钢框架+防屈曲钢板剪力墙结构体系在装配式钢结构住宅中的应用*

张爱林，苏 磊，曹志亮，浦双辉，林海鹏

(1 北京工业大学建筑工程学院，北京 100124；2 北京工业大学北京市高层和大跨度预应力钢结构工程技术中心，北京 100124；3 北京建谊投资发展(集团)有限公司，北京 100071)

0 概述

钢框架+防屈曲钢板剪力墙结构体系是一种融合了钢框架和防屈曲钢板剪力墙结构优点的新型结构体系[1]，该体系由边框架、内嵌钢板、预制混凝土板、对拉螺栓、鱼尾板构成。内嵌钢板与框架构成了双重抗侧力体系，其初始刚度和承载力较大，具有良好的耗能能力而被证明是优秀的抗震结构，并且特别适合于高烈度地区[2]。防屈曲钢板剪力墙是在钢板剪力墙的基础上产生的一种新型抗侧力构件，该构件在钢板两侧增加混凝土盖板，采用对拉螺栓将钢板与两块混凝土板连接。在荷载作用下，混凝土板能够抑制钢板剪力墙发生平面外失稳从而形成防屈曲钢板墙，由此提高了钢板剪力墙的抗震性能[3]。在高层钢结构住宅中门窗洞口较多，抗侧力构件布置比较困难，但两边连接屈曲约束钢板剪力墙的平面布置更加灵活，因此许多专家学者近几年在该方向进行了不同的研究[4-5]。

1 研究现状

吴兆旗等[6]推导了适用于不同连接方式的剪力墙的承载力计算公式，提出了保证内嵌钢板完全形成拉力带时端柱的截面要求。刘文洋等[6]提出了两边连接屈曲约束钢板墙的屈服承载力和初始刚度的计算公式。李国强等[8-9]给出了两边连接钢板剪力墙屈曲系数的简化计算公式，确定了约束板刚度要求的设计公式，并提出了约束板的承载力验算方法。范重等[10]提出了一种竖向分块盖板防屈曲钢板剪力墙，该类型剪力墙减轻了单个盖板的质量。郭彦林等[11-12]给出了防屈曲钢板墙结构设计中的混凝土盖板约束厚度及连接螺栓最大间距的参考公式。

在实际工程应用中，钢框架+防屈曲钢板剪力墙结构体系的应用并不是很广泛，也存在一些待解决的问题。本文以首钢二通厂南区棚改定向安置房项目1#住宅楼(24层)为例，对采用钢框架(钢管混凝土柱+H型钢梁)+防屈曲钢板剪力墙的装配式钢结构体系展开研究，并将钢框架+防屈曲钢板剪力墙结构体系与其他相近的结构体系进行了对比分析；同时针对防屈曲钢板剪力墙(图1)在实际应用中存在的问题进行了分析，并提出了应对措施。

图1 防屈曲钢板剪力墙

2 项目概况

首钢二通厂南区棚改定向安置房项目(图2)为装配式钢结构项目，位于北京市丰台区，总建筑面积83 091.33m2，住宅部分包含1#～4#楼。结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度为8度(0.2g)，设计地震分组为第二组，场地土类别为Ⅱ类，场地特征周期0.4s，地面粗糙度类别为B类，基本风压为0.45kN/m2。本文针对该项目典型的1#楼结构体系进行研究。1#楼地下共2层，层高均为3.30m；地上共24层均为标准层(图3)，层高为2.90m，采用了钢框架+防屈曲钢板剪力墙结构体系，框架柱为钢管混凝土柱，梁采用H型钢梁，混凝土强度等级为C40～C70，柱、梁、墙钢材材质均为Q345C，地上楼板厚度为130mm。

图2 建筑效果图

图3 1#住宅楼标准层平面布置图

3 结构体系比选

为研究不同抗侧力构件对结构性能的影响，本文对结构抗侧力构件分别采用防屈曲钢板剪力墙、中心支撑以及组合钢板剪力墙的结构体系进行了计算分析；同时为研究钢板剪力墙的布置对结构整体性能的影响，对防屈曲钢板剪力墙布置在结构外围和外围+分户墙内的情况分别进行了计算分析。设计分析采用YJK软件。

3.1 钢框架+防屈曲钢板剪力墙与钢框架+中心支撑对比

钢框架+防屈曲钢板剪力墙结构体系和钢框架+中心支撑结构体系的计算模型结构平面布置如图4所示。两种结构体系关键技术指标计算结果如表1所示。由表1可知，在结构最大层间位移角与扭转位移比相近且各项指标均能满足规范限值要求时，钢框架+中心支撑结构体系与钢框架+防屈曲钢板剪力墙结构体系相比，用钢量增加约2.8kg/m2，自密实混凝土用量共增加约20m3。

