郭彥林，朱靖申

(清華大學(xué)土木工程系，北京 100084)

近年來，剪力墻體系開始應(yīng)用于住宅結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，尤其應(yīng)用在多高層住宅鋼結(jié)構(gòu)中[1－3]。剪力墻體系整體性好、側(cè)向剛度大、承載力高、抗震性能好，尤其以其戶型布置的靈活性深受建筑師青睞。同時(shí)，剪力墻體系可以避免住宅建筑中采用框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的梁柱與墻體寬度不一致而帶來的露梁、露柱現(xiàn)象，也可以克服梁柱節(jié)點(diǎn)暴露于室內(nèi)空間而影響使用和觀感的問題。特別地，剪力墻體系避免了鋼框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置支撐給門窗洞開設(shè)及填充墻施工帶來的困難。

高性能鋼結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用將是中國未來城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展方向之一。與此同時(shí)，當(dāng)前中國經(jīng)濟(jì)增長將從高速轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展，建筑業(yè)面臨改革創(chuàng)新的重大挑戰(zhàn)，而工業(yè)化生產(chǎn)、裝配化施工將以其現(xiàn)場作業(yè)少、污染浪費(fèi)少、工程質(zhì)量高、施工效率高的優(yōu)點(diǎn)成為中國建筑業(yè)的未來趨勢之一。在剪力墻體系中，剪力墻主要承受風(fēng)荷載或者地震作用引起的水平荷載，同時(shí)承受豎向重力荷載。因此，剪力墻的性能直接決定了該結(jié)構(gòu)體系性能。針對(duì)目前的住宅建筑發(fā)展需求，尋找一種高性能、裝配化程度高的剪力墻結(jié)構(gòu)體系很有必要，也將在國內(nèi)多高層住宅建筑領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。

本文將針對(duì)近幾十年來剪力墻在材料和截面型式上的發(fā)展歷程進(jìn)行介紹，著重介紹波形鋼板剪力墻和波形鋼板混凝土組合墻這兩類高性能、裝配化程度高的剪力墻結(jié)構(gòu)體系，并分析其在受力機(jī)理上的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)和設(shè)計(jì)理論上的最新研究進(jìn)展。

1 鋼筋混凝土剪力墻

傳統(tǒng)鋼筋混凝土剪力墻的發(fā)展與應(yīng)用最早，現(xiàn)階段仍廣泛應(yīng)用于高層建筑和住宅建筑中。設(shè)計(jì)合理的鋼筋混凝土剪力墻整體性好、抗側(cè)剛度大、承載性能好。不過由于混凝土材料在破壞時(shí)具有顯著的脆性特征，在剪力作用下易于開裂，特別在其軸壓比較大時(shí)延性較差、開裂更嚴(yán)重。總之，鋼筋混凝土剪力墻在地震作用下的延性不及鋼板剪力墻或鋼-混凝土組合剪力墻，不利于更高建筑的結(jié)構(gòu)抗震。為了改善鋼筋混凝土剪力墻的延性，提高其抗震性能，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種型式的改進(jìn)型鋼筋混凝土剪力墻。

1.1 鋼筋混凝土剪力墻的早期研究

針對(duì)鋼筋混凝土剪力墻的研究始于20 世紀(jì)60年代，Dhillon[4]、Seto[5]等國外學(xué)者對(duì)帶有鋼筋混凝土剪力墻的單層和多層建筑結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)行了研究，揭示了剪力墻結(jié)構(gòu)相比于框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)異承載和抗震性能。

不久之后，中國就展開了對(duì)鋼筋混凝土剪力墻承載和抗震性能的理論和試驗(yàn)研究[6－8]，提出了包括壓彎剪荷載作用下的截面強(qiáng)度設(shè)計(jì)、局部承壓設(shè)計(jì)、抗震設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等在內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并且開始在高層建筑中應(yīng)用現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻。與此同時(shí)，沈聚敏和張銅生[9]也開始了早期的鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的彈塑性數(shù)值分析，為評(píng)估和改善建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力提供了理論依據(jù)。

剪力墻與連梁形成的剪力墻結(jié)構(gòu)，其剪力墻要能夠承擔(dān)壓彎剪及其組合作用。這類剪力墻結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于住宅建筑，其剪力墻靈活的布置特點(diǎn)易于滿足平面和立面功能要求。剪力墻也可以內(nèi)置于混凝土框架或鋼框架內(nèi)形成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，此時(shí)，剪力墻主要承擔(dān)水平剪力作用或側(cè)向水平荷載，而框架結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)豎向荷載及整體彎矩作用。剪力墻在結(jié)構(gòu)體系中的受力性能不同，對(duì)其承載力設(shè)計(jì)要求也不相同。

1.2 帶縫鋼筋混凝土剪力墻

1984 年，日本學(xué)者武藤清[10]提出了一種帶豎縫的鋼筋混凝土剪力墻(圖1(a))并進(jìn)行研究。1989 年以來，中國學(xué)者夏曉東[11]、李思明等[12]也對(duì)該新型鋼筋混凝土剪力墻進(jìn)行試驗(yàn)研究和有限元數(shù)值分析。研究結(jié)果表明，豎縫的設(shè)置雖使剪力墻的剛度有所降低，但其側(cè)向變形能力得到了明顯提升，抗震性能優(yōu)于普通剪力墻結(jié)構(gòu)，同時(shí)達(dá)到了人為控制破壞部位的目的，便于震后修復(fù)。1992 年，戴航和陳貴[13]還在此基礎(chǔ)上提出了帶水平短縫鋼筋混凝土剪力墻(圖1(b))，和帶豎縫鋼筋混凝土剪力墻相比，水平短縫的設(shè)置對(duì)該類剪力墻的抗側(cè)承載力和剛度削弱不大，同時(shí)可人為引導(dǎo)裂縫走向，并獲得較普通剪力墻更為優(yōu)異的變形和耗能能力?？傊?，設(shè)置豎縫或水平橫縫，人為地隔斷了整塊混凝土剪力墻發(fā)生斜裂縫的可能性，增加了剪力墻的延性性能，但也降低了其剛度和承載力。目前，中國 《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 99― 2015)[14]保留了開縫鋼筋混凝土剪力墻的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定。

