钢框架+防屈曲钢板剪力墙结构的应用及设计研究

陈 林， 束伟农， 姜子洵， 孟正炎

(北京市建筑设计研究院有限公司， 北京 100045)

0 概述

早在20世纪70年代，钢板墙就在美国、日本等国家的一些知名建筑中得到应用，并经受过地震考验，表现出良好的抗震性能。如日本东京某钢铁公司采用H形钢板墙组成抗侧力体系(图1)，钢板尺寸约为3 700mm×2 750mm，纵横方向均设置槽钢加劲肋，钢板厚度从4.5～12mm不等，与周边框架焊接。美国加州Sylmar County Hospital，6层，1971年建成，该建筑底部两层为钢筋混凝土剪力墙，上部四层采用了钢板墙结构，钢板厚度16～19mm。此建筑经历了1987年Whittier地震和1994年Northridge大地震，该楼的震害调查发现，其主要受力构件并没有发生破坏，仅钢板四周一些焊缝处产生微小裂纹。

图1 钢板剪力墙在平面上的布置示意

在我国，上海新锦江饭店核心筒、天津津塔大厦核心筒、北京冬奥村人才公寓竖向交通核的周围结构由纯钢板剪力墙组成。墙作为抗侧力构件，采用钢或混凝土两种不同材质会表现出不同特点，对于单片墙，当采用Q355钢或C40混凝土时，两者弹性模量比约为7，抗剪强度在40～50之间，可见在侧向刚度相同的情况下，钢板墙钢板厚度可以缩小到混凝土墙厚的1/7，钢板墙自重则仅为混凝土墙的40%。钢板墙较混凝土墙拥有更高的强度、抗侧移能力及较轻的自重，且延展性强，在高层结构、复杂结构、装配式结构领域，均有更广阔的应用前景。

随着我国经济发展，国家对生态环境提出越来越高的要求，装配式建筑、钢结构建筑因为具有很好的环保特性越来越受到重视。北京市京政办发〔2017〕8号文指出，为深入落实中央城镇化工作会议和中央城市工作会议精神，牢固树立和贯彻落实新发展理念，按照适用、经济、安全、绿色、美观的要求，推动建造方式创新，大力发展装配式混凝土建筑和钢结构建筑，不断提高装配式建筑在新建建筑中的比例。鼓励学校、医院、体育馆、商场、写字楼等新建公共建筑优先采用钢结构建筑，其中政府投资的单体地上建筑面积1万m2(含)以上的新建公共建筑应采用钢结构建筑。

可见，全钢结构体系在我国尤其在北京等大城市里将被大力推广，而钢板墙因为具有自重轻、强度大、能与建筑墙板共用等装配属性将会得到更为广泛的应用。本文结合某采用钢板墙的全钢结构实际工程，对钢板墙设计及应用进行研究。

1 工程概况及结构体系

北京丰台区某新建公共建筑，地上建筑面积约4.3万m2，为顺应大力发展钢结构等装配式绿色建筑的政策需求，工程地上采用全钢结构，地下为混凝土结构，钢柱插入地下1层[1]。由于钢板墙较屈曲约束支撑具有尺寸薄、能兼作建筑墙板等优势。综合考虑，该工程采用钢框架+延性墙板(防屈曲钢板墙)结构体系。

工程地上13层，首层层高6m，其余层层高4.5m；地下3层，地下3层至地下1层层高分别为4，4.5，4.5m。建筑高度61.5m，柱网尺寸为9m×8.4m，首层外轮廓尺寸42.9m×105.8m，呈凹形(图2)，凹口尺寸21m×50m。营业大厅(首层)、中部大厅(2层)分别开17m×26m，21m×35m大洞，建筑横剖面如图3所示。

图2 首层结构平面图

图3 建筑横剖面图

基本风压取0.45kN/m2(50年重现期)，粗糙度类别为C类。抗震设防烈度为8度(0.2g)，Ⅱ类场地土，特征周期0.4s，地震影响系数为0.16，结构阻尼比0.035。

地上楼盖采用主次梁体系，楼板采用钢筋桁架楼承板，楼板厚度为120mm。考虑砌筑隔墙、资料阅览较多，大厅活荷载取5kN/m2，办公活荷载取3.5kN/m2。

钢管框架柱采用Q355C钢，柱为箱形截面，为提高柱抗压能力，内部浇筑C60混凝土，截面尺寸1～6层为650×650×16(20)×16(20)，7层及以上为550×550×16×16；托柱为φ700×1 100的钢管混凝土柱。梁采用Q355B钢，楼内钢梁高450mm，边框梁高600mm，托梁高1 200mm。建筑端部、下部布置刚度大的钢板墙，并加强钢板墙上、下部位的连梁，跨度较大时钢板墙连梁采用1 050mm高的H型钢，跨度较小时钢板墙连梁采用900mm高的H型钢；钢板墙芯材采用Q235B，墙长2.6m、厚250mm。本工程采用的三种类型钢板墙的参数见表1，典型钢板墙框架立面见图4。

