装配式钢板剪力墙结构抗震性能研究综述*

郁银泉，马晓飞,，张爱林，王 喆

(1 中国建筑标准设计研究院有限公司，北京 100048；2 北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044)

0 引言

推广应用装配式钢结构建筑产品，有利于推动实现新型建筑工业化。我国每年80%以上的新建建筑为高耗能建筑，单位建筑面积能耗是发达国家的2倍以上，同时每年产生建筑垃圾近15亿t，建筑施工和运送过程中产生的建筑垃圾成为了城市主要污染源之一。另外，作为世界上建筑规模、钢材产量最大的国家，钢结构建筑面积仅占总建筑面积的5%～7%，钢结构建筑的发展严重滞后。

装配式钢结构不仅可以实现标准化设计、工厂化生产、装配化施工，还可以改变建造方式，促进行业转型升级，实现施工精益化、建筑工业化[1-2](图1)。

图1 装配式钢结构节点模型和现场施工图

装配式钢板剪力墙结构作为装配式钢结构的重要组成部分，具有自重轻、运输便捷、施工高效等特点，同时能够适应现代结构的大型化、高层化、多样化发展趋势，满足建筑的安全性、美观性以及空间使用上的需求，由此装配式钢板剪力墙结构得到了快速的发展[3]。

另外，中国处在环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震频发，地震强度大。为了提高建筑的抗震减灾能力、构建可持续发展的城市和社区，结构需在塑性变形能力、耗能性能、可修复性能等方面得到提升。装配式钢板剪力墙结构具有强度高、耗能佳、承载力和刚度稳定、延性和抗侧移性能好等特点，适宜应用在我国这样地震多发的国家。

鉴于装配式钢板剪力墙结构的特点，本文对装配式钢板剪力墙结构的基本原理进行了介绍，对各类装配式钢板剪力墙结构的抗震性能研究现状和装配式钢板剪力墙结构的发展趋势进行了归纳与总结，并对该结构的发展方向进行了展望。

1 装配式钢板剪力墙基本原理

装配式钢板剪力墙作为一种结构的抗侧力构件，主要承担水平荷载，配合水平连接单元(梁)和竖向连接单元(柱)形成装配式钢板剪力墙结构体系。

装配式钢板剪力墙与水平连接单元和竖向连接单元通过螺栓和连接构件连接，在水平连接单元和竖向连接单元的有效约束作用下承担结构提供的水平荷载。在地震力作用下，装配式钢板剪力墙将承受的水平地震荷载转化为薄钢板的斜向拉力、压力或厚钢板的剪力[4-5]，薄钢板剪力墙和厚钢板剪力墙受力示意如图2所示。最终，剪力墙在荷载作用下发生屈服，消耗水平地震荷载，形成第一道抗震防线，保护主体结构体系。

图2 钢板剪力墙受力示意图

2 装配式钢板剪力墙及其结构抗震性能研究现状

2.1 装配式钢板剪力墙抗震性能研究现状

最初的钢板剪力墙直接采用整块钢板形成剪力墙，为结构提供抗侧移能力，没有考虑钢板的屈曲后性能，钢板剪力墙的性能没有得到有效的发挥。直到1931年，WAGNER[6]在航空航天领域研究中发现了钢板的屈曲后性能，此后钢板剪力墙屈曲后性能和拉力带承载机制逐渐被人们认知，对钢板剪力墙的研究也由原来的厚钢板剪力墙转化为薄钢板剪力墙。

薄钢板剪力墙屈曲后对边界连接单元产生较大的附加荷载，造成后者提前破坏。需要增加边界连接单元构件截面尺寸来为剪力墙提供约束力，但是这样提高了结构整体的成本。同时，钢板的屈曲使得剪力墙滞回曲线呈现捏缩，整体耗能性能不佳[7]。

为了实现新型建筑工业化、解决剪力墙的屈曲问题、减小剪力墙对边界连接单元的附加荷载，同时提高其抗震性能，学者们对装配式钢板剪力墙进行了不同的改进和创新。

2.1.1 装配式开孔钢板剪力墙

装配式开孔钢板剪力墙是在原有的纯钢板剪力墙上开一个或多个排列有序的孔，可以改善剪力墙的抗震性能，同时有效地满足建筑功能需求。

在ROBERTS等[8]的研究基础上，VALIZADEH等[9]对采用螺栓连接中心开圆孔的钢板剪力墙进行拟静力试验，其试验破坏模型和滞回曲线如图3所示。结果表明，开孔后的装配式钢板剪力墙耗能能力及延性性能均有所提高，滞回性能稳定。但是，板厚的进一步减小和开孔直径的进一步增大，使得钢板剪力墙容易发生屈曲，造成滞回曲线的捏缩，降低了钢板剪力墙的耗能能力。