圖1 帶縫鋼筋混凝土剪力墻[10,13] Fig.1 Slotted reinforced concrete shear walls[10,13]

1.3 內(nèi)藏桁架或支撐鋼筋混凝土剪力墻

2001 年以來，Sittipunt 等[15]、曹萬林等[16―17]對(duì)內(nèi)藏桁架或暗支撐的鋼筋混凝土剪力墻進(jìn)行了深入研究。該類鋼筋混凝土剪力墻形成了桁架或支撐與剪力墻的雙重受力體系，以提高剪力墻的抗震性能，圖2 給出了其內(nèi)藏鋼支撐的配置圖。其中，Sittipunt 等[15]對(duì)2 個(gè)帶有暗斜撐的鋼筋混凝土剪力墻試件和2 個(gè)普通鋼筋混凝土剪力墻試件進(jìn)行了試驗(yàn)研究與對(duì)比，結(jié)果表明帶暗斜撐的鋼筋混凝土剪力墻雖然未對(duì)最大抗剪承載力有明顯影響，但該類剪力墻的裂縫減少，耗能性能更佳。曹萬林等[16―17]對(duì)內(nèi)藏桁架混凝土剪力墻的承載力、延性、剛度及其衰減、滯回特性、耗能能力和破壞特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明內(nèi)藏桁架混凝土剪力墻的抗震性能比普通鋼筋混凝土剪力墻有明顯提高。

圖2 內(nèi)藏桁架混凝土剪力墻配鋼圖[17] Fig.2 Steel configuration of reinforced concrete shear walls with concealed trusses[17]

內(nèi)藏于鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)的斜向鋼支撐和鋼筋混凝土剪力墻一起抵抗水平剪力，但二者的延性表現(xiàn)不盡相同。鋼支撐類似于拉壓桿作用，一開始就能發(fā)揮有效的抗側(cè)作用。鋼筋混凝土剪力墻也具有較大的初始抗側(cè)剛度，但在剪力作用下沿主拉應(yīng)力方向一旦開裂，在其后反復(fù)荷載作用下主要依靠主壓應(yīng)力方向的混凝土發(fā)揮作用，此時(shí)，類似于受壓支撐。盡管鋼支撐的存在延緩了斜裂縫的開展，但在開裂后鋼筋混凝土的抗側(cè)剛度仍顯著削弱。因此可以說，在支撐不屈曲和鋼筋混凝土剪力墻不斜向開裂的情況下，二者協(xié)同作用提供水平抗側(cè)剛度，待混凝土開裂后，二者協(xié)同作用變差。

2 鋼板剪力墻

雖然傳統(tǒng)的鋼筋混凝土剪力墻在住宅建筑中廣泛應(yīng)用，但其需要大量的現(xiàn)場模板支護(hù)和濕作業(yè)澆筑，施工措施費(fèi)用高、施工效率低下，不符合工業(yè)化生產(chǎn)和裝配化施工的發(fā)展方向。因此，目前鋼板剪力墻和鋼-混凝土組合剪力墻得到了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。

2.1 鋼板剪力墻的早期研究

20 世紀(jì)70 年代，鋼板剪力墻開始在日本和北美應(yīng)用到高層建筑中以抵抗風(fēng)荷載和地震作用產(chǎn)生的側(cè)向力[18―19]。大量的理論和試驗(yàn)研究[20―23]表明，和鋼筋混凝土剪力墻相比，鋼板剪力墻在強(qiáng)度、剛度和延性等方面均有提高，同時(shí)，還具有良好的滯回和耗能性能。在設(shè)計(jì)要求的抗側(cè)剛度不大時(shí)，采用薄鋼板墻更為經(jīng)濟(jì)。由于要求在正常使用荷載作用下鋼板不發(fā)生屈曲，故設(shè)置橫向、豎向或橫豎向加勁肋提高鋼板的屈曲荷載[24―25]，改善其穩(wěn)定性能和承載效率。同時(shí)，隨著對(duì)薄鋼板剪力墻受力性能的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，也有學(xué)者[26]指出其在屈曲后會(huì)形成斜向拉力帶，并產(chǎn)生相當(dāng)可觀的屈曲后承載性能。目前，美國FEMA 450、AISC 341-10 及加拿大CAN/CSA S16-01 規(guī)范[27―29]規(guī)定，鋼板抗側(cè)力設(shè)計(jì)可以利用屈曲后強(qiáng)度。但為了充分發(fā)揮拉力帶的作用而不產(chǎn)生“沙漏”現(xiàn)象[30]，即邊柱在拉力場作用下明顯彎曲，使得靠近邊柱的墻板不能形成拉力場，其有效抗側(cè)面積明顯減小，這些規(guī)范對(duì)邊緣框架柱的剛度均作了嚴(yán)格要求，如式(1)所示：

式中：Ic為邊緣框架柱截面的慣性矩；t為鋼板剪力墻的厚度；h為鋼板剪力墻的高度；b為鋼板剪力墻的寬度。

2.2 加勁鋼板剪力墻

進(jìn)入20 世紀(jì)后，中國學(xué)者也開始對(duì)鋼板剪力墻進(jìn)行系統(tǒng)性研究。為提高鋼板剪力墻的受剪屈曲性能，陳國棟和郭彥林[31]、侯蕾等[32]對(duì)加勁鋼板剪力墻(圖3)的抗剪承載性能和滯回性能展開了理論和試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，加勁鋼板剪力墻具有比未加勁鋼板剪力墻更大的初始剛度、更好的延性及耗能性能，這是因?yàn)榧觿爬甙唁摪鍓Ψ殖扇舾蓚€(gè)小的區(qū)格，抑制了鋼板過早地發(fā)生局部屈曲，使得鋼板受力更加趨于剪切受力機(jī)制，而不是拉力帶受力機(jī)制。對(duì)應(yīng)于這種情況，確定加勁肋剛度是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心，其加勁肋剛度與內(nèi)嵌鋼板剛度之比(肋板剛度比)最小值的確定成為關(guān)鍵問題，在不同設(shè)計(jì)要求下分別對(duì)應(yīng)于防止鋼板整體屈曲對(duì)應(yīng)的肋板剛度比門檻值、達(dá)到極限承載力對(duì)應(yīng)的肋板剛度比門檻值以及達(dá)到飽滿滯回性能而對(duì)應(yīng)的肋板剛度比門檻值。