表1 钢板墙参数

图4 典型钢板墙立面布置

2 工程难点及解决对策

工程存在楼板开大洞(有效宽度小于50%)、凹凸不规则、竖向构件间断、局部不规则等4项不规则项，属于超限高层建筑[2]。采取如下主要加强措施：

(1)合理布置钢板墙，在建筑横向(短轴方向)，钢板墙设置于两端部、凹形中部与两端连接处或附近、中部楼板开洞两侧，提高了结构抗扭转能力；在建筑纵向(长轴方向)，基本各轴线榀均设一道或两道钢板墙，上部几层适当减少。钢板墙落地到基础。

(2)在凹形中部与两端连接处、中部楼板开洞两侧楼盖处设置面内支撑，加强对薄弱部位的保护。

(3)加强中部大厅托柱、钢桁架托梁等的性能目标，以保证中部大厅结构转换的安全性，主要构件性能目标如表2所示。

主要构件性能目标 表2

3 钢板墙体系计算模型

3.1 规程研究现状

《钢板剪力墙技术规程》(JGJ/T 380—2015)[3](简称钢板墙规程)介绍了非加劲钢板剪力墙、加劲钢板剪力墙、防屈曲钢板剪力墙、钢板组合剪力墙、开缝钢板剪力墙等常见的几种钢板剪力墙形式，按与周边构件连接情况，给出了钢板剪力墙受剪承载力的计算方法、构件的简化计算模型，为实际运用提供了详细的参考。钢板墙规程规定，钢板剪力墙平面布置宜规则、对称，竖向宜连续；明确指出钢板墙仅为抗水平荷载构件、耗能构件，宜按不承受竖向荷载设计计算。钢板墙规程第3.1.4条还指出，罕遇地震作用下，周边框架梁柱不应先于钢板剪力墙破坏。总之，钢板墙规程对钢板墙等相关构件规定得较为详细。钢板墙在结构体系中与其余构件协同工作机理如何，还需根据具体结构情况进行分析，且因钢板墙类型及其与周边构件连接情况的不同，分析结果也有所区别。

本工程采用两边连接防屈曲钢板墙，钢板墙外侧为115mm厚的预制混凝土板，内部钢板厚度按屈服承载力匹配求得，其构造示意图如图5所示。普通钢板墙在水平剪力作用下易发生面外凸起形式的屈曲，滞回曲线会存在明显的捏拢现象。防屈曲钢板墙是指不会发生面外屈曲的钢板剪力墙，由承受水平荷载的钢芯板和防止钢板发生面外屈曲的部件组合而成，通过剪力键与面外约束板件相连，防止芯板面外屈曲，大大改善了其抗震耗能能力。

图5 防屈曲钢板墙构造示意图

3.2 计算模型

根据钢板墙规程附录D，将两边连接防屈曲钢板墙简化为等效交叉杆模型进行计算，模型及其应力-应变关系简图如图6所示。

图6 两边连接防屈曲钢板墙计算模型及其应力-应变关系简图

拉、压杆截面面积A1与屈服强度σy按下式(1)计算：

(1)

其中：

Le=lcosα，Vu=τufLetw

拉、压杆长度l和屈服强度σy，钢板墙宽度Le和初始剪切刚度K0，钢板墙厚度tw和抗剪承载力Vu互相关联，其中拉、压杆屈服强度非钢材强度，拉、压杆非实际钢构件，而为抽象的力学模型，在电算模型的钢板墙位置处输入。

按上述计算模型，本工程结构小震弹性分析主要计算结果如表3所示。可见，通过合理设置钢板墙位置，结构呈现以平动为主的自振特性。此外，结构扭转位移比为X向1.22，Y向1.13。

结构周期及周期比 表3

结构在小震、风荷载作用下的层间位移角如图7所示。可见，小震作用下最大层间位移角为1/440，风荷载作用下最大层间位移角小于1/1 000，设置钢板墙之后，结构刚度增大。

图7 结构在小震、风荷载作用下层间位移角

钢板墙所在跨框架是保证钢板墙发挥耗能能力的关键部位，钢梁又是直接被作用构件，故钢梁更为关键。按照抗震性能设计的概念，钢板墙作为耗能构件，其在大震作用下屈服较多，此时等效交叉杆的应力-应变关系曲线已进入屈服水平段较长，刚度大大削弱，但内力仍处最大状态，钢梁负载非常大。这种状态之下，对钢梁强度要求很高，钢梁不应有较大的变形，否则钢板墙将成为可动的机构而失去作用，从而导致整体结构变形突然增大而有垮塌的风险。按照强柱弱梁的抗震原则，对柱强度要求很高[4]，这将导致钢板墙框架强度过高，从而吸收太多地震力，不太合理。故建立大震下合理的钢板墙框架的计算模型显得尤为重要。

