钢板-混凝土组合剪力墙研究

徐如楠，刘新领，张弘洋

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥　230009)



钢板-混凝土组合剪力墙研究

徐如楠，刘新领，张弘洋

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥230009)

摘要：在超高层结构中，钢板-混凝土组合剪力墙可以有效避免钢筋混凝土剪力墙墙体过厚、纯钢板剪力墙内嵌钢板过早屈曲的缺陷，充分发挥钢材与混凝土之间的组合作用，具有广阔的发展前景。文章重点介绍国内外钢板-混凝土组合剪力墙的研究成果，并在此基础上提出一种新型双钢板-混凝土组合剪力墙，以期为今后组合剪力墙的发展提供参考借鉴。

关键词：钢板-混凝土组合剪力墙；组合作用：双钢板

早在20世纪70年代，作为一种新型抗侧力结构体系——钢板剪力墙结构，已经应用在美国和日本的建筑结构当中。钢板剪力墙具有内嵌钢板和外围框架的双重抗侧力体系，有较高的侧向刚度和承载能力、良好的延性及耗能能力，为高层、超高层建筑结构设计增加了一种更为有效的选择。钢板剪力墙只依靠两端框架柱承担竖向力，内嵌钢板只承受水平荷载，为节省钢材，大多数钢板剪力墙依靠内嵌薄钢板屈曲后所形成的拉力场抵抗水平力，而在拉力场的作用下，柱子抗弯刚度对钢板作用的发挥有较大影响。

为更好发挥内嵌钢板的延性及耗能能力，提高墙体的抗震性能，国内外学者对钢板-混凝土组合剪力墙进行了一系列的试验与理论研究。将钢与混凝土2种材料组合在一起，可有效解决钢板过早屈曲问题和提高墙体延性，如果将混凝土浇筑在2块钢板之间，钢板对其核心混凝土也会起到较好的约束作用，可有效增加墙体的承载能力。

1单钢板组合剪力

1.1单钢板双盖板组合剪力墙

2004年，文献[1]完成了2个单跨3层的单钢板-混凝土组合剪力墙试件的试验研究，其中一个试件钢板两侧预制混凝土板与外围框架紧密接触，该类试件称为传统型；另一个试件两侧预制混凝土板与外围框架留有一定的空隙，该类试件称为改进型，如图1所示。传统型组合墙在小荷载作用下，钢板和混凝土共同承担水平力，但是由于混凝土具有较大的弹性模量而容易被挤压破坏；对于改进型组合墙，由于空隙的存在，小荷载情况下只有钢板承担水平力，混凝土板只起到抑制钢板面外屈曲的作用，当荷载较大时，改进型组合墙中混凝土板开始与外围框架接触，一方面继续抑制钢板面外屈曲，一方面参与承担水平剪力。

图1　传统型与改进型组合钢板墙

2009年，文献[2]对传统防屈曲组合钢板墙进行改进，混凝土盖板预留孔径根据其与钢板最大相对滑移来确定，大于螺栓直径，并在此基础上完成了7个试件的拟静力试验。试验结果表明，较大的预留孔径可以避免盖板承担水平荷载，防止盖板破坏；混凝土盖板可以消除纯钢板墙在水平荷载作用下产生的噪声，缓解内嵌钢板面外屈曲。

1.2单钢板单盖板组合剪力墙

2011年，文献[3]进行了15个包含组合钢板墙、纯钢板墙和钢框架的试验研究。研究发现，相比于双盖板组合钢板墙，单盖板试件虽然在初始刚度、耗能能力及强度方面有一定程度的下降，但是试件的延性会有所提高；改进型试件在延性及耗能方面比传统型增加20%和16%；高强混凝土可显著减小混凝土面板的破坏程度，提供更强的面外约束；端柱必须有足够的强度、刚度来承担弯矩及竖向荷载。

2双钢板组合剪力墙

2.1双钢板内填混凝土组合剪力墙

2009年，文献[4]考虑到大剪跨比组合墙试件底部焊缝容易断裂的情况，提出2种解决方法增强墙体底部强度:一种是在墙板底部与底座之间焊上肋板，另一种是在墙板底部一定高度范围内焊上盖板，如图2所示。研究结果表明，肋板加强并不能改变试件的破坏模式，仍然以墙底焊缝断裂为主，而盖板加强试件的破坏主要源于未加强钢板局部屈曲、内部填充混凝压碎及系杆拉断等。

图2　底部加强措施

2011年，文献[5-7]完成了10个不同剪跨比双钢板-混凝土组合剪力墙的试验研究。试件主要经历了弹性工作、钢板与混凝土局部粘结破坏、端柱与墙板局部屈曲和试件屈服、变形加剧、混凝土压溃、试件破坏4个阶段。减小栓钉间距可增加滞回环稳定性和减缓钢板局部屈曲；轴压比对中、高剪跨比试件延性及变形能力影响较为显著；中、高剪跨比试件钢板屈曲及混凝土压溃主要发生在试件底部。

