用鋼筋混凝土核心筒、混凝土外框架及部分鋼支撐的框架-核心筒結構。建筑抗側力體系由4個剪力墻組成，位于東西側的2 個剪力墻采用雙層波形鋼板與混凝土組合墻體。該剪力墻自地面以上26層，墻體總高度為80m，厚度為600mm。內外兩層鋼板均采用波形鋼板，厚度分別為2mm、3mm，波形輪廓高度為120mm。鋼板與混凝土短柱采用橫聯錨固連接。混凝土強度等級為C50。該雙層波形鋼板混凝土組合剪力墻在結構設計中發揮了重要作用，保證了建筑的整體側向剛度和抗側力性能。但其穩定性需要通過嚴格的施工流程控制來實現，以發揮出最佳的性能[3]。

2 剪力墻方案設計

剪力墻是現代建筑中常用的結構元素，在抵御地震和風荷載中起到關鍵作用[4]。在該工程中采用了雙層波形鋼板混凝土組合的剪力墻設計方案，具體設計參數見表1，并根據表1的參數進行材料挑選。

表1 剪力墻設計參數表

（1）鋼板的選擇。采用Q345qD 鋼板作為剪力墻的關鍵材料，其中內層鋼板厚度為2mm，外層為3mm，確保了其出色的機械性能和耐腐蝕性。

（2）混凝土的選擇。選擇C50 級混凝土，并加入了最大粒徑為31.5mm 的碎石，以增強其抗裂性能。在結構的截面設計中，剪力墻的總厚度達到600mm，由兩層鋼板和中間的混凝土組成，兩層鋼板之間的距離為550mm，為澆注混凝土預留50mm的空間。此外，混凝土短柱的高度設計為1.2m，進一步增強整體穩定性。

（3）箍筋設計。箍筋也是該結構的一個關鍵部分，選擇了Φ10mm、Φ12mm 和Φ14mm 作為箍筋的直徑，并根據結構的需求設置100mm 和50mm 的間距。此設計旨在提供足夠的支撐和約束，確保混凝土的穩定性。

（4）邊界處理。在剪力墻的底部焊接隅角鋼，確保與基礎的穩固連接。頂部則焊接溝槽鋼，與樓板螺栓連接，而兩側邊界則焊接邊角鋼，與混凝土核心筒形成緊密的連接。總之，這種綜合的剪力墻設計方案旨在確保建筑的穩定性、耐久性和安全性，每一個設計細節都是為了滿足這些核心要求。

3 施工工藝流程及技術要點

雙層波形鋼板混凝土組合剪力墻工程實施的關鍵問題在于如何確保鋼板與混凝土之間的高質量結合[5]。為此，精心設計施工流程及各流程的技術參數：鋼板預制裝配—TEMPLATE 橫聯錨固—混凝土澆筑—預埋件安裝—質量檢測。

（1）鋼板預制裝配。在工廠進行鋼板的預制裝配，確保波形鋼板的尺寸精度。現場工作主要集中在焊接隅角鋼和溝槽鋼上，這不僅提高了施工精度，還確保了鋼板的剛度。

（2）TEMPLATE橫聯錨固。TEMPLATE橫聯錨固系統通過高強螺栓將鋼板與混凝土短柱機械連成一個整體，大大提高剪力墻的整體穩定性。

（3）混凝土澆筑。混凝土澆筑采用振搗技術，并選擇了C40等級的碎石混凝土，確保混凝土與鋼板之間的緊密結合，并增強其抗裂性能。

（4）預埋件安裝。在鋼板與混凝土之間預埋連接螺栓等部件，以便于安裝邊角鋼和飾面板。

（5）質量檢測。為了確保工程質量，采用B超技術對結合面進行檢測，并及時處理發現的問題。

施工過程的具體工藝參數見表2。

表2 雙層波形鋼板混凝土組合剪力墻施工參數

4 材料性能試驗

4.1 材料性能指標

為了確保整體結構的穩定性和安全性，需要確定各種材料的性能指標，主要的材料及其性能指標見表3。從表3可以看出，選擇的Q345qD鋼板、C50混凝土、高強螺栓和HRB400鋼筋都具有出色的性能指標，滿足剪力墻的設計要求。

表3 材料性能指標

4.2 抗壓性能試驗

為確保混凝土的質量和強度滿足設計要求，按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2019）進行軸向壓縮試驗，旨在驗證混凝土的抗壓強度是否達到預期。使用C50 混凝土制備標準尺寸為150mm×150mm×150mm的混凝土試塊，混凝土的配合比經過精心設計，確保其坍落度和強度。試塊在標準條件下養護，直到達到設計強度。在試驗中使用最大加載為1000kN 的壓力試驗機，并且確保加載速率的穩定。試驗結果如表4所示。