3.3 大震下钢板墙框架工作机理

大震下钢板墙框架工作机理如图8所示，具体阐述如下：1)A，B点只能在大震作用下形成弯矩铰；2)A，B点形成弯矩铰后，A，B点之间梁为简支梁，仍为稳定结构，仍具有较大的刚度、强度；3)钢梁C，D点在大震作用下不能屈服，否则A，B点之间梁形成机构，变形大，钢板墙失去作用点；4)A，B点在大震作用下抗剪亦不能屈服，否则A、B点之间梁成机构；5)若不让A，B点在大震作用下形成弯矩铰，则柱必然出铰，结构不安全，只能将柱做得很强，这将导致框架在大震下仍不屈服，吸收大量地震力且水平变形小，钢板墙效率不高。

图8 钢板墙框架工作机理

综上，A，B点处有必要设类似图9的狗骨节点[5]。这样能保证结构小震弹性，中、大震出现不同程度屈服，同时能使钢板墙首先出现轻微屈服；随其水平变形继续加大，A，B点出现弯矩铰；从而使钢板墙水平变形增大较多，耗能能力发挥较为充分。

图9 梁端狗骨节点

3.4 大震钢板墙框架计算模型

按3.3节大震下钢板墙框架工作机理，假定大震下钢板墙框架中钢梁两端某部位进入塑性状态形成塑性铰，而钢梁其余部位处于弹性状态，钢梁为两端简支梁，交叉杆轴向力作用在简支梁上，钢板墙框架钢柱为不屈服状态。上述假定存在以下特点：1)满足了钢板墙规程提出的大震验算要求，计算过程简洁，钢梁可按交叉杆屈服强度反算，钢梁端部的塑性铰需保证交叉杆屈服力作用下抗剪不屈服；2)保证了强柱弱梁，通过适当的构造使梁端部位削弱，从而保证柱截面正常，整体结构均匀；3)钢板墙的耗能作用也得到充分发挥，大震下保证了结构的抗倒塌能力，结构也能获得附加阻尼比。

按照上述计算假定，绘制钢板墙框架受力示意图(图10)，由力的平衡能确定钢板墙框架截面尺寸(图10)。

图10 钢板墙框架尺寸及受力示意图

4 结构大震动力弹塑性分析

采用MIDAS Gen有限元分析软件进行大震动力弹塑性分析[6]，并与不设置钢板墙的结构体系对比。阻尼比按5%输入，采用两条天然波(T1，T2波)、1条人工波(R1波)，3条地震波时程曲线如图11所示。计算结果取包络值。将3条波时程分析的底部剪力与反应谱分析的底部剪力值(小震有墙模型)进行比较，结果如表4所示。由表4可见，地震波选取符合《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[7](简称抗规)第5.1.2条规定。

图11 地震波时程曲线

表4 时程分析与反应谱分析的结构底部剪力对比

结构大震、小震作用下底部剪力对比如表5所示。由表5可见，大震与小震作用下结构底部剪力比值在3.7～4.4之间。

大震、小震作用下结构底部剪力对比 表5

有钢板墙、无钢板墙两种情况下结构层间位移角结果如图12所示。由图12可见，设置钢板墙之后，大震下结构层间位移角提高明显，X向、Y向层间位移角分别由1/57，1/36提高到1/85，1/88，提高了33%，59%，减震效果明显。

图12 大震作用下结构层间位移角

有钢板墙结构的出铰状态见图13、图14。由图14可得，钢板墙所在榀钢梁靠柱端出铰较多，破损较严重，而钢板墙与钢梁连接部位两端基本不出铰或出铰较少，破损较轻，符合2.3节钢板墙工作机理。

图13 有钢板墙结构出铰状态

图14 钢板墙所在榀框架出铰状态

采用抗规第12.3.4条关于消能部件附加给结构的有效阻尼比计算式(2)进行有钢板墙结构的附加阻尼比的计算，计算得的结构附加阻尼比如表6所示。可见，按抗规相关条文计算的附加阻尼比均大于3%。

结构耗能 表6

(2)

式中：ξa为附加有效阻尼比；Wcj为第j个效能部件在结构预期层间位移Δuj下往复循环一周所消耗的能量，见图15；Ws为结构在预期位移下总应变能。

图15 典型钢板墙滞回曲线

5 结论及建议

本文介绍了钢板墙应用情况，并通过工程实例讲述钢板墙结构体系的设计计算要点。结果表明，通过合理设置钢板墙位置及钢板墙框架截面，使得钢板墙结构体系具有较优的性能，抗侧移能力有很大提高，附加阻尼比较大，大震下出铰位置合理。由于钢板墙类型较多，建议结合工程实际情况，分别采用不同的钢板墙结构体系计算假定进行分析。