组合剪力墙抗震研究

王冬

（长沙有色冶金设计研究院有限公司 湖南 长沙 410000）

组合剪力墙抗震研究

王冬

（长沙有色冶金设计研究院有限公司 湖南 长沙 410000）

超高层建筑结构的剪力墙往往要承担巨大的竖向荷载和地震作用，若采用普通钢筋混凝土剪力墙，其墙体过厚，导致成本增加及结构整体控制困难。因此，研发出承载力高、延性耗能好且施工简便的组合剪力墙是解决此难题的有效途径。本文中提出一种新型组合剪力墙，并采用试验研究的方法对其抗震性能进行了研究。

组合；剪力墙；抗震

引言

超高层建筑的主要抗侧力构件是剪力墙或剪力墙组成的筒体。近年来，随着社会经济的飞速发展和城市用地紧张，建筑高度不断增加，建筑功能需求不断提高，剪力墙性能的要求也随之提高。若仍采用普通钢筋混凝土剪力墙承受巨大的竖向荷载和地震作用，在满足现有规范对轴压比、剪重比等设计要求时，剪力墙的墙体会过厚，导致建筑面积减少、建筑成本增加、结构整体控制困难及结构性价比不高。解决此难题的有效途径是研发出承载力高、延性耗能好且施工简便的组合剪力墙。

随着钢-混凝土组合结构在国内外的研究深入和推广应用，学者们由组合梁、柱良好的力学性能和抗震性能得到启示，提出了一种新型剪力墙——钢-混凝土组合剪力墙。已有研究表明，钢-混凝土组合剪力墙能够充分发挥了钢筋混凝土结构抗侧刚度大和钢结构延性好的优势，避免钢筋混凝土结构延性差、耗能差和钢结构抗侧能力弱、易局部屈曲等缺点，比普通混凝土剪力墙具有更高的承载力和更好的延性。目前对钢-混凝土组合剪力墙研究的构造型式主要有型钢混凝土组合剪力墙、钢管混凝土边框组合剪力墙、单层钢板-混凝土组合剪力墙、双层钢板-混凝土组合剪力墙等四种。其中国内外学者针对型钢混凝土组合剪力墙、钢管混凝土边框组合剪力墙、单层钢板-混凝土组合剪力墙三种构造型式进行了大量的试验研究，并对它们的力学性能和抗震机理进行了较为深入的理论研究，已在实际高层建筑结构工程中应用较为广泛。而针对于双层钢板-混凝土组合剪力墙无论试验研究还是理论研究仍较少，且已有的研究主要应用于防护结构、核电站等特种结构及快速建造的结构，小部分针对超高层建筑结构，相关研究成果表明该类组合剪力墙具有良好的承载力、变形和耗能能力，但其构造形式过于复杂，施工操作困难，工程造价偏高，在实际超高层建筑结构工程应用中较难实现。因此，本文提出一种新型组合剪力墙——组合剪力墙，并对其力学性能和抗震性能进行了试验与理论研究。

组合剪力墙由带约束拉杆双层钢板内填混凝土墙体和钢管混凝土边端柱组成，如图1所示。具有以下优点：

（1）约束拉杆将双层钢板和内填混凝土墙板紧密连结并共同工作，约束拉杆、钢板和钢管混凝土边端柱对内填混凝土提供侧向约束，有效改善内填混凝土的受力性能，改善其强度和延性。

（2）约束拉杆能有效地阻止钢板的向外鼓曲，保证钢板的受力性能得到充分发挥。

图1　组合剪力墙的构造形式

（3）带约束拉杆的钢板剪力墙和钢管混凝土边端柱的协同工作，使组合剪力墙的力学性能得到更充分发挥和改善，承载力更高、延性更好。

（4）采用约束拉杆连接墙两侧钢板，施工方便，传力机制明确。避免了采用加劲肋时墙内侧焊接困难、施工难度大；采用栓钉对钢板和墙内混凝土的约束效果不理想等不足。所以对组合剪力墙研究不仅具有重要的科学价值，而且具有广泛的工程应用前景和重大的社会经济效益。