图4 结构平面布置图

此外，由于住宅中结构外围墙开洞较多，不适宜布置中心支撑，支撑只能布置于核心筒及结构分户墙处；同时，由于中心支撑与钢柱之间的夹角为35°～55°时较为合适[13]，因此钢框架+中心支撑结构体系需在原结构布置基础上增加钢柱布置，由此带来的附加梁柱会对建筑功能造成一定程度的影响。

钢框架+防屈曲钢板剪力墙与钢框架+中心支撑结构关键技术指标对比 表1

基于以上分析，钢框架+防屈曲钢板剪力墙结构体系比钢框架+中心支撑结构体系在高层装配式钢结构住宅项目中应用更有优势。

3.2 钢框架+防屈曲钢板剪力墙与钢框架+组合钢板剪力墙对比

钢框架+组合钢板剪力墙结构体系的计算模型结构平面布置如图5所示。钢框架+防屈曲钢板剪力墙结构体系和钢框架+组合钢板剪力墙两种结构体系的关键技术指标计算结果如表2所示。由表2可知，两种结构体系的最大层间位移角均能满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[14](简称高规)和《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[15]中的限值要求(钢框架+组合钢板剪力墙的最大层间位移角限值为1/800，钢框架+防屈曲钢板剪力墙为纯钢结构，最大层间位移角限值为1/250)；在结构受力性能指标均能满足规范限值要求且与限值均相差较小的情况下，钢框架+组合钢板剪力墙在X向和Y向的基底剪力与倾覆力矩均大于钢框架+防屈曲钢板剪力墙结构体系，对底部嵌固端有更高的设计要求；钢框架+组合钢板剪力墙结构体系的结构构件材料用量增加较多，与钢框架+防屈曲钢板剪力墙结构体系相比，用钢量增加约36.4kg/m2，自密实混凝土用量共增加约756m3。

图5 钢框架+组合钢板剪力墙结构平面布置图

此外钢框架+组合钢板剪力墙结构体系中组合钢板剪力墙的加工制作、现场墙内混凝土的浇筑等均会增加施工成本。

基于以上分析，钢框架+防屈曲钢板剪力墙结构体系比钢框架+组合钢板剪力墙结构体系在高层装配式钢结构住宅项目中应用有明显优势。

3.3 防屈曲钢板剪力墙的不同布置位置方案对比

为研究防屈曲钢板剪力墙的布置对结构整体性能的影响，不改变防屈曲钢板剪力墙的尺寸和数量，将部分防屈曲钢板剪力墙的布置位置由结构外围(图4(a))改为外围+分户墙的位置，如图6所示。

钢框架+防屈曲钢板剪力墙与钢框架+组合钢板剪力墙关键技术指标对比 表2

图6 钢框架+防屈曲钢板剪力墙结构平面布置图(外围+分户墙)

两种布置关键技术指标计算结果如表3所示。由表3可知，部分防屈曲钢板剪力墙布置于外围+分户墙的位置时，结构第2振型出现扭转，周期比为0.98，说明此布置方案下的结构抗扭刚度不足；结构X向和Y向最大层间位移角相较于防屈曲钢板剪力墙布置于结构外围时增加61%，且Y向最大层间位移角大于1/250[15]；部分防屈曲钢板剪力墙布置于外围+分户墙的位置时，结构扭转位移比与防屈曲钢板剪力墙布置于结构外围时相差不大。可见，相同尺寸和数量的防屈曲钢板剪力墙布置于结构外围时可以提供较大的刚度，提高结构的抗倾覆能力，减小结构扭转。因此，防屈曲钢板剪力墙布置于结构外围时，结构受力更加合理。

4 防屈曲钢板剪力墙设计存在的问题及应对措施

4.1 钢梁约束条件对钢板剪力墙性能的影响

现有两边连接防屈曲钢板剪力墙受力性能的模拟分析和试验中，均假定钢梁对剪力墙是刚性约束。

防屈曲钢板剪力墙不同布置方案关键技术指标对比 表3

国内规范中也未对钢梁的刚度做出具体要求。美国规范[16]中对四边连接的钢板非加劲钢板剪力墙，要求与剪力墙连接的梁惯性矩Ib不小于0.003 1L4/h，其中L为约束墙的柱中心线距离，h为约束墙的柱轴线距离，由此可知，剪力墙的受力性能与钢梁的刚度有密切关系。