图3 装配式开圆孔钢板剪力墙试验模型和滞回曲线

EMAMYARI等[10]对装配式开孔加劲钢板剪力墙进行了抗震性能试验研究。结果表明，加劲开孔的装配式钢板剪力墙抗震性能得到明显改善，其中采用AISC型加劲肋的开孔钢板剪力墙与纯钢板剪力墙抗震性能基本一致。同时，得到菱形加劲肋开孔钢板剪力墙延性较差，不建议采用。装配式开圆孔加劲钢板剪力墙试验破坏模型和滞回曲线如图4所示。

图4 装配式开圆孔加劲钢板剪力墙试验模型和滞回曲线

MATTEIS等[11]对开圆孔的低承载力钢板剪力墙进行了抗震性能优化，分析了不同参数对该剪力墙滞回曲线捏缩的影响，提出了相应的承载力设计公式，其试验破坏模型及滞回曲线如图5所示。

图5 装配式开圆孔低承载力钢板剪力墙试验破坏模型和滞回曲线

开孔虽然削弱了钢板剪力墙的承载力和刚度，但在设计中可以使薄钢板剪力墙的厚度增加，减少剪力墙的屈曲变形，增强延性和耗能性能，改善剪力墙的整体抗震性能。

为了改善装配式开孔钢板剪力墙的抗震性能、减少平面外屈曲，HAMED等[12]对细胞增大型装配式开孔钢板剪力墙进行了有限元分析和试验研究，剪力墙试验模型如图6所示。研究结果表明：哑铃形开孔钢板剪力墙和凹角蜂巢形开孔钢板剪力墙的抗震性能较好；增加剪力墙中结构单元的数量可以有效降低整体剪力墙的平面外屈曲变形。

VALIZADEH等[13]提出一种装配式蝶形连杆钢板剪力墙，并对该钢板剪力墙进行了抗震性能试验研究，该钢板剪力墙试验模型如图7所示。结果表明，蝶形连杆的几何属性是整个钢板剪力墙的刚度和承载力的有效参数。该构造有效降低了装配式钢板剪力墙的平面外屈曲，同时其滞回曲线的捏缩得到改善，耗能能力提高。

图7 蝶形连杆钢板剪力墙试验模型

细胞增大型装配式开孔钢板剪力墙和蝶形连杆装配式钢板剪力墙都是结合阻尼器形成的新型装配式钢板剪力墙，研究二者的目的是提高剪力墙的耗能性能，并且经分析研究后得到了耗能性能较好的研究结果。

2.1.2 装配式带缝钢板剪力墙

带缝钢板剪力墙是在纯钢板剪力墙上开竖向裂缝，形成一条条竖向板带，使得竖向板带受弯或者受弯剪屈服破坏，提高了剪力墙的抗震性能，降低了钢板剪力墙屈曲附加给边界连接单元的荷载。带缝钢板剪力墙有效地改善了钢板剪力墙在水平荷载作用下的屈曲破坏和滞回性能。

HITAKA等[14]首先提出了带缝钢板剪力墙，并通过角钢和螺栓将其连接到边界连接单元梁上，并对其抗震性能进行了一系列试验研究。结果表明：带缝钢板剪力墙抗震性能良好；单条板带的宽厚比是影响该剪力墙抗震性能的关键因素。

CORTES G等[15]对高宽比为2的带多层缝装配式钢板剪力墙框架进行了试验研究，其试验模型及滞回曲线如图8所示。结果表明：带多层缝装配式钢板剪力墙框架抗震性能良好；框架对带多层缝钢板剪力墙的承载力和刚度影响较大；带缝钢板剪力墙的抗震性能与带缝钢板剪力墙框架的抗震性能不同。

图8 带多层缝装配式钢板剪力墙试验模型和滞回曲线

针对带缝钢板剪力墙板带端部撕裂和屈曲破坏问题，HE等[16]提出了低屈服点多层竖缝装配式钢板剪力墙，并对其进行了抗震性能研究，得出该钢板剪力墙滞回曲线饱满、板带不撕裂的良好试验结果。