1　组合剪力墙试验研究

1.1试件设计与制作

根据实验室现有设备技术条件和《建筑抗震试验方法规程》（JGJ101-1996）的规定，设计了5个用于低周往复水平荷载加载的试件W1、W3～W6和1个单调水平荷载加载的试件W2。各试件截面均为矩形，截面尺寸为650mm×80mm，墙体高度1300mm，剪跨比为2.0，左右两端设有80mm×80mm带约束拉杆的钢管混凝土柱作为剪力墙的边缘约束构件（端柱），墙体钢板与钢管通过焊接方式连接，墙体两侧钢板间设置约束拉杆连接。在拼接钢板前，预先在钢板设置约束拉杆处机械冷钻成孔，孔径比约束拉杆直径大2mm，以便约束拉杆穿过。试件钢板和钢管采用同批材料制作，厚度3mm。约束拉杆通过其端部的垫板、螺帽与剪力墙连成一体（如图2）。

1.2试验加载装置及测量方法

采用低周反复水平加载，加载装置如图3所示。在试件的底部设置了刚度和强度均很大的底梁，剪力墙与底梁整体浇筑，这样底梁就约束住了剪力墙试件底部所有的自由度，使试件底部满足固定的边界条件。底梁通过地锚螺栓固定在刚性地板上，并在底梁两端设置千斤顶以防止底梁在加载过程中产生滑移。水平往复荷载由1500kN的MTS液压伺服作动器施加，水平加载点位于墙体顶部加载梁的中心。将水平连接装置固定在加载梁上，再将作动器后端固定在反力墙上，作动器前端与水平连接装置相连。通过水平连接装置给试件施加拉、压往复水平荷载。

图2　试件W1-W4立面

图3　加载装置图

竖向荷载由竖向油压千斤顶提供，通过系统补压实现自动调节或辅助以人工补压以尽可能保证实验全过程中施加轴向力恒定。为了使竖向荷载作用点始终保持在墙顶中心处，并在试验过程中与试件的变形同步同向，在反力梁上安装滑动支座，将一个2000kN千斤顶倒装固定在滑动支座上。在竖向千斤顶与试件之间设置刚性垫梁，以使剪力墙截面产生均匀的压应力。为了避免实验过程中可能发生的平面外失稳，在试件的平面外设置了侧向支撑。该装置为可调节间距的带垂直推力轴承的撑板。侧向支撑固定于刚接的反力刚架上，可保证剪力墙试件在荷载作用平面的自由前后移动，避免发生侧向位移，以尽可能的模拟平面剪力墙的工作条件和受力特点。

1.3试验现象

（1）弹性工作阶段

前期加载时，试件无明显的现象，各试件水平荷载-位移曲线基本呈线性变化，残余变形很小，钢板和约束拉杆的应变小于屈服应变。

（2）屈服阶段

弹性工作阶段过后，试件刚度开始降低，试件水平荷载-位移曲线出现较明显转折点，一直到峰值荷载出现，该阶段定义为屈服阶段。在该阶段，各试件的主要试验现象为钢板与混凝土的界面间局部发生黏结破坏，墙体底部钢板在上下排约束拉杆间出现局部屈曲，墙体底部钢板和约束拉杆的应变值大于屈服应变值。各参数对试件墙体钢板局部屈曲的出现时间和屈曲程度大小有很大影响。随着约束拉杆间距的减小，墙体底部钢板的局部屈曲出现越迟，屈曲程度越轻，峰值荷载对应的位移角越大。与约束拉杆并列式布置方式相比，梅花式布置方式的试件墙体底部钢板的局部屈曲出现越迟，屈曲程度越轻，峰值荷载对应的位移角越大。

（3）破坏阶段

破坏阶段是指试件在峰值荷载过后，承载力开始下降，破坏加剧直至承载力下降至峰值荷载的85%以下，或者试件不能维持所施加的轴向荷载，从而丧失了承载能力。在此阶段，各试件的主要现象是墙体底部钢板局部屈曲进一步加剧，墙端端柱钢管屈曲加剧甚至被撕裂，墙体底部约束拉杆被拉断，残余变形急剧增大，墙体底部钢板和约束拉杆应变值急剧增加。

