王冬

（長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司 湖南 長沙 410000）

組合剪力墻抗震研究

王冬

（長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司 湖南 長沙 410000）

超高層建筑結(jié)構(gòu)的剪力墻往往要承擔(dān)巨大的豎向荷載和地震作用，若采用普通鋼筋混凝土剪力墻，其墻體過厚，導(dǎo)致成本增加及結(jié)構(gòu)整體控制困難。因此，研發(fā)出承載力高、延性耗能好且施工簡便的組合剪力墻是解決此難題的有效途徑。本文中提出一種新型組合剪力墻，并采用試驗(yàn)研究的方法對其抗震性能進(jìn)行了研究。

組合；剪力墻；抗震

引言

超高層建筑的主要抗側(cè)力構(gòu)件是剪力墻或剪力墻組成的筒體。近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市用地緊張，建筑高度不斷增加，建筑功能需求不斷提高，剪力墻性能的要求也隨之提高。若仍采用普通鋼筋混凝土剪力墻承受巨大的豎向荷載和地震作用，在滿足現(xiàn)有規(guī)范對軸壓比、剪重比等設(shè)計(jì)要求時(shí)，剪力墻的墻體會(huì)過厚，導(dǎo)致建筑面積減少、建筑成本增加、結(jié)構(gòu)整體控制困難及結(jié)構(gòu)性價(jià)比不高。解決此難題的有效途徑是研發(fā)出承載力高、延性耗能好且施工簡便的組合剪力墻。

隨著鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外的研究深入和推廣應(yīng)用，學(xué)者們由組合梁、柱良好的力學(xué)性能和抗震性能得到啟示，提出了一種新型剪力墻——鋼-混凝土組合剪力墻。已有研究表明，鋼-混凝土組合剪力墻能夠充分發(fā)揮了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大和鋼結(jié)構(gòu)延性好的優(yōu)勢，避免鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性差、耗能差和鋼結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力弱、易局部屈曲等缺點(diǎn)，比普通混凝土剪力墻具有更高的承載力和更好的延性。目前對鋼-混凝土組合剪力墻研究的構(gòu)造型式主要有型鋼混凝土組合剪力墻、鋼管混凝土邊框組合剪力墻、單層鋼板-混凝土組合剪力墻、雙層鋼板-混凝土組合剪力墻等四種。其中國內(nèi)外學(xué)者針對型鋼混凝土組合剪力墻、鋼管混凝土邊框組合剪力墻、單層鋼板-混凝土組合剪力墻三種構(gòu)造型式進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，并對它們的力學(xué)性能和抗震機(jī)理進(jìn)行了較為深入的理論研究，已在實(shí)際高層建筑結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用較為廣泛。而針對于雙層鋼板-混凝土組合剪力墻無論試驗(yàn)研究還是理論研究仍較少，且已有的研究主要應(yīng)用于防護(hù)結(jié)構(gòu)、核電站等特種結(jié)構(gòu)及快速建造的結(jié)構(gòu)，小部分針對超高層建筑結(jié)構(gòu)，相關(guān)研究成果表明該類組合剪力墻具有良好的承載力、變形和耗能能力，但其構(gòu)造形式過于復(fù)雜，施工操作困難，工程造價(jià)偏高，在實(shí)際超高層建筑結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用中較難實(shí)現(xiàn)。因此，本文提出一種新型組合剪力墻——組合剪力墻，并對其力學(xué)性能和抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)與理論研究。

組合剪力墻由帶約束拉桿雙層鋼板內(nèi)填混凝土墻體和鋼管混凝土邊端柱組成，如圖1所示。具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）約束拉桿將雙層鋼板和內(nèi)填混凝土墻板緊密連結(jié)并共同工作，約束拉桿、鋼板和鋼管混凝土邊端柱對內(nèi)填混凝土提供側(cè)向約束，有效改善內(nèi)填混凝土的受力性能，改善其強(qiáng)度和延性。

（2）約束拉桿能有效地阻止鋼板的向外鼓曲，保證鋼板的受力性能得到充分發(fā)揮。

圖1　組合剪力墻的構(gòu)造形式

（3）帶約束拉桿的鋼板剪力墻和鋼管混凝土邊端柱的協(xié)同工作，使組合剪力墻的力學(xué)性能得到更充分發(fā)揮和改善，承載力更高、延性更好。

（4）采用約束拉桿連接墻兩側(cè)鋼板，施工方便，傳力機(jī)制明確。避免了采用加勁肋時(shí)墻內(nèi)側(cè)焊接困難、施工難度大；采用栓釘對鋼板和墻內(nèi)混凝土的約束效果不理想等不足。所以對組合剪力墻研究不僅具有重要的科學(xué)價(jià)值，而且具有廣泛的工程應(yīng)用前景和重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1　組合剪力墻試驗(yàn)研究