LU等[17]对不等长开缝装配式钢板剪力墙进行了1/3缩尺抗震性能试验和有限元研究，并对比了等长开缝钢板剪力墙的抗震性能，剪力墙试验模型如图9所示。结果表明，不等长开缝钢板剪力墙的抗侧刚度、耗能性能和延性均好于等长开缝钢板剪力墙。

图9 不等长开缝装配式钢板剪力墙试验模型

2.1.3 装配式加劲钢板剪力墙

将加劲肋通过螺栓连接到钢板剪力墙上，形成装配式加劲钢板剪力墙，提高了剪力墙的面外刚度和承载能力，改善了钢板剪力墙的屈曲和滞回曲线的捏缩现象。

WANG等[18]对采用冷弯型钢“帽子”形构件作为竖向加劲肋的装配式钢板剪力墙进行了抗震性能研究，试验破坏模型如图10所示。结果表明，该钢板剪力墙采用的“帽子”形加劲肋有效地约束了剪力墙的平面外屈曲，改善了剪力墙的抗震性能，并针对该装配式剪力墙提出了相应的承载力计算公式。

图10 竖向加劲钢板剪力墙试验破坏模型

XU等[19]对竖向封闭截面加劲肋钢板剪力墙的抗弯刚度进行了研究，提出了封闭截面加劲肋的抗弯需求刚度计算公式，公式考虑了弹塑性屈曲应力，可以有效地计算弹塑性屈曲刚度临界值。

CAO等[20]通过螺栓将X形正交加劲肋连接到钢板剪力墙两侧，形成装配式X形加劲肋钢板剪力墙，试验破坏模型如图11所示。有限元和抗震性能试验研究结果表明：被X形加劲肋分割开的剪力墙板块的高厚比是该装配式钢板剪力墙的力学性能控制指标；与无加劲肋钢板剪力墙相比，该装配式钢板剪力墙的屈曲荷载、极限承载力和耗能分别至少提高了17%，5%和7%，X形加劲肋有效地改善了剪力墙的抗震性能；随着剪力墙的高厚比降低，该剪力墙X形加劲肋的约束效率提高到92%。

图11 装配式X形加劲钢板剪力墙试验破坏模型[20]

YU等[21]提出了一种无焊接螺栓连接的密肋装配式钢板剪力墙，其试验模型如图12所示。有限元分析和试验研究结果表明：该无焊接装配式钢板剪力墙的面外屈曲得到了有效的约束，剪力墙的层间位移角和平面外变形分别降低了14.7%和57%；采用的密肋有效地提高了剪力墙的动力性能。

图12 无焊接螺栓连接密肋装配式钢板剪力墙试验模型[21]

2.1.4 装配式低屈服点钢板剪力墙

钢板剪力墙采用低屈服点钢材后，使得剪力墙的屈服荷载降低至屈曲荷载以下，从而使钢板剪力墙先发生屈服破坏，进入塑性，吸收耗能，有效地防止了剪力墙发生屈曲失稳破坏。

剪力墙剪切屈曲荷载公式[22]如下：

(1)

其中，

(2)

(3)

(4)

式中：Fcr为剪力墙剪切屈曲荷载，kN；E为钢材弹性模量，N/mm2；G为剪切模量，N/mm2；μ为泊松比；t为钢板剪力墙厚度，mm；η为塑性折减系数；kv为剪力墙屈曲系数；a和b为剪力墙边界约束构件长度，a>b，mm。

CHEN[22]，ZIRAKIAN等[23]对屈服点为100MPa的钢板剪力墙进行了抗震性能研究，得出低屈服点钢板剪力墙有良好的变形能力和耗能性能，并提出了钢板剪力墙与框架的相互作用试验模型。CORJI等[24]对屈服点为180MPa的钢板剪力墙进行了抗震性能试验和有限元研究。结果表明该低屈服点钢板剪力墙呈现出良好的刚度、延性和耗能性能，滞回性能稳定。

2.1.5 装配式波形钢板剪力墙

装配式波形钢板剪力墙自身特有的构造使得该剪力墙在平面外具有较强的刚度，减小了平面外变形，同时提高了剪力墙的承载能力和屈曲荷载，剪力墙屈服荷载低于屈曲荷载，达到剪力墙屈服破坏耗能、改善剪力墙的抗震性能的目的。