为此，本文分析了与剪力墙连接的钢梁对钢板剪力墙受力性能的影响，针对本项目中的防屈曲钢板剪力墙和与之对应的框架梁柱，利用ABAQUS软件进行了整体水平静力有限元分析，并与梁刚度无限大的分析结果以及规范计算结果进行对比。

有限元模型材料为Q345C钢材，框架柱截面为□400×400×16×16(内灌混凝土)，框架梁截面为H500×200×12×20，钢板剪力墙尺寸为-2 400×1 250×12。钢板剪力墙承载力Fw通过带剪力墙的框架承载力Fc(图7(a))与有限元分析得到的纯框架承载力Ff(图7(b))相减得出，如式(1)所示。

图7 有限元模型

Fw=Ff-Fc

(1)

剪力墙的设计承载力及设计刚度分别根据式(2)和式(3)[17]计算。钢板剪力墙有限元分析的荷载-位移曲线与规范值对比如图8所示。

图8 钢板剪力墙荷载-位移曲线

(2)

(3)

式中：Kw为钢板剪力墙的设计刚度；E为钢材的弹性模量；tw为钢板剪力墙厚度；ν为泊松比。

由图8可知，普通梁时剪力墙设计刚度Kw=78kN/mm，刚性梁时剪力墙设计刚度Kn=175kN/mm，两者相差124%，由此可知，梁的刚度对钢板剪力墙的极限承载力、抗侧移刚度有着明显影响，尤其是对钢板剪力墙弹性阶段的抗侧移刚度影响最为显著。由图8中规范值与刚性梁计算值对比可以看出，根据式(3)计算得到的抗侧移刚度与梁刚性假定时基本一致。不管梁是否刚性假定，设计承载力均低于刚性梁和普通梁的结果；梁的刚度对剪力墙的抗侧移刚度有一定程度的影响。实际工程设计中，由于梁柱截面及剪力墙规格不同对剪力墙的受力性能影响程度不同，应根据具体情况考虑梁刚度对剪力墙抗侧移刚度的影响大小。

以上结论仅适用于本项目中的梁墙规格、楼板约束条件。当以上参数发生变化时，该问题需要重新研究。

4.2 钢板剪力墙对钢梁的影响

文献[4]分析了带边框的两边连接防屈曲钢板剪力墙与等代支撑简化模型，无论何种情形，剪力墙两端对应梁的位置处均有较大的应力。为了研究钢板剪力墙对连接钢梁的影响，本文建立3组不同参数的有限元模型分析钢梁的受力状态变化，分别为普通梁框架模型(图9(a))，局部加劲肋框架梁模型(图9(b))和局部加劲肋以及梁腹板加厚的框架模型(图9(c))。

图9 钢梁应力分析结果/MPa

由图9(a)可知，在一定的位移作用下，与剪力墙相连的区域钢梁腹板有较大的主应力；当钢梁在此区域设置局部竖向和横向加劲肋时，该区域应力有所减小，如图9(b)所示；当进一步加厚钢梁腹板时，该区域的最大应力有明显的减小，如图9(c)所示。因此，为了减小钢板剪力墙对钢梁局部的影响，在与剪力墙相连区域的钢梁腹板设置了加劲肋并且加大了钢梁腹板厚度。

5 结论

(1)钢框架+防屈曲钢板剪力墙结构体系相较于钢框架+中心支撑结构体系和钢框架+组合钢板剪力墙结构体系，布置更加灵活，更适用于门窗洞口较多的高层装配式钢结构住宅建筑。

(2)钢框架+防屈曲钢板剪力墙结构体系与钢框架+组合钢板剪力墙结构体系相比，底部剪力、倾覆力矩等较小，对嵌固端要求更低，结构的用钢量和混凝土用量更少，施工成本更低。

(3)防屈曲钢板剪力墙的布置对结构扭转影响较大，相同尺寸和数量的防屈曲钢板剪力墙布置于结构外围时可提供较大的刚度，增加结构抗倾覆能力，减小结构扭转。

(4)钢框架+防屈曲钢板剪力墙结构体系中梁的刚度对剪力墙的抗侧移刚度有一定程度影响，并随着梁柱截面及剪力墙规格不同影响程度不同。因此在实际工程中，应具体分析梁刚度对剪力墙抗侧移刚度的影响，可进一步展开对两者数值关系的研究。

(5)受钢板剪力墙的影响，与剪力墙相连的区域钢梁腹板存在较大的主应力。在该区域设置加劲肋和加厚腹板能够有效减缓该区域梁的应力，减小钢板剪力墙对钢梁局部的影响。