對(duì)于不帶加勁肋和帶加勁肋的鋼板剪力墻，目前的設(shè)計(jì)方法分成兩類：第一類以其屈曲為承載力極限狀態(tài)，即不考慮鋼板的局部屈曲后強(qiáng)度，這在中國《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 99― 2015)[14]中體現(xiàn)；第二類要求考慮鋼板屈曲后強(qiáng)度，但如式(1)所示對(duì)內(nèi)嵌鋼板邊緣構(gòu)件剛度有嚴(yán)格要求。對(duì)于不設(shè)置加勁肋且允許屈曲后發(fā)揮拉力帶作用的薄鋼板剪力墻，計(jì)算其極限承載力和滯回曲線，可采用拉力帶計(jì)算模型[30,33]。

圖3 加勁鋼板剪力墻[31] Fig.3 Stiffened steel plate shear walls[31]

2.3 防屈曲鋼板剪力墻

2004 年，筆者課題組[34―35]提出了一種新型的高層建筑抗側(cè)力體系——防屈曲鋼板剪力墻(圖4)。防屈曲鋼板剪力墻在鋼板兩側(cè)分別設(shè)置了預(yù)制混凝土蓋板，混凝土蓋板與內(nèi)置鋼板通過高強(qiáng)螺栓連接，從而為鋼板提供了有效的側(cè)向約束，其目的是防止在剪力作用下發(fā)生平面外屈曲。在面內(nèi)混凝土蓋板和鋼板之間并不直接相連，而是通過在混凝土蓋板或鋼板上開設(shè)比螺桿直徑大一點(diǎn)的圓孔，保證二者在大震作用下相對(duì)滑動(dòng)，進(jìn)而避免因鋼板剪切變形對(duì)混凝土產(chǎn)生的作用力，減小混凝土蓋板的破壞。防屈曲鋼板剪力墻的提出，主要是為了推廣薄鋼板墻的使用，即在設(shè)計(jì)上僅需要較小抗側(cè)剛度的鋼板墻，但又要求其具備飽滿的滯回性能?？紤]到薄鋼板墻易于在剪力作用下屈曲而不屈服，故約束鋼板的面外屈曲變形，使其發(fā)揮平面剪切機(jī)制的受力作用。

防屈曲鋼板剪力墻的設(shè)計(jì)理論包含如下內(nèi)容：1) 內(nèi)嵌鋼板承載力的計(jì)算。由于鋼板局部屈曲受到外側(cè)混凝土板的嚴(yán)格約束，內(nèi)嵌鋼板主要以剪切機(jī)制提供抗側(cè)剛度，拉力帶的作用可忽略不計(jì)，故剪切承載力的計(jì)算相對(duì)簡單；2) 外側(cè)混凝土蓋板設(shè)計(jì)。外側(cè)混凝土蓋板的厚度及內(nèi)部配筋要求主要與內(nèi)嵌鋼板的高厚比、螺栓布置的間距、單塊混凝土蓋板的平面尺寸有關(guān)。依據(jù)內(nèi)嵌鋼板的高厚比大小，先確定外側(cè)蓋板厚度和對(duì)應(yīng)的螺栓間距，再依據(jù)相關(guān)計(jì)算公式驗(yàn)算其承載力是否滿足要求。對(duì)于大尺度防屈曲鋼板墻的設(shè)計(jì)，考慮到外側(cè)混凝土蓋板的承載力設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性以及運(yùn)輸條件限制，可把一大塊蓋板分割成若干小區(qū)格板設(shè)計(jì)，既可解決運(yùn)輸和安裝等問題，也會(huì)節(jié)約混凝土蓋板制作和運(yùn)輸成本。

圖4 防屈曲鋼板剪力墻[34―35] Fig.4 Buckling-restrained steel plate shear walls[34－35]

2.4 波形鋼板剪力墻

2012 年，筆者課題組[36]提出了波形鋼板剪力墻(見圖5)，利用鋼板較大的面外波形特征，顯著提高其抗剪屈曲性能，即使在鋼板比較薄的條件下，也能夠在軸壓力(波形鋼板波折方向豎直放置)和剪力作用下先進(jìn)入屈服狀態(tài)而不發(fā)生屈曲。在建筑結(jié)構(gòu)中，波形鋼板剪力墻既可以在風(fēng)荷載或小震作用下保持彈性，從而起到提供抗側(cè)剛度的作用；也可以在大震往復(fù)荷載作用下進(jìn)入塑性，通過反復(fù)屈服滯回耗散地震輸入的能量，減輕或消除結(jié)構(gòu)中其他部位的震害，起到“抗側(cè)構(gòu)件”+“耗能阻尼”的雙重作用。在施工過程中，可先在工廠中完成波形鋼板剪力墻的加工和焊接。加工完成后，波形鋼板剪力墻可直接被運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行吊裝，并用高強(qiáng)螺栓連接，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、裝配化施工。因此，波形鋼板剪力墻具有側(cè)向剛度大、承載力高、抗震性能好的特點(diǎn)，屬于一類新型高性能、裝配化鋼板剪力墻體系。

由于波形鋼板優(yōu)異的承載和抗震性能，筆者課題組[36―43]提出了多種型式的波形鋼板剪力墻，包括單波形鋼板剪力墻、豎向加勁波形鋼板剪力墻、平行對(duì)扣連接雙波形鋼板剪力墻和正交對(duì)扣連接雙波形鋼板剪力墻等(見圖6)，以適應(yīng)不同的設(shè)計(jì) 需求。

圖5 波形鋼板剪力墻[36] Fig.5 Steel corrugated plate shear walls[36]

圖6 不同型式的波形鋼板剪力墻[36―43] Fig.6 Various types of steel corrugated plate shear walls[36―43]