BERMAN等[25]采用角钢和螺栓将波形钢板连接到边界框架形成装配式波形钢板剪力墙，并对0.7mm厚轻质波形钢板剪力墙进行了抗震性能研究，试验破坏模型及滞回曲线如图13所示。结果表明该装配式钢板剪力墙延性和耗能性能良好，同时剪力墙降低了对边界连接单元的要求。

图13 装配式波形钢板剪力墙试验破坏模型和滞回曲线

ZHANG等[26]对冷弯薄壁开孔波形钢板剪力墙进行了抗震性能试验和有限元研究。结果表明，该开孔波形钢板剪力墙的抗震性能良好，较无孔波形钢板剪力墙，延性提高了81%，承载力仅降低22%。并提出开孔波形钢板剪力墙可以应用到大风和高抗震烈度区域。TONG等[27]对双波形钢板螺栓连接的剪力墙进行了抗剪承载力研究，详细地分析了横向和竖向布置波形钢板剪力墙的屈曲性能和抗剪承载能力，并提出了相应的设计建议。

2.1.6 装配式屈曲约束钢板剪力墙

在钢板剪力墙的一侧或两侧设置侧向约束构件，如钢筋混凝土板等，形成屈曲约束钢板剪力墙。屈曲约束钢板剪力墙的面外约束构件，不会过早的发生破坏。在受力过程中，约束构件始终约束着钢板的面外变形，充分发挥钢板的耗能能力，大大改善了钢板剪力墙滞回曲线捏缩的不利现象[28]。屈曲约束钢板剪力墙在同侧或两侧采用一块或多块钢筋混凝土板作为约束构件，约束构件还可以作为钢板的隔热保护层，使钢板不再需要额外防火保护措施，同时还起到隔声作用。

HAN等[29]提出了采用多块钢筋混凝土板作为约束构件的装配式屈曲约束钢板剪力墙，试验模型如图14所示。对该装配式屈曲约束钢板剪力墙的抗震性能进行有限元和试验研究，结果表明多块钢筋混凝土屈曲约束钢板剪力墙的抗震性能较传统单块钢筋混凝土屈曲约束钢板剪力墙的钢筋混凝土板破坏更少，边界连接梁、柱荷载需求更小。

图14 装配式多屈曲约束板的钢板剪力墙试验模型

为了进一步增强剪力墙的耗能性能，将屈曲约束钢板剪力墙的内板开斜槽，通过螺栓连接到梁柱形成装配式屈曲约束钢板剪力墙，试验模型[30]如图15所示。该装配式屈曲约束钢板剪力墙相当于多个斜向平行放置的屈曲约束支撑，具有良好的耗能性能。

图15 装配式开斜槽屈曲约束钢板剪力墙试验模型和滞回曲线

2.2 部分连接装配式钢板剪力墙抗震性能研究现状

将钢板剪力墙部分连接到边界连接单元上，可以有效地降低边界连接单元的附加荷载，减小边界连接单元截面尺寸，降低结构建造成本。目前部分连接装配式钢板剪力墙的形式分为四边部分连接装配式钢板剪力墙和两边连接装配式钢板剪力墙两种。

2.2.1 四边部分连接装配式钢板剪力墙

四边部分连接装配式钢板剪力墙是将钢板剪力墙的每一条边的角部通过螺栓和连接板件连接到边界连接单元梁和柱上，形成边界连接单元梁柱节点处连接，释放梁柱中间连接区，实现四角连接。

WEI等[31]提出一种四边部分连接装配式屈曲约束钢板剪力墙，其试验模型及滞回曲线如图16所示，该剪力墙相当于X形屈曲约束支撑。通过试验和有限元研究，得出该四边部分连接的装配式钢板剪力墙抗震性能良好。

图16 四边部分连接装配式屈曲约束钢板剪力墙试验模型和滞回曲线

2.2.2 两边连接装配式钢板剪力墙

将钢板剪力墙仅连接在边界连接单元梁上，实现钢板剪力墙的两边连接，使得边界连接单元柱不再附加剪力墙的荷载。同时，由于上下相邻两层剪力墙在同一边界连接单元梁上连接，使得剪力墙附加在梁上的荷载抵消，同样实现了边界连接单元梁附加剪力墙荷载为零的目的。这样，可以有效地减小两边连接装配式钢板剪力墙的边界连接单元梁、柱的截面，降低结构建造成本。

