钢板混凝土剪力墙研究概述

黄镇 余海

(苏州新城创佳置业有限公司，江苏苏州 215128)

0 引言

众所周知，高层建筑结构设计难点在于控制侧移，而墙体构件可以明显地提高结构的抗侧刚度，因而在高层建筑中广泛应用。主流的混凝土结构和钢结构都有自己的墙体结构形式。混凝土墙体由两端钢筋混凝土边缘构件和中间钢筋混凝土墙体组成，钢结构墙体由两端型钢柱、上下型钢梁和中间钢板组成。

钢—混凝土组合抗侧力构件具有广阔的实际应用前景，已在发达国家的高烈度地震设防区得到较多的应用。早在20世纪60年代，日本名古屋地铁公车站率先采用了这种内置钢板钢筋混凝土剪力墙框架结构。目前，在我国，北京国贸中心三期工程主塔楼结构核心筒底部结构采用了组合钢板剪力墙［1］。

1 钢板混凝土剪力墙的种类

钢板混凝土剪力墙在组成上主要分为:钢框架加内嵌钢板，再在钢板上贴混凝土墙板的偏向于钢结构的钢板混凝土剪力墙;钢框架加内嵌钢板，再整体现浇混凝土的偏向于混凝土结构的钢板混凝土剪力墙。

1.1 偏向于钢结构的钢板混凝土剪力墙

偏向于钢结构的钢板混凝土剪力墙的组成形式及构件大致如图1所示。

图1 偏向于钢结构的钢板混凝土剪力墙组成形式

传统的组合钢板剪力墙，预制混凝土板与钢板叠合在一起，共同抵抗水平荷载。混凝土板与钢板之间通过栓钉连接，且混凝土板与周边框架之间没有缝隙。在水平荷载作用下，混凝土板角部与钢框架发生挤压变形，导致混凝土板角部提前开裂或者压碎，栓钉周围的混凝土在循环往复荷载作用下，也很快压碎剥落。因此在加载后期，失去混凝土板保护的内嵌钢板，表现出和非加劲钢板剪力墙墙板一样的力学性能。

由于传统组合墙有诸多不足之处，Astaneh-Asl A和Zhao Q.H等［2，3］提出了改进型的组合剪力墙。与传统组合墙唯一的区别在于:混凝土板与周边框架留有一定的间隙，从而减弱了混凝土材料的破坏。文中相关试验表明，传统混凝土墙板破坏严重，混凝土基本上都被压碎，而改进型组合墙虽然在加载试验后也有很明显的混凝土压碎情况，但是内嵌钢板却没有像传统剪力墙那样出现明显的面外屈曲现象，表现出了良好的延性和塑性变形能力。

郭彦林等［4，5］第一次提出了防屈曲钢板墙概念。其主要的构造特征是内嵌钢板与钢框架之间通过鱼尾板过渡连接，然后再使鱼尾板与钢板、型钢之间通过焊接或高强螺栓连接。预制混凝土板与内嵌钢板之间通过施加预紧力的高强螺栓进行连接。与Astaneh-Asl A等提出的改进型组合剪力墙不同的就是螺栓杆穿过混凝土墙板的孔洞要大于螺栓杆的直径。试验结果可以看出，此种墙体削弱了内嵌钢板在循环荷载作用下的拉力场效应，使钢板表面拉力场均匀化，同时极限承载力、弹性刚度增加幅度仅在10%左右，但是混凝土墙板一直完好无损。

张素梅等［6］提出将钢板混凝土剪力墙开缝，然后进行了有限元分析研究。分析假定钢板四边简支，结果表明钢板开缝后虽然会导致承载力有所下降，但通过改变开缝参数(如开缝数目和开缝间距等)，可以实现调节其承载力和初始刚度，从而具有良好的抗震性能。

1.2 偏向于混凝土结构的钢板混凝土剪力墙

偏向于混凝土结构的钢板混凝土剪力墙的截面形式大致如图2所示。由于混凝土结构在国外研究较少，所以此方面的研究国外较少开展。

图2 偏向于混凝土结构的钢板混凝土剪力墙组成形式

在国内，孙建超、徐培福等进行了钢板混凝土剪力墙的试验研究［7，8］，试验中钢板与周边型钢采用四周焊接、两侧焊接上下锚筋连接、四周通过连接板连接、四周设锚筋连接、四周设弱连接等连接方式。

试验得出以下结论:

1)钢板与周边型钢的连接越强，墙体承载力越高，但相应地变形和耗能能力就越差，滞回曲线呈现明显的捏拢效应;