上述波形鋼板剪力墻與鋼框架組成的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系可應(yīng)用在多高層建筑中。在設(shè)計(jì)方法方面，針對(duì)波形鋼板剪力墻的理論研究和平鋼板剪力墻也有所不同。由于波形鋼板的波形特征，其在鋼板平面內(nèi)的兩個(gè)方向上的截面型式、強(qiáng)度和剛度截然不同，屬于正交各向異性板。因此，波形鋼板剪力墻的彈性屈曲荷載推導(dǎo)采用了基于正交各向異性板理論的能量法，并通過有限元特征值屈曲分析對(duì)推導(dǎo)所得理論公式進(jìn)行了修正，修正公式將用于波形鋼板剪力墻正則化寬高比的計(jì)算。同時(shí)，波形鋼板剪力墻的各剛度常數(shù)理論表達(dá)式也基于正交各向異性板理論獲得，并經(jīng)過了有限元數(shù)值分析結(jié)果的修正。對(duì)于波形鋼板剪力墻的彈塑性穩(wěn)定極限承載性能，研究中采用了彈塑性大撓度有限元數(shù)值分析計(jì)算其在不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的極限承載力，并且建立了其單調(diào)承載性能、滯回性能與正則化寬高比、剛度等參數(shù)之間的關(guān)系，用于波形鋼板剪力墻的設(shè)計(jì)方法。

除此之外，筆者課題組[43]完成了2 個(gè)平行對(duì)扣連接雙波形鋼板剪力墻試件在剪力作用下的單調(diào)承載性能試驗(yàn)和4 個(gè)平行對(duì)扣連接雙波形鋼板剪力墻試件在水平往復(fù)荷載作用下的滯回性能試驗(yàn)(見圖7、圖8)。其中單調(diào)承載性能試驗(yàn)結(jié)果表明試件具有良好的受剪承載性能，也揭示出波形鋼板與邊緣構(gòu)件的焊縫質(zhì)量對(duì)剪力墻的承載性能至關(guān)重要。滯回性能試驗(yàn)結(jié)果表明，4 個(gè)試件均能在層間位移角幅值為2.0%的加載過程中獲得飽滿的滯回曲線，展現(xiàn)了平行對(duì)扣連接雙波形鋼板剪力墻優(yōu)異的滯回性能。與此同時(shí)，6 個(gè)試件的試驗(yàn)過程也得到了有限元模型的良好模擬，驗(yàn)證了有限元模型的可靠性。該有限元模型也可以用于其他幾種型式波形鋼板剪力墻的研究。

2.4.1 單波形鋼板剪力墻

單波形鋼板剪力墻是波形鋼板剪力墻中型式最為簡單的一種。和等厚度平鋼板剪力墻相比，單波形鋼板剪力墻的受剪屈曲荷載會(huì)有大幅提高，特別在板厚較小的情況下，其提高幅度更大。此外，單波形鋼板剪力墻波折方向豎直放置時(shí)可以承受壓彎剪荷載的共同作用，波折方向水平放置時(shí)可釋放豎向荷載，僅抵抗水平剪力，因此，能夠靈活布置獲得要求的設(shè)計(jì)效果。

平鋼板剪力墻與單波形鋼板剪力墻比較，二者受力機(jī)理有較大區(qū)別。如前所述，在鋼板厚度較小的情況下，前者屈曲后具有較大的屈曲后承載力潛力，而后者極限狀態(tài)即對(duì)應(yīng)于波形鋼板剪力墻的屈曲，屈曲后不會(huì)在板內(nèi)形成明顯的拉力帶。

圖7 平行對(duì)扣連接雙波形鋼板剪力墻滯回曲線[43] Fig.7 Hysteretic curve of parallel-installed double steel corrugated plate shear walls[43]

圖8 平行對(duì)扣連接雙波形鋼板剪力墻典型破壞模式[43] Fig.8 Typical failure mode of parallel-installed double steel corrugated plate shear walls[43]

目前，單波形鋼板剪力墻已經(jīng)在云南省昆明市某工程中得到了實(shí)際應(yīng)用，主要起到消能減震的作用。該剪力墻波形為正弦波，波長150 mm，波高45 mm，板厚6 mm。如圖9 所示為該單波形鋼板剪力墻的滯回性能試驗(yàn)。

圖9 昆明市某工程單波形鋼板剪力墻滯回性能試驗(yàn) Fig.9 Hysteresis performance experiment on single steel corrugated plate shear walls conducted in Kunming

2.4.2 豎向加勁波形鋼板剪力墻

在工程實(shí)踐中，框架結(jié)構(gòu)中部分區(qū)域的跨度較大，從而形成寬高比較大的凈空區(qū)。若在這類區(qū)域中設(shè)置單波形鋼板剪力墻且波折方向水平放置，剪力墻可能在水平剪力作用下發(fā)生沿水平方向貫通的平面外失穩(wěn)，進(jìn)而影響到抗剪承載力和耗能能力。為避免這一問題的出現(xiàn)，可以在單波形鋼板剪力墻上設(shè)置豎向加勁肋，從而將波形鋼板剪力墻劃分成若干區(qū)格，提高其抗剪屈曲性能。

在帶有加勁肋的波形鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，波形鋼板的板型一般采用波峰和波谷相等的形式，棱線水平放置，從而有效釋放豎向荷載對(duì)剪力墻的不利影響。加勁肋在波形鋼板的兩側(cè)對(duì)稱布置，可以采用槽鋼、角鋼等多種截面形式。加勁肋通過高強(qiáng)螺栓和波形鋼板相連，并為其提供有效的側(cè)向約束。當(dāng)加勁肋剛度足夠大時(shí)，波形鋼板的受剪屈曲模態(tài)將只在被加勁肋劃分開的各個(gè)區(qū)格內(nèi)發(fā)生，有效提高了波形鋼板的受剪屈曲荷載，確保寬高比較大的剪力墻也能在屈曲發(fā)生之前進(jìn)入屈服狀態(tài)。

2.4.3 平行對(duì)扣連接雙波形鋼板剪力墻

一般波形鋼板由平鋼板冷軋制成，為了確保其彎折部分的受力和變形性能，同時(shí)，考慮到冷軋?jiān)O(shè)備的功率限制，目前，波形鋼板的厚度大多不超過8 mm。當(dāng)應(yīng)用于高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，較小的厚度可能無法滿足實(shí)際抗剪承載力的需求，雙波形鋼板剪力墻在此基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生。