LIU等[32]对两边连接装配式屈曲约束钢板剪力墙进行了力学性能研究，并提出了该两边连接屈曲约束钢板剪力墙的抗剪承载力设计公式。ZHANG等[33]提出一种两边连接的装配式钢板剪力墙，该装配式剪力墙通过多角钢和螺栓连接到边界梁上，试验破坏模型及滞回曲线如图17所示。对该装配式钢板剪力墙进行了抗震性能试验研究，结果表明该装配式钢板剪力墙抗震性能良好。

图17 两边连接装配式钢板剪力墙和滞回曲线[33]

2.3 装配式钢板剪力墙结构抗震性能研究现状

装配式钢板剪力墙的抗震性能优劣对整体结构的抗震性能起到关键作用。同时，装配式钢板剪力墙整体结构的抗震性能优劣也代表着装配式钢板剪力墙良好的抗震性能是否得到有效发挥。

NIE等[3]对5层2跨的装配式钢板剪力墙框架结构进行了抗震性能研究，结果表明该装配式框架剪力墙结构体系具有良好的延性和耗能性能，试验破坏模型如图18(a)所示。DOWDEN等[34]对装配式自复位钢板剪力墙框架结构进行了振动台试验研究，实现了结构的自恢复功能，同时提高了抗震性能，试验模型如图18(b)所示。QU等[35]对带削弱梁的钢板剪力墙框架结构进行抗震性能试验研究，同时考虑到楼板的影响，得出钢板剪力墙更换后整体结构的抗震性能良好，没有严重破坏，可实现震后快速更换的目的。GE等[36]对装配式密肋钢板剪力墙框架结构进行了振动台试验研究，结果表明该剪力墙框架结构抗震性能良好。

图18 装配式钢板剪力墙结构试验模型

3 装配式钢板剪力墙结构发展趋势及展望

自20世纪70年代以来，剪力墙作为抗侧力构件开始被应用到建筑结构当中，并受到了广泛的关注。随着新型建筑工业化的不断发展，装配式钢板剪力墙结构得到大量的应用，对其发展趋势的总结如下：

(1)发展装配式钢板剪力墙结构是实现新型建筑工业化的有效途径。装配式钢板剪力墙结构的应用符合全寿命周期绿色发展理念，可以推动建造方式转型、建筑高质量发展，是今后我国建筑领域发展方向之一。

(2)装配式钢板剪力墙结构具有良好的抗震性能、抗侧移能力和耗能性能，由此被应用在高层建筑和高烈度区域，是高层和高烈度区域结构抗震的重要支撑。

(3)加快新型装配式钢板剪力墙结构体系研发。为了进一步改善钢板剪力墙滞回曲线捏缩现象，适应现代钢结构的大型化、高层化、多样化发展，同时满足建筑的安全性、美观性以及空间使用上的需求，装配式钢板剪力墙结构体系的创新具有重要意义。

装配式钢板剪力墙结构作为装配式钢结构不可或缺的支撑单元，起到十分关键的作用。装配式钢板剪力墙结构在不断创新，对其发展有如下展望：

(1)装配式钢板剪力墙结构应具备震后可恢复功能。现代建筑不仅要满足地震发生时保护好生命安全的要求，而且应能保证震后灾区生活和生产得到快速恢复。装配式钢板剪力墙结构可通过更换构件实现震后快速修复功能。

(2)装配式钢板剪力墙结构应结合减震技术，既能抵抗水平地震荷载，又具备耗能减震功能。将抗侧移能力和高耗能能力相结合，实现装配式钢板剪力墙结构的抗震、减震功能，从而减少建筑物和建筑物上设备的破坏，减少经济损失。

4 结语

装配式钢结构作为全寿命周期绿色建筑，是新型建筑工业化的重要体现，得到国家的大力支持和推广。装配式钢板剪力墙结构是装配式钢结构应用在高层和高烈度区域的重要体现。

具备可恢复功能的全装配式钢板剪力墙结构与减震技术联合应用，不仅使结构具有良好的抗震性能，而且具有消能减震功能，同时使结构在强震作用下更换破坏剪力墙单元，实现建筑功能和设备震后快速恢复使用的目标，值得我国工程技术人员学习和研究。