2)较低荷载下钢板混凝土剪力墙呈现完全弹性且能够很好地共同工作;随着力不断加大，混凝土开裂位置增多、刚度降低，钢板分配的力逐渐增加，钢筋或钢板陆续进入屈服，混凝土逐步退出工作;达到极限承载力甚至下降时，混凝土已退出工作，钢板单独提供承载能力，已无共同工作性能。

吕西林等［9］进行了钢板混凝土剪力墙的试验研究，主要是钢板混凝土剪力墙的破坏特征、破坏机理以及影响破坏机理的参数等。试验发现:

1)钢筋混凝土剪力墙的高宽比对构件的破坏形式起决定性作用，高宽比为2.0和1.5时分别发生弯曲屈服后破坏、弯剪破坏，墙体耗散能力随高宽比增大而增大;

2)混凝土墙体厚度大的试件变形能力比厚度小的试件大;

3)钢板焊接栓钉的方式比钢板打孔穿拉结筋的方式效果好，钢板上焊接栓钉的试件裂缝发展缓慢，裂缝数量少。

2 目前研究存在的问题

对偏向于钢结构的钢板混凝土剪力墙，其仅利用混凝土墙板作为钢板平面外约束，没有充分利用材料性能。其试验设计未充分考虑钢结构抗火、抗腐蚀等对钢结构的严格要求。预制混凝土墙板的螺栓洞口易形成防火、防腐蚀的薄弱区域，从而造成重要的连接区域因腐蚀、大火等造成破坏。

对偏向于钢板混凝土剪力墙承载能力目前没有可靠的理论计算公式。目前研究成果中的计算公式只是将实验结果进行拟合得出的公式。而由理论模型推出的计算公式，需要进一步的理论分析研究。

3 结语

本文对目前国内外关于钢板混凝土剪力墙的研究进行了简要概述，将目前主流的研究趋势分为两种:即偏向于钢结构的钢板混凝土剪力墙和偏向于混凝土结构的钢板混凝土剪力墙，得到结论如下:

1)对于偏向于钢结构的钢板混凝土剪力墙，逐渐发展为以预制钢板混凝土剪力墙为主流，即混凝土板和钢板之间用高强螺栓连接，使混凝土墙板与钢框架之间留有一定缝隙，仅将混凝土墙板视作内嵌钢板的面外约束的形式。

2)对于偏向于混凝土结构的钢板混凝土剪力墙，逐渐发展为以现浇钢板混凝土剪力墙为主流，使钢板和混凝土能够共同受力和变形。钢板与周边型钢的连接越强，构件的承载力越高，但是其耗能能力越差。构件的高宽比决定了构件的破坏形式。

3)两种类型的钢板混凝土剪力墙中，由于发达国家主要建设高层钢结构，故偏向于钢结构的钢板混凝土剪力墙方面的研究较多，并且也较成熟;偏向于混凝土结构的钢板剪力墙研究较少，只有国内几个试验，且许多用于设计的控制性因素(如钢板的连接形式、钢板厚度的选取等)都对钢板和混凝土共同作用有很大的影响，所以此方面的研究仍需大力开展。

［1］ 郭家耀，郭伟邦，徐卫国，等.中国国际贸易中心三期主塔楼结构设计［A］.第四届海峡两岸及香港钢结构技术交流会论文集［C］.上海:同济大学，2006.

［2］ Astaneh-Asl A.Seismic behavior and design of composite steel plate shear walls［R］.Moraga:Structural Steel Educational Council，2002.

［3］ Zhao Q.H，Astaneh-Asl A.Cyclic behavior of traditional and Innovative composite shear walls［J］.Journal of structural engineering，2004，130(2):271-285.

［4］ 郭彦林，董全利，周 明.防屈曲钢板剪力墙滞回性能的理论与试验研究［J］.建筑结构学报，2009，30(1):31-39.

［5］ 郭彦林，周 明，董全利.防屈曲钢板剪力墙弹塑性抗剪极限承载力与滞回性能研究［J］.工程力学，2009，26(2):108-114.

［6］ 博 一，董 莉，张素梅.开缝和不开缝钢板混凝土剪力墙抗剪性能研究［J］.哈尔滨工业大学学报，2010，42(8):1221-1225.

［7］ 孙建超，徐培福.钢板—混凝土组合剪力墙受剪性能试验研究［J］.建筑结构，2008，38(6):1-5.

［8］ 孙建超，徐培福.不同配筋形式的混凝土剪力墙受剪性能试验研究［J］.建筑结构，2008，38(6):6-10.

［9］ 吕西林，干淳洁，王 威.内置钢板钢筋混凝土剪力墙抗震性能研究［J］.建筑结构学报，2009，30(5):89-96.