平行對(duì)扣連接雙波形鋼板剪力墻由兩塊在波谷處緊靠且鏡像放置的波形鋼板組成。波形鋼板的截面多采用波峰較寬而波谷較窄的型式，使得更多材料遠(yuǎn)離截面對(duì)稱軸，提高截面抗彎剛度和承載效率。兩塊波形鋼板通過穿過波谷的高強(qiáng)螺栓相連，預(yù)拉力的施加確保了兩塊波形鋼板在受力過程中不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，保證其協(xié)同工作性能。和單波形鋼板剪力墻相比，平行對(duì)扣連接雙波形鋼板剪力墻的抗剪屈曲荷載和屈服荷載均得到了顯著提高，適用范圍也更為廣闊。同時(shí)，平行對(duì)扣的連接方式也使得剪力墻形成了閉口截面，大大提高了其扭轉(zhuǎn)剛度。在實(shí)際應(yīng)用中，和單波形鋼板剪力墻類似，平行對(duì)扣連接雙波形鋼板剪力墻也可根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需求采用波折方向豎直放置或水平放置的型式。

2.4.4 正交對(duì)扣連接雙波形鋼板剪力墻

由于波形鋼板的波形特征，波形鋼板在強(qiáng)軸方向上的彎曲剛度較平鋼板有了顯著提升，不過其弱軸方向上的彎曲剛度對(duì)比平鋼板還有了一定削弱。而正交對(duì)扣連接雙波形鋼板剪力墻則解決了這一問題，由于兩塊波形鋼板正交放置，其在兩個(gè)正交方向上的彎曲剛度均與單塊波形鋼板強(qiáng)軸方向上的彎曲剛度相當(dāng)，從而顯著提高了剪力墻在壓彎剪組合作用下的承載性能。在構(gòu)造方面，兩塊波形鋼板在正交放置后，其波谷位置互相貼合，高強(qiáng)螺栓即可布置在這些互相貼合的波谷位置處。

3 鋼-混凝土組合剪力墻

與鋼筋混凝土剪力墻和鋼板剪力墻相比，鋼-混凝土剪力墻可以通過合理的構(gòu)造充分發(fā)揮兩種材料各自的特點(diǎn)，并形成良好的組合效應(yīng)。這類剪力墻多采用鋼材內(nèi)填充混凝土的形式。在受力機(jī)理上：一方面，鋼材可以對(duì)混凝土提供良好的側(cè)向約束，使其處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，從而改善混凝土的強(qiáng)度和延性；另一方面，混凝土也可為鋼材提供單側(cè)約束，提高鋼材的屈曲性能和承載力，從而產(chǎn)生1+1 大于2 的效果。此外，通過對(duì)豎向邊緣構(gòu)件的合理設(shè)計(jì)，豎向邊緣構(gòu)件可以視為對(duì)鋼-混凝土組合剪力墻的附加約束，進(jìn)一步提升組合墻在面內(nèi)水平荷載作用下的承載力和延性。在加工制作上，鋼材可以作為混凝土的模板，同時(shí)，該類剪力墻也可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和裝配化施工，減少了現(xiàn)場濕作業(yè)量，大大縮短了工期。

3.1 壓型鋼板-混凝土組合剪力墻

1998 年，Wright 和Rafiei[44―47]提出了由兩片壓型鋼板和內(nèi)填混凝土組成的組合剪力墻(見圖10)，并對(duì)其壓彎剪等承載性能進(jìn)行了全面的理論和試驗(yàn)研究。該類組合剪力墻由兩塊壁厚不大于2 mm的壓型鋼板和填充于鋼板間的混凝土組成，壓型鋼板和混凝土之間通過設(shè)置連接件達(dá)到協(xié)同工作的目的。由于壓型鋼板的壁厚很小，受壓后容易發(fā)生局部屈曲，因此，其在受壓承載性能上削弱較大，在結(jié)構(gòu)中主要起到混凝土澆筑模板的作用。

圖10 壓型鋼板-混凝土組合剪力墻截面圖[45] Fig.10 Sectional view of profiled-steel-sheet-concrete shear walls[45]

3.2 平鋼板-混凝土組合剪力墻

平鋼板-混凝土組合剪力墻由兩塊平鋼板、內(nèi)填混凝土和鋼管混凝土邊緣構(gòu)件組成。Huang 和Liew[48―49]、劉晶波等[50]、紀(jì)曉東等[51]對(duì)平鋼板-混凝土組合剪力墻(見圖11)的組合受力機(jī)理和性能進(jìn)行了深入研究，并開展了試驗(yàn)和理論分析。研究結(jié)果表明，平鋼板-混凝土組合剪力墻組合效應(yīng)顯著，承載和抗震性能良好。為保證平鋼板和內(nèi)填混凝土的協(xié)同工作，這些研究針對(duì)鋼-混凝土界面處的連接處理技術(shù)提出了多種型式。但是，由于剪力墻中采用了平鋼板，而平鋼板的面外剛度很小，極易發(fā)生局部屈曲，因此，為了保證平鋼板的受力性能，剪力連接件的布置較為密集，這對(duì)內(nèi)填混凝土的流動(dòng)性提出了更高的要求，同時(shí)，也不利于構(gòu)件的設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性和可加工性。在混凝土澆筑過程，外側(cè)平鋼板由于其抗彎剛度較小，還需要設(shè)置附加支撐以防止鋼板面外鼓曲，進(jìn)而增加了施工成本，延長了施工周期。在結(jié)構(gòu)正常使用階段，一旦內(nèi)填混凝土在壓彎或壓彎剪作用下而達(dá)到極限強(qiáng)度，外側(cè)鋼板連同栓釘與混凝土分離后會(huì)完全喪失承載力。

圖11 平鋼板-混凝土組合剪力墻截面圖[50] Fig.11 Sectional view of flat-steel-plate-concrete composite shear walls[50]