1.4试验结果分析

①各试件钢管和钢板屈曲均出现在钢管和钢板屈服之后，且在钢管和钢板屈服后，荷载都有很大增长，主要原因是内填的混凝土阻止钢板和钢管向里屈曲，而约束拉杆的约束作用，则改变了钢板和钢管的局部屈曲模态，减缓了局部屈曲的出现，提高了局部屈曲强度；②与试件W4相比，试件W1、W3的水平荷载峰值分别提高了13%、36%，而且试件W1、W3的最终加载位移角分别为1/50、1/33.3也比试件W4的1/75大，表明约束拉杆间距的减小，能更好减缓墙体钢板局部屈曲的发生，提高钢板的局部屈曲强度，提高钢板对混凝土的约束作用，从而明显提高试件的承载力和变形；③与试件W1相比，试件W5水平荷载峰值提高了11%，最终加载位移角也提高到1/33.3，主要是由于与约束拉杆并列式布置相比，约束拉杆梅花式布置改变墙体钢板的局部屈曲模态，更有效地减缓钢板局部屈曲的出现，提高钢板的局部屈曲强度，增强钢板对混凝土的约束作用，从而提高试件的承载力和变形；④对比试件W1、W6可知，在钢板四周加密约束拉杆对试件承载力、变形和延缓钢板的屈曲均没有明显的改善，主要原因是在钢板四周加密约束拉杆不能改变钢板的局部屈曲模态和提高其局部屈曲强度；⑤对比试件W1、W2可知，单调加载试件钢板屈曲时的水平荷载及试件水平荷载峰值较低周往复加载时低，主要原因是钢板在低周往复加载过程中经历了强化阶段。

2　抗震设计建议

（1）超高层建筑结构底部的剪力墙受到巨大竖向荷载和地震作用，为了减小剪力墙的厚度，同时能满足轴压比限值和延性要求，可以采用组合剪力墙。

（2）组合剪力墙的布置宜均匀、对称，且尽可能布置在距离刚度中心较远处，以保证结构后期刚度的均匀对称，减小结构的扭转效应。

（3）为了使组合剪力墙与基础具有良好的锚固，避免组合剪力墙受到巨大水平荷载被拔出，组合剪力墙宜采用埋入式基础，且外侧钢板必须焊接加劲肋或短钢筋等加强锚固的构造措施。

（4）组合剪力墙墙板厚度的最小值可以参考《高层建筑混凝土结构技术规程》对钢筋混凝土剪力墙厚度的相关要求。

（5）组合剪力墙的含钢率取值范围宜为4～12%。

（6）组合剪力墙压弯承载力计算及斜截面承载力计算可以参考本文第四、五章给出的简化计算公式进行设计。

（7）根据相关试验研究，轴压比为0.9时组合剪力墙仍具有良好延性，实际工程考虑各种不利因素影响，建议组合剪力墙轴压比限值取为0.7。

3　结束语

为了更为深入的认识该类新型组合剪力墙的力学性能和抗震性能，作者认为还应该从以下几方面开展研究工作：

（1）进一步通过试验研究分析更多相关参数对该类组合剪力墙滞回性能的影响，修正本文提出的组合剪力墙简化恢复力模型。

（2）进行单层多跨、多层多跨的该类组合剪力墙的试验研究和理论分析，以进一步完善该类组合剪力墙的力学性能和抗震性能。

（3）进行该类组合剪力墙的动力性能研究，以更加深入研究该类组合剪力墙的抗震性能。

（4）进行该类组合剪力墙的耐火试验和理论研究，以了解其耐火性能及火灾作用后的力学性能。

[1]Wallace J.W.Lateral load behavior of shear walls with structural steel boundary columns[J].Composite and Hybrid Structures.LosAngeles，California：Association for International Cooperation and Research in Steel-Concrete Composite Structures，2000：801～809.

[2]聂建国，卜凡民，樊健生.低剪跨比双钢板——混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2011，32（11）：74～81.

[3]卜凡民，聂建国，樊健生.高轴压比下中高剪跨比双钢板——混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2013，34（4）：91～98.

TU398+.2

A

1673-0038（2015）42-0076-03

2015-9-3

王冬（1984-），男，工程师，本科，主要从事结构设计工作。