双层波形钢板混凝土组合剪力墙的稳定性设计及可行性研究

张 驰

（黄河科技学院应用技术学院，河南 济源 459005）

0 引言

双层波形钢板混凝土组合剪力墙作为一种新型抗侧力结构形式，在改善高层建筑抗侧刚度方面显示出良好的应用前景[1]。当前的研究主要集中在该墙体的受力性能和构造优化，而关于施工可行性分析还较少。本文通过对某具体工程项目的分析，验证双层波形钢板混凝土组合剪力墙在实际施工过程中的可行性[2]。研究结果可为类似项目的设计与施工提供参考借鉴。

1 工程概况

案例项目建筑总高度为130m，地上29 层，地下2层，建筑面积约22000m2。其中地上1～3层为商业用房,4～29层为写字楼。地下室为设备用房和停车场。结构体系采用钢混组合结构，地下室外框架采用C50 混凝土；地上1～3 层采用钢管混凝土柱、钢横梁的框架结构；4 层以上采用钢筋混凝土核心筒、混凝土外框架及部分钢支撑的框架-核心筒结构。建筑抗侧力体系由4个剪力墙组成，位于东西侧的2 个剪力墙采用双层波形钢板与混凝土组合墙体。该剪力墙自地面以上26层，墙体总高度为80m，厚度为600mm。内外两层钢板均采用波形钢板，厚度分别为2mm、3mm，波形轮廓高度为120mm。钢板与混凝土短柱采用横联锚固连接。混凝土强度等级为C50。该双层波形钢板混凝土组合剪力墙在结构设计中发挥了重要作用，保证了建筑的整体侧向刚度和抗侧力性能。但其稳定性需要通过严格的施工流程控制来实现，以发挥出最佳的性能[3]。

2 剪力墙方案设计

剪力墙是现代建筑中常用的结构元素，在抵御地震和风荷载中起到关键作用[4]。在该工程中采用了双层波形钢板混凝土组合的剪力墙设计方案，具体设计参数见表1，并根据表1的参数进行材料挑选。

表1 剪力墙设计参数表

（1）钢板的选择。采用Q345qD 钢板作为剪力墙的关键材料，其中内层钢板厚度为2mm，外层为3mm，确保了其出色的机械性能和耐腐蚀性。

（2）混凝土的选择。选择C50 级混凝土，并加入了最大粒径为31.5mm 的碎石，以增强其抗裂性能。在结构的截面设计中，剪力墙的总厚度达到600mm，由两层钢板和中间的混凝土组成，两层钢板之间的距离为550mm，为浇注混凝土预留50mm的空间。此外，混凝土短柱的高度设计为1.2m，进一步增强整体稳定性。

（3）箍筋设计。箍筋也是该结构的一个关键部分，选择了Φ10mm、Φ12mm 和Φ14mm 作为箍筋的直径，并根据结构的需求设置100mm 和50mm 的间距。此设计旨在提供足够的支撑和约束，确保混凝土的稳定性。

（4）边界处理。在剪力墙的底部焊接隅角钢，确保与基础的稳固连接。顶部则焊接沟槽钢，与楼板螺栓连接，而两侧边界则焊接边角钢，与混凝土核心筒形成紧密的连接。总之，这种综合的剪力墙设计方案旨在确保建筑的稳定性、耐久性和安全性，每一个设计细节都是为了满足这些核心要求。

3 施工工艺流程及技术要点

双层波形钢板混凝土组合剪力墙工程实施的关键问题在于如何确保钢板与混凝土之间的高质量结合[5]。为此，精心设计施工流程及各流程的技术参数：钢板预制装配—TEMPLATE 横联锚固—混凝土浇筑—预埋件安装—质量检测。

（1）钢板预制装配。在工厂进行钢板的预制装配，确保波形钢板的尺寸精度。现场工作主要集中在焊接隅角钢和沟槽钢上，这不仅提高了施工精度，还确保了钢板的刚度。

（2）TEMPLATE横联锚固。TEMPLATE横联锚固系统通过高强螺栓将钢板与混凝土短柱机械连成一个整体，大大提高剪力墙的整体稳定性。

（3）混凝土浇筑。混凝土浇筑采用振捣技术，并选择了C40等级的碎石混凝土，确保混凝土与钢板之间的紧密结合，并增强其抗裂性能。

（4）预埋件安装。在钢板与混凝土之间预埋连接螺栓等部件，以便于安装边角钢和饰面板。

（5）质量检测。为了确保工程质量，采用B超技术对结合面进行检测，并及时处理发现的问题。

施工过程的具体工艺参数见表2。

表2 双层波形钢板混凝土组合剪力墙施工参数

4 材料性能试验

4.1 材料性能指标

为了确保整体结构的稳定性和安全性，需要确定各种材料的性能指标，主要的材料及其性能指标见表3。从表3可以看出，选择的Q345qD钢板、C50混凝土、高强螺栓和HRB400钢筋都具有出色的性能指标，满足剪力墙的设计要求。