3.3 波形鋼板外包混凝土組合剪力墻

3.2 節(jié)中已經(jīng)提及，平鋼板和混凝土組合而成的剪力墻是一種常用的組合剪力墻形式，但其缺點(diǎn)也較為明顯，那就是平鋼板在剪力作用下易于屈曲，導(dǎo)致平鋼板發(fā)生較大的面外變形并逐步形成拉力帶，最終使得平鋼板和混凝土分離，進(jìn)而二者失去了共同受力機(jī)制。即使在平鋼板和混凝土的連接界面上布置密集的栓釘也難以阻止平鋼板屈曲的發(fā)生?；诖耍P者課題組[38,52]提出了波形鋼板外包混凝土組合剪力墻(見圖12)。該類剪力墻將傳統(tǒng)平鋼板替換為波形鋼板，并在外側(cè)包裹帶有鋼筋網(wǎng)的混凝土。一方面，該類剪力墻利用波形鋼板遠(yuǎn)高于平鋼板的受剪彈性屈曲荷載，克服了平鋼板組合剪力墻受剪易屈曲、滯回耗能性能不佳的缺點(diǎn)。另一方面，在波形鋼板達(dá)到極限承載力后，其波折面將被逐漸拉平，滯回性能有所下降，而外包混凝土對(duì)波形鋼板的面外變形產(chǎn)生了一定約束，使該類新型組合剪力墻在波形鋼板達(dá)到極限狀態(tài)后仍能保持良好的承載性能和耗能性能。此外，波形鋼板自身較大的面外剛度也易于保證其運(yùn)輸和安裝過程中的剛度要求。

圖12 波形鋼板外包混凝土組合剪力墻截面圖[38, 52] Fig.12 Sectional view of corrugated steel plate with outer wrapped concrete composite shear walls[38, 52]

3.4 鋼管束混凝土組合剪力墻

2016 年，杭蕭鋼構(gòu)[53]提出了鋼管束混凝土組合剪力墻(見圖13)，陳志華等[54―55]研究了其設(shè)計(jì)方法和承載抗震性能。鋼管束混凝土組合剪力墻由多個(gè)C 形鋼并排連接形成鋼管束并在內(nèi)部澆筑混凝土而成。C 形鋼可根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)布置需要進(jìn)行靈活布置，再通過焊接連接在一起，充分發(fā)揮了鋼結(jié)構(gòu)制作工業(yè)化程度高、施工速度快的特點(diǎn)。研究表明：該類剪力墻中鋼管束和混凝土互相提供側(cè)向約束，組合效應(yīng)顯著。但組合剪力墻焊接作業(yè)量大，焊縫處材質(zhì)易于脆斷，且由于鋼管束內(nèi)腔空間有限，混凝土澆筑很難密實(shí)，需要采取切實(shí)措施。

圖13 鋼管束混凝土組合剪力墻截面圖[53] Fig.13 Sectional view of steel-tube-bundle-concrete shear walls[53]

3.5 波形鋼板-鋼管混凝土柱組合剪力墻

3.4 節(jié)中提及的鋼管束混凝土組合剪力墻在焊接方面有明顯缺點(diǎn)，除了已經(jīng)提到的焊接作業(yè)量大、生產(chǎn)效率低、影響剪力墻延性之外，在進(jìn)行上、下兩片剪力墻對(duì)接連接時(shí)，對(duì)接位置內(nèi)部的豎向板件難以施焊，不能上下連續(xù)貫通，由此使得這些內(nèi)部豎向板件無法直接傳遞軸向力?；诖耍P者課題組[56]提出了一種新型的波形鋼板-鋼管混凝土柱組合剪力墻(見圖14)，該類型剪力墻通過利用波折方向水平放置的波形鋼板將間隔布置的矩形鋼管混凝土柱連接而成。由于波形鋼板在水平方向的抗剪剛度及繞豎軸的面外抗彎剛度大，其補(bǔ)充了非鋼管混凝土柱位置處的面外彎曲剛度，且二者具有良好的協(xié)同受力作用。在實(shí)際應(yīng)用中，鋼管混凝土柱主要承擔(dān)軸力和彎矩，波形鋼板主要承擔(dān)剪力，二者結(jié)合后承載效率高。特別地，鋼管混凝土柱與波形鋼板依次連接的組成方式不會(huì)形成連續(xù)內(nèi)空腔截面，因此，在進(jìn)行上、下兩片剪力墻的對(duì)接連接時(shí)，所有板件都可以順利施焊，軸向力可以得到順暢傳遞。此外，為了獲得更加經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)，把組合墻中的鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)成其截面長邊與短邊寬度之比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2.0 的情況，此時(shí)在截面長邊一側(cè)設(shè)置一列或幾列對(duì)拉螺栓對(duì)其面外變形提供約束，在不降低板件寬厚比限值的條件下仍可獲得最優(yōu)的壓彎承載力設(shè)計(jì)效果。

圖14 波形鋼板-鋼管混凝土柱組合剪力墻[56] Fig.14 Corrugated-steel-plate-concrete-filled-steel-tubular shear walls[56]

3.6 波形鋼板混凝土組合墻

3.6.1 組成及作用

2018 年，筆者課題組[57―59]與浙江中南建設(shè)集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)有限公司提出了波形鋼板混凝土組合墻(見圖15)。波形鋼板混凝土組合墻將兩塊波形鋼板通過高強(qiáng)螺栓連接，在其鋼板形成的空腔內(nèi)澆筑混凝土形成墻肢部分，鋼管混凝土柱作為墻肢部分的豎向邊緣構(gòu)件。在波形部分中，由于波形鋼板本身具有的波形特征，波形鋼板具有遠(yuǎn)大于平鋼板的面外抗彎剛度和抗扭剛度，有效提高了其在壓彎剪組合作用下的受力性能。一方面，和其他鋼-混凝土組合剪力墻類似，波形鋼板混凝土組合墻的組合作用十分顯著，內(nèi)填混凝土對(duì)波形鋼板的單側(cè)約束作用以及高強(qiáng)螺栓對(duì)波形鋼板向外側(cè)撓曲變形的牽制作用均使波形鋼板的承載力大大提高。另一方面，內(nèi)填混凝土受波形鋼板以及高強(qiáng)螺栓的側(cè)向面外約束作用，其抗壓強(qiáng)度和延性也顯著提高。此外，高強(qiáng)螺栓還可作為波形鋼板和混凝土之間的剪力連接件，顯著提升了組合墻面外受彎整體性和抗彎性能。通過合理增大兩側(cè)鋼管混凝土的鋼管壁厚，鋼管混凝土可對(duì)波形部分提供有效的附加約束，其大大提升了組合墻抵抗面內(nèi)水平荷載的性能，改善了組合墻在地震作用下產(chǎn)生的塑性鉸區(qū)域的延性性能和耗能能力。綜合上述優(yōu)點(diǎn)，波形鋼板混凝土組合墻具有較高的承載力效率、較優(yōu)的抗震性能以及良好的延性。