1.1試件設(shè)計(jì)與制作

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)條件和《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ101-1996）的規(guī)定，設(shè)計(jì)了5個(gè)用于低周往復(fù)水平荷載加載的試件W1、W3～W6和1個(gè)單調(diào)水平荷載加載的試件W2。各試件截面均為矩形，截面尺寸為650mm×80mm，墻體高度1300mm，剪跨比為2.0，左右兩端設(shè)有80mm×80mm帶約束拉桿的鋼管混凝土柱作為剪力墻的邊緣約束構(gòu)件（端柱），墻體鋼板與鋼管通過焊接方式連接，墻體兩側(cè)鋼板間設(shè)置約束拉桿連接。在拼接鋼板前，預(yù)先在鋼板設(shè)置約束拉桿處機(jī)械冷鉆成孔，孔徑比約束拉桿直徑大2mm，以便約束拉桿穿過。試件鋼板和鋼管采用同批材料制作，厚度3mm。約束拉桿通過其端部的墊板、螺帽與剪力墻連成一體（如圖2）。

1.2試驗(yàn)加載裝置及測量方法

采用低周反復(fù)水平加載，加載裝置如圖3所示。在試件的底部設(shè)置了剛度和強(qiáng)度均很大的底梁，剪力墻與底梁整體澆筑，這樣底梁就約束住了剪力墻試件底部所有的自由度，使試件底部滿足固定的邊界條件。底梁通過地錨螺栓固定在剛性地板上，并在底梁兩端設(shè)置千斤頂以防止底梁在加載過程中產(chǎn)生滑移。水平往復(fù)荷載由1500kN的MTS液壓伺服作動(dòng)器施加，水平加載點(diǎn)位于墻體頂部加載梁的中心。將水平連接裝置固定在加載梁上，再將作動(dòng)器后端固定在反力墻上，作動(dòng)器前端與水平連接裝置相連。通過水平連接裝置給試件施加拉、壓往復(fù)水平荷載。

圖2　試件W1-W4立面

圖3　加載裝置圖

豎向荷載由豎向油壓千斤頂提供，通過系統(tǒng)補(bǔ)壓實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)或輔助以人工補(bǔ)壓以盡可能保證實(shí)驗(yàn)全過程中施加軸向力恒定。為了使豎向荷載作用點(diǎn)始終保持在墻頂中心處，并在試驗(yàn)過程中與試件的變形同步同向，在反力梁上安裝滑動(dòng)支座，將一個(gè)2000kN千斤頂?shù)寡b固定在滑動(dòng)支座上。在豎向千斤頂與試件之間設(shè)置剛性墊梁，以使剪力墻截面產(chǎn)生均勻的壓應(yīng)力。為了避免實(shí)驗(yàn)過程中可能發(fā)生的平面外失穩(wěn)，在試件的平面外設(shè)置了側(cè)向支撐。該裝置為可調(diào)節(jié)間距的帶垂直推力軸承的撐板。側(cè)向支撐固定于剛接的反力剛架上，可保證剪力墻試件在荷載作用平面的自由前后移動(dòng)，避免發(fā)生側(cè)向位移，以盡可能的模擬平面剪力墻的工作條件和受力特點(diǎn)。

1.3試驗(yàn)現(xiàn)象

（1）彈性工作階段

前期加載時(shí)，試件無明顯的現(xiàn)象，各試件水平荷載-位移曲線基本呈線性變化，殘余變形很小，鋼板和約束拉桿的應(yīng)變小于屈服應(yīng)變。

（2）屈服階段

彈性工作階段過后，試件剛度開始降低，試件水平荷載-位移曲線出現(xiàn)較明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，一直到峰值荷載出現(xiàn)，該階段定義為屈服階段。在該階段，各試件的主要試驗(yàn)現(xiàn)象為鋼板與混凝土的界面間局部發(fā)生黏結(jié)破壞，墻體底部鋼板在上下排約束拉桿間出現(xiàn)局部屈曲，墻體底部鋼板和約束拉桿的應(yīng)變值大于屈服應(yīng)變值。各參數(shù)對試件墻體鋼板局部屈曲的出現(xiàn)時(shí)間和屈曲程度大小有很大影響。隨著約束拉桿間距的減小，墻體底部鋼板的局部屈曲出現(xiàn)越遲，屈曲程度越輕，峰值荷載對應(yīng)的位移角越大。與約束拉桿并列式布置方式相比，梅花式布置方式的試件墻體底部鋼板的局部屈曲出現(xiàn)越遲，屈曲程度越輕，峰值荷載對應(yīng)的位移角越大。

（3）破壞階段

破壞階段是指試件在峰值荷載過后，承載力開始下降，破壞加劇直至承載力下降至峰值荷載的85%以下，或者試件不能維持所施加的軸向荷載，從而喪失了承載能力。在此階段，各試件的主要現(xiàn)象是墻體底部鋼板局部屈曲進(jìn)一步加劇，墻端端柱鋼管屈曲加劇甚至被撕裂，墻體底部約束拉桿被拉斷，殘余變形急劇增大，墻體底部鋼板和約束拉桿應(yīng)變值急劇增加。