2014年，文献[8-9]设计了4个双钢板-混凝土组合剪力墙试件，在墙体两面设置4.8 mm厚的钢板，通过布置栓钉及拉杆与内部混凝土共同工作，而墙体两侧混凝土外露，钢板并未形成封闭，墙体高宽比均为1。试件的主要破坏模式为墙面底部钢板局部屈曲或屈服、墙侧底部混凝土压碎，如图3所示；缩短第一排连接件与支座的间距可有效减缓试件强度退化,双钢板承担了绝大部分的水平剪力。

图3　试件主要破坏模式

2.2双压型钢板混凝土组合剪力墙

1995年，文献[10]完成了5个足尺双压型钢板内填混凝土组合钢板剪力墙的试验研究，分别考虑在施工阶段和使用阶段2种情况下该类组合墙的抗剪性能。试验结果表明，压型钢板与核心混凝土之间的界面粘结强度以及压型钢板抵抗局部变形的能力是影响试件受力性能的主要因素，可以通过减小压型钢板波距来延缓压型钢板的局部屈曲。随后又完成了13个足尺组合钢板剪力墙在轴压作用下的试验研究[11]。研究结果表明，增加组合墙纵向抗弯刚度可有效提高构件的稳定性和延缓构件的整体屈曲,该类组合墙的竖向承载能力与压型钢板的刚度及其截面形状密切相关。

2013年，文献[12]进行了3个双压型钢板-混凝土组合剪力墙的试验研究(图4)，试验中采用2种中强和高强压型钢板，采用2种内部填充材料，即自密实混凝土(SCC)和工程水泥基复合材料(ECC)。在低周反复荷载作用下，试件的主要破坏形式是沿组合墙对角线处混凝土开裂和两边压型钢板屈曲,在两边压型钢板之间，如果不采用连接件就会导致钢与混凝土的组合作用减小，压型钢板屈曲先于屈服。

图4　双压型钢板-混凝土组合剪力墙

2.3型钢拼接型混凝土组合剪力墙

2014年，文献[13]提出一种新型箱型钢板剪力墙，墙体由H型钢拼接而成，如图5(a)所示，根据是否在管腔内填筑混凝土分为组合箱型钢板墙和纯钢箱型钢板墙。通过对2种钢板墙整体稳定和局部稳定的理论分析，得出墙体、板件高厚比限值及计算公式，并与有限元分析结果进行比较，均表明纯箱型钢板墙高厚比限值可比混凝土墙有所提高，组合箱型钢板墙宽厚比限值可比纯箱型钢板墙有所提高。2015年又对H型拼接组合墙/柱的协同工作性能进行分析[14]，结果表明，管腔内设置一定数量的栓钉可有效发挥钢管和核心混凝土的组合作用，并给出了每层需设置栓钉数量的计算公式。

浙江杭萧钢构股份有限公司提出一系列新型钢管束组合构件，新型构件由不同形状的钢管束焊接而成，如C型(图5(b))、一字型、T型等。构件便于标准化设计及装配式施工，钢材可循环利用及绿色环保，建筑空间可灵活布置，满足不同人群需求。

图5　型钢拼接型组合钢板剪力墙

3新型双钢板-混凝土组合剪力墙

本文在前人研究的基础上，提出一种新型双钢板-混凝土组合剪力墙，如图6所示。双钢板两端与空钢管采用对接焊缝连接，2片钢板之间通过C型连接件拉结，C型连接件与钢板之间通过交叉点焊连接，并在双钢板空腔内浇筑混凝土。

图6　双钢板-混凝土组合剪力墙

构件制作可在工厂进行，施工简单方便；两端空钢管方便与周边钢梁、组合梁的节点设计，有效避免加强环对浇筑混凝土的困扰，可以通过调整C型连接件间距来改变试件承载力、延性及耗能能力。

4结论

(1) 钢板-混凝土组合剪力墙与钢筋混凝土剪力墙相比，可避免底层墙体过厚、减轻结构自重及增加建筑空间；与钢板剪力墙相比，可延缓钢板屈曲、提高构件延性及增强抗火性能。

(2) 绝大多数钢板-混凝土组合剪力墙的试验与理论研究尚未考虑建筑门窗开洞对试件抗震性能的影响，对不同洞口形式、洞口位置及洞口尺寸的组合剪力墙力学特性的研究还有待于进一步开展。

(3) 为了更好地推广该新型结构体系在实际工程中的应用，有必要进行组合墙与钢梁、组合梁的节点设计，并进行系统的试验研究与理论分析。

(4) 钢板混凝土组合剪力墙作为一种承载能力高、抗震性能好及施工效率高的新型组合结构，在以后的超高层结构中具有广阔的发展前景。随着试验方法的不断改进、理论研究的不断深入、设计及施工的不断成熟，钢板组合墙结构将得到长足发展。

〔参考文献〕

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收稿日期：2016-03-16

作者简介：徐如楠(1988-)，男，安徽霍邱人，合肥工业大学硕士生．

中图分类号：TU398

文献标识码：A

文章编号：1673-5781(2016)02-0155-03