圖15 波形鋼板混凝土組合墻[57] Fig.15 Concrete-infilled double steel corrugated-plate walls[57]

在實(shí)際施工中，波形鋼板混凝土組合墻能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和裝配化施工。首先，波形鋼板-高強(qiáng)螺栓體系的輥軋、沖孔、組裝、焊接、噴涂等工序均可在工廠中采用全自動(dòng)化或半自動(dòng)化生產(chǎn)線以及計(jì)算機(jī)控制成型工藝制作完成。波形鋼板基本單元在特制的輥軋?jiān)O(shè)備上自動(dòng)輥軋成型，單次成型面積較大，波形鋼板設(shè)計(jì)寬幅選擇靈活，一次輥軋長度可達(dá)到12 m(三層樓高)，生產(chǎn)效率高。輥軋成型的采用也避免了由單構(gòu)件(C 形或H 形)依次焊接制作組合墻所形成的焊縫缺陷及焊縫處的脆性破壞。接著在波形鋼板-高強(qiáng)螺栓體系運(yùn)輸至施工現(xiàn)場安裝就位后完成混凝土澆筑。在此過程中，波形鋼板 -高強(qiáng)螺栓體系又可以作為內(nèi)填混凝土的模板，不需要附加臨時(shí)支撐，施工速度快、施工成本低。

因此，波形鋼板混凝土組合墻具有承載效率高、抗震性能好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能做到工業(yè)化生產(chǎn)、裝配化施工，符合現(xiàn)階段我國住宅結(jié)構(gòu)高性能、裝配化的發(fā)展趨勢，特別適合應(yīng)用于裝配式多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑中。與混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系類似，波形鋼板混凝土組合墻與連梁可組成剪力墻結(jié)構(gòu)體系。在高層建筑平面布置中，設(shè)置組合墻可為結(jié)構(gòu)提供較大的抗側(cè)剛度，也能承擔(dān)壓彎剪荷載組合作用。但采用過多的組合墻會(huì)造成浪費(fèi)，因而，在非墻的位置可設(shè)置鋼管混凝土異形柱框架，組合墻與異形柱框架二者結(jié)合，不僅能避免室內(nèi)凸梁凸柱現(xiàn)象，也可獲得非常經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3.6.2 截面承載力設(shè)計(jì)理論

筆者課題組[57―59]通過理論分析、數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究對(duì)波形鋼板混凝土組合墻的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，重點(diǎn)解決了波形鋼板混凝土組合墻的截面強(qiáng)度承載力、整體穩(wěn)定承載力、墻肢穩(wěn)定承載力和抗震性能等問題，并用試驗(yàn)對(duì)有限元模型和設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了驗(yàn)證。

波形鋼板混凝土組合墻的截面強(qiáng)度承載力設(shè)計(jì)理論基于全截面塑性方法。從定性角度分析，當(dāng)高強(qiáng)螺栓縱向間距與波形鋼板厚度之比較大時(shí)，波形鋼板的局部屈曲將先于全截面屈服發(fā)生。因此，研究中確定了高強(qiáng)螺栓和波形鋼板的距厚比限值，當(dāng)組合墻的設(shè)計(jì)距厚比大于該限值時(shí)，需要考慮局部屈曲對(duì)截面強(qiáng)度的影響，反之則可直接采用全截面塑性方法對(duì)截面強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。在壓彎剪組合作用下，波形鋼板混凝土組合墻所受到的剪力完全由波形鋼板和平行于剪力墻平面的邊緣構(gòu)件鋼管壁板承擔(dān)，軸力和彎矩由鋼板和混凝土共同承擔(dān)，且不考慮受拉區(qū)混凝土的作用。因此，設(shè)計(jì)理論中還需要考慮剪力對(duì)波形鋼板豎向強(qiáng)度的削弱作用。波形鋼板混凝土組合墻的截面強(qiáng)度承載力設(shè)計(jì)公式如下：

式中：Nu、Nw、Nc分別為組合墻、波形部分和邊緣構(gòu)件的截面受壓承載力；Mu,N、Mw、Mc分別為組合墻、波形部分和邊緣構(gòu)件在軸壓力作用下的截面受彎承載力；Vu為組合墻截面受剪承載力；χ為塑性中和軸相對(duì)位置；φs為波形鋼板受壓局部屈曲穩(wěn)定系數(shù)；ρs為剪力對(duì)波形鋼板的削弱系數(shù)；λs為波形鋼板展開系數(shù)；fsw為波形鋼板鋼材抗拉抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fcw為波形部分混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fsc為邊緣構(gòu)件鋼材抗拉抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Asw為波形鋼板截面面積；Acw為波形部分混凝土截面面積；Asc,w為邊緣構(gòu)件中平行于組合墻受力平面的鋼板截面面積；bw為波形部分寬度。