表4 混凝土抗壓試驗結果

從表4 可以看出，2 個試塊的實際抗壓強度均超過了C50混凝土的設計指標，說明選用的混凝土材料不僅滿足剪力墻混凝土的強度設計要求，而且還有一定的安全余量，這為后續的工程施工和使用提供堅實的保障。

4.3 抗剪性能試驗

為了確保混凝土在受到剪切力時的穩定性和安全性，使用經過精心配比設計的C50混凝土制備標準尺寸為150mm×150mm×150mm 的混凝土試塊，并按照《混凝土結構試驗方法標準》（GBT 50152-2012）進行抗剪試驗，以驗證混凝土抗剪強度是否滿足設計要求。試驗結果見表5。

表5 混凝土抗剪試驗結果

從表5 可以看出，2 個試塊的抗剪強度均滿足設計要求，表明選用的混凝土材料在受到剪切力時具有良好的穩定性和安全性。

結合軸向抗壓、抗剪試驗結果，可以得出結論：所選用的混凝土不僅在受到壓力時具有高強度，而且在受到剪切力時也表現出色。

5 組合剪力墻工程性能有限元分析

5.1 計算模型

為了準確模擬雙層波形鋼板混凝土組合剪力墻的工程性能，采用有限元分析軟件建立數值計算模型，綜合剪力墻的幾何、材料、載荷和計算參數，確保計算的準確性和可靠性。具體參數見表6。

表6 剪力墻計算模型參數

從表6可以看出，這些參數是基于實際工程情況和材料特性選擇的，確保了模型的真實性。選擇了彈塑性模型來描述鋼板的性能，因其能夠準確地模擬鋼板在受到載荷時的變形行為。此外，還采用脆性破壞模型來描述混凝土的性能，因為混凝土在受到超過其強度極限的載荷時會突然破壞。

5.2 邊界條件

在進行雙層波形鋼板混凝土組合剪力墻的計算分析時，確切的邊界條件是至關重要的，提供有關結構性能的準確信息。

（1）設置地基約束。為了模擬剪力墻在實際工作狀態下的固定情況，假設其底部是完全約束的，即模擬剛性地基，剪力墻的底部在所有方向上都不能移動。

（2）考慮側向位移。根據公式計算在剪力墻頂部施加的水平位移。計算公式為：[△]=0.01H，式中的H為剪力墻的高度，取值30m，代入得到:[△]=0.01×30m=0.3m，表明在剪力墻的頂部施加0.3m的水平位移。

（3）豎向均布荷載。在剪力墻的頂部，施加豎向均布荷載，其值為:q=10kN/m2，模擬上部結構對剪力墻的壓力。

5.3 計算結果分析

有限元計算結果顯示雙層波形鋼板混凝土組合剪力墻具有出色的結構性能。

（1）剪力墻側向位移。在與0.3m的側向位移相同的載荷作用下，剪力墻的頂部產生了0.39m的水平位移，說明墻體在受到側向載荷時的變形是均勻的。

（2）混凝土的應力響應。混凝土短柱的最大壓應力和剪應力分別為22MPa 和8MPa，這些值都在其許用范圍內，說明混凝土在受力時仍然保持其完整性。

（3）鋼板的應力響應。其最大受拉應力為298MPa，遠小于其屈服強度345MPa，說明鋼板在受力時沒有發生屈服；此外，鋼板的最大應變為5900微應變，仍處于彈性階段，意味著鋼板沒有發生永久性變形。

（4）剪力墻的側移角。側移角是剪力墻頂部的水平位移與其高度的比值，按下式計算。

滿足了抗震設防烈度8度的要求，說明剪力墻在地震作用下的變形是可接受的。

6 結束語

本文對高層建筑雙層波形鋼板混凝土組合剪力墻的設計方案、材料選用、施工流程和計算分析進行了系統研究，驗證了該方案能夠發揮鋼板與混凝土的優勢，提高墻體整體剛度和承載力，滿足建筑抗側力需求。通過優選材料參數以及采取合理的工藝措施，確保了高質量施工；材料試驗結果驗證了設計強度的可靠性；有限元計算分析了墻體的內力響應，證明了設計方案在規定烈度條件下能夠滿足相關技術規范要求。