表3 材料性能指标

4.2 抗压性能试验

为确保混凝土的质量和强度满足设计要求，按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）进行轴向压缩试验，旨在验证混凝土的抗压强度是否达到预期。使用C50 混凝土制备标准尺寸为150mm×150mm×150mm的混凝土试块，混凝土的配合比经过精心设计，确保其坍落度和强度。试块在标准条件下养护，直到达到设计强度。在试验中使用最大加载为1000kN 的压力试验机，并且确保加载速率的稳定。试验结果如表4所示。

表4 混凝土抗压试验结果

从表4 可以看出，2 个试块的实际抗压强度均超过了C50混凝土的设计指标，说明选用的混凝土材料不仅满足剪力墙混凝土的强度设计要求，而且还有一定的安全余量，这为后续的工程施工和使用提供坚实的保障。

4.3 抗剪性能试验

为了确保混凝土在受到剪切力时的稳定性和安全性，使用经过精心配比设计的C50混凝土制备标准尺寸为150mm×150mm×150mm 的混凝土试块，并按照《混凝土结构试验方法标准》（GBT 50152-2012）进行抗剪试验，以验证混凝土抗剪强度是否满足设计要求。试验结果见表5。

表5 混凝土抗剪试验结果

从表5 可以看出，2 个试块的抗剪强度均满足设计要求，表明选用的混凝土材料在受到剪切力时具有良好的稳定性和安全性。

结合轴向抗压、抗剪试验结果，可以得出结论：所选用的混凝土不仅在受到压力时具有高强度，而且在受到剪切力时也表现出色。

5 组合剪力墙工程性能有限元分析

5.1 计算模型

为了准确模拟双层波形钢板混凝土组合剪力墙的工程性能，采用有限元分析软件建立数值计算模型，综合剪力墙的几何、材料、载荷和计算参数，确保计算的准确性和可靠性。具体参数见表6。

表6 剪力墙计算模型参数

从表6可以看出，这些参数是基于实际工程情况和材料特性选择的，确保了模型的真实性。选择了弹塑性模型来描述钢板的性能，因其能够准确地模拟钢板在受到载荷时的变形行为。此外，还采用脆性破坏模型来描述混凝土的性能，因为混凝土在受到超过其强度极限的载荷时会突然破坏。

5.2 边界条件

在进行双层波形钢板混凝土组合剪力墙的计算分析时，确切的边界条件是至关重要的，提供有关结构性能的准确信息。

（1）设置地基约束。为了模拟剪力墙在实际工作状态下的固定情况，假设其底部是完全约束的，即模拟刚性地基，剪力墙的底部在所有方向上都不能移动。

（2）考虑侧向位移。根据公式计算在剪力墙顶部施加的水平位移。计算公式为：[△]=0.01H，式中的H为剪力墙的高度，取值30m，代入得到:[△]=0.01×30m=0.3m，表明在剪力墙的顶部施加0.3m的水平位移。

（3）竖向均布荷载。在剪力墙的顶部，施加竖向均布荷载，其值为:q=10kN/m2，模拟上部结构对剪力墙的压力。

5.3 计算结果分析

有限元计算结果显示双层波形钢板混凝土组合剪力墙具有出色的结构性能。

（1）剪力墙侧向位移。在与0.3m的侧向位移相同的载荷作用下，剪力墙的顶部产生了0.39m的水平位移，说明墙体在受到侧向载荷时的变形是均匀的。

（2）混凝土的应力响应。混凝土短柱的最大压应力和剪应力分别为22MPa 和8MPa，这些值都在其许用范围内，说明混凝土在受力时仍然保持其完整性。

（3）钢板的应力响应。其最大受拉应力为298MPa，远小于其屈服强度345MPa，说明钢板在受力时没有发生屈服；此外，钢板的最大应变为5900微应变，仍处于弹性阶段，意味着钢板没有发生永久性变形。

（4）剪力墙的侧移角。侧移角是剪力墙顶部的水平位移与其高度的比值，按下式计算。

满足了抗震设防烈度8度的要求，说明剪力墙在地震作用下的变形是可接受的。

6 结束语

本文对高层建筑双层波形钢板混凝土组合剪力墙的设计方案、材料选用、施工流程和计算分析进行了系统研究，验证了该方案能够发挥钢板与混凝土的优势，提高墙体整体刚度和承载力，满足建筑抗侧力需求。通过优选材料参数以及采取合理的工艺措施，确保了高质量施工；材料试验结果验证了设计强度的可靠性；有限元计算分析了墙体的内力响应，证明了设计方案在规定烈度条件下能够满足相关技术规范要求。