1.4試驗(yàn)結(jié)果分析

①各試件鋼管和鋼板屈曲均出現(xiàn)在鋼管和鋼板屈服之后，且在鋼管和鋼板屈服后，荷載都有很大增長，主要原因是內(nèi)填的混凝土阻止鋼板和鋼管向里屈曲，而約束拉桿的約束作用，則改變了鋼板和鋼管的局部屈曲模態(tài)，減緩了局部屈曲的出現(xiàn)，提高了局部屈曲強(qiáng)度；②與試件W4相比，試件W1、W3的水平荷載峰值分別提高了13%、36%，而且試件W1、W3的最終加載位移角分別為1/50、1/33.3也比試件W4的1/75大，表明約束拉桿間距的減小，能更好減緩墻體鋼板局部屈曲的發(fā)生，提高鋼板的局部屈曲強(qiáng)度，提高鋼板對混凝土的約束作用，從而明顯提高試件的承載力和變形；③與試件W1相比，試件W5水平荷載峰值提高了11%，最終加載位移角也提高到1/33.3，主要是由于與約束拉桿并列式布置相比，約束拉桿梅花式布置改變墻體鋼板的局部屈曲模態(tài)，更有效地減緩鋼板局部屈曲的出現(xiàn)，提高鋼板的局部屈曲強(qiáng)度，增強(qiáng)鋼板對混凝土的約束作用，從而提高試件的承載力和變形；④對比試件W1、W6可知，在鋼板四周加密約束拉桿對試件承載力、變形和延緩鋼板的屈曲均沒有明顯的改善，主要原因是在鋼板四周加密約束拉桿不能改變鋼板的局部屈曲模態(tài)和提高其局部屈曲強(qiáng)度；⑤對比試件W1、W2可知，單調(diào)加載試件鋼板屈曲時(shí)的水平荷載及試件水平荷載峰值較低周往復(fù)加載時(shí)低，主要原因是鋼板在低周往復(fù)加載過程中經(jīng)歷了強(qiáng)化階段。

2　抗震設(shè)計(jì)建議

（1）超高層建筑結(jié)構(gòu)底部的剪力墻受到巨大豎向荷載和地震作用，為了減小剪力墻的厚度，同時(shí)能滿足軸壓比限值和延性要求，可以采用組合剪力墻。

（2）組合剪力墻的布置宜均勻、對稱，且盡可能布置在距離剛度中心較遠(yuǎn)處，以保證結(jié)構(gòu)后期剛度的均勻?qū)ΨQ，減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

（3）為了使組合剪力墻與基礎(chǔ)具有良好的錨固，避免組合剪力墻受到巨大水平荷載被拔出，組合剪力墻宜采用埋入式基礎(chǔ)，且外側(cè)鋼板必須焊接加勁肋或短鋼筋等加強(qiáng)錨固的構(gòu)造措施。

（4）組合剪力墻墻板厚度的最小值可以參考《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對鋼筋混凝土剪力墻厚度的相關(guān)要求。

（5）組合剪力墻的含鋼率取值范圍宜為4～12%。

（6）組合剪力墻壓彎承載力計(jì)算及斜截面承載力計(jì)算可以參考本文第四、五章給出的簡化計(jì)算公式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（7）根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究，軸壓比為0.9時(shí)組合剪力墻仍具有良好延性，實(shí)際工程考慮各種不利因素影響，建議組合剪力墻軸壓比限值取為0.7。

3　結(jié)束語

為了更為深入的認(rèn)識(shí)該類新型組合剪力墻的力學(xué)性能和抗震性能，作者認(rèn)為還應(yīng)該從以下幾方面開展研究工作：

（1）進(jìn)一步通過試驗(yàn)研究分析更多相關(guān)參數(shù)對該類組合剪力墻滯回性能的影響，修正本文提出的組合剪力墻簡化恢復(fù)力模型。

（2）進(jìn)行單層多跨、多層多跨的該類組合剪力墻的試驗(yàn)研究和理論分析，以進(jìn)一步完善該類組合剪力墻的力學(xué)性能和抗震性能。

（3）進(jìn)行該類組合剪力墻的動(dòng)力性能研究，以更加深入研究該類組合剪力墻的抗震性能。

（4）進(jìn)行該類組合剪力墻的耐火試驗(yàn)和理論研究，以了解其耐火性能及火災(zāi)作用后的力學(xué)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]聶建國，卜凡民，樊健生.低剪跨比雙鋼板——混凝土組合剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011，32（11）：74～81.

[3]卜凡民，聶建國，樊健生.高軸壓比下中高剪跨比雙鋼板——混凝土組合剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2013，34（4）：91～98.

TU398+.2

A

1673-0038（2015）42-0076-03

2015-9-3

王冬（1984-），男，工程師，本科，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。