3.6.3 整體穩(wěn)定承載力設(shè)計(jì)理論

由于波形鋼板在組合墻中的應(yīng)用，鋼材的高強(qiáng)度以及波形鋼板較高的受壓屈曲荷載使得波形鋼板混凝土組合墻的厚度往往較小，面外抗彎剛度較弱，當(dāng)組合墻的高度較大時(shí)可能發(fā)生整體面外失穩(wěn)破壞，因此，基于構(gòu)件穩(wěn)定理論建立了組合墻的整體穩(wěn)定承載力設(shè)計(jì)理論。首先，對(duì)一字形組合墻在受壓時(shí)的平面外整體彈性屈曲性能進(jìn)行分析，并以歐拉公式的形式為基礎(chǔ)給出彈性屈曲荷載和正則化長細(xì)比λg的計(jì)算公式。進(jìn)一步對(duì)受壓時(shí)的彈塑性穩(wěn)定極限承載性能進(jìn)行數(shù)值分析，計(jì)算受壓工況下的承載力以及整體穩(wěn)定系數(shù)φg，并建立φg-λg曲線。由于在純彎工況下截面受壓區(qū)域小，組合墻的受彎極限承載力受穩(wěn)定性影響較小，直接采用截面強(qiáng)度承載力設(shè)計(jì)理論即可得到準(zhǔn)確的結(jié)果。接著對(duì)壓彎組合作用下的彈塑性穩(wěn)定極限承載性能進(jìn)行數(shù)值分析，進(jìn)而給出用于平面外整體穩(wěn)定承載力計(jì)算的N/-M/相關(guān)曲線。波形鋼板混凝土組合墻的整體穩(wěn)定承載力設(shè)計(jì)公式如下：

式中：N為軸力設(shè)計(jì)值；M為彎矩設(shè)計(jì)值；為截面受彎承載力；φg為組合墻受壓整體穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算參數(shù)；fcc為邊緣構(gòu)件混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Acc為邊緣構(gòu)件混凝土截面面積；Asc為邊緣構(gòu)件鋼材截面面積。

3.6.4 墻肢穩(wěn)定承載力設(shè)計(jì)理論

由于波形鋼板在組合墻中的應(yīng)用，較小的墻厚也可能引起波形鋼板混凝土組合墻的墻肢穩(wěn)定問題。如對(duì)于平面C 形布置的組合墻，在受壓工況下截面中間腹板部分可能發(fā)生中部向面外鼓曲的墻肢失穩(wěn)破壞，由于此時(shí)腹板部分兩側(cè)的鋼管混凝土柱均沒有側(cè)向位移而只有繞軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)，可簡化為簡支邊界條件，所以將這類墻肢失穩(wěn)定義為四邊簡支條件下的墻肢失穩(wěn)。類似地，其翼緣部分可能發(fā)生自由部分向面外鼓曲的三邊簡支一邊自由條件下的墻肢失穩(wěn)。因此，需要基于板件穩(wěn)定理論建立波形鋼板混凝土組合墻肢穩(wěn)定承載力設(shè)計(jì)理論。研究過程和整體穩(wěn)定承載力設(shè)計(jì)理論較為相似，其在受壓工況下的墻肢穩(wěn)定承載力用φ-λ曲線給出，受彎工況下的墻肢受穩(wěn)定性影響小，直接采用截面強(qiáng)度理論計(jì)算。之后對(duì)壓彎組合作用下的墻肢穩(wěn)定極限承載性能進(jìn)行數(shù)值分析，進(jìn)而給出墻肢穩(wěn)定承載力N/Nu-M/Mu相關(guān)曲線。以四邊簡支波形鋼板混凝土組合墻肢穩(wěn)定為例，其設(shè)計(jì)公式如下：

3.6.5 試驗(yàn)研究

筆者課題組[57―59]還完成了25 個(gè)試件的單調(diào)承載性能試驗(yàn)或滯回性能試驗(yàn)，其中包括17 個(gè)一字形平面布置組合墻試件、4 個(gè)T 形平面布置組合墻試件和4 個(gè)墻梁節(jié)點(diǎn)試件(見圖16～圖19)。試驗(yàn)結(jié)果直接反映了波形鋼板混凝土組合墻及其墻梁節(jié)點(diǎn)良好的承載性能和滯回性能，也驗(yàn)證了相關(guān)有限元模型和設(shè)計(jì)公式的有效性。

3.6.6 《波形鋼板組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 624―2019)[60]

基于上述對(duì)波形鋼板剪力墻以及波形鋼板混凝土組合墻的受力性能以及設(shè)計(jì)理論的研究成果，清華大學(xué)與浙江中南建設(shè)集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)有限公司聯(lián)合其他高校、設(shè)計(jì)和施工單位，編制了《波形鋼板組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 624―2019)[60](以下簡稱《規(guī)程》)。

《規(guī)程》適用于波形鋼板組合結(jié)構(gòu)在多層、高層民用建筑工程中的設(shè)計(jì)、制作、安裝及驗(yàn)收?！兑?guī)程》中詳細(xì)地規(guī)定了波形鋼板組合結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)要求，并系統(tǒng)地給出了波形鋼板混凝土組合墻的截面強(qiáng)度承載力、整體穩(wěn)定承載力和墻肢穩(wěn)定承載力設(shè)計(jì)公式，以及包括單波形鋼板墻、豎向加勁波形鋼板墻、平行對(duì)扣和正交對(duì)扣雙波形鋼板墻在內(nèi)的受剪穩(wěn)定承載力設(shè)計(jì)公式。《規(guī)程》中還對(duì)波形鋼板組合結(jié)構(gòu)的防護(hù)設(shè)計(jì)、制作安裝、驗(yàn)收等進(jìn)行了規(guī)定。

圖16 波形鋼板混凝土組合墻滯回試驗(yàn) Fig.16 Hysteresis experiments of concrete-infilled double steel corrugated-plate walls

圖17 波形鋼板混凝土組合墻滯回曲線 Fig.17 Hysteretic curve of concrete-infilled double steel corrugated-plate walls

圖18 波形鋼板混凝土組合墻墻梁節(jié)點(diǎn)試驗(yàn) Fig.18 Experiments of wall-beam joints of concrete-infilled double steel corrugated-plate walls

圖19 波形鋼板混凝土組合墻墻梁節(jié)點(diǎn)滯回曲線 Fig.19 Hysteresis curve of wall-beam joints of concrete-infilled double steel corrugated-plate walls

在《規(guī)程》中定義的波形鋼板混凝土組合墻結(jié)構(gòu)體系中，在非墻位置并行布置鋼管混凝土異形截面柱框架，可完全避免一般框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的凸梁凸柱現(xiàn)象，更適合應(yīng)用在住宅鋼結(jié)構(gòu)體系中。在建筑和結(jié)構(gòu)平面布置中，可在需要較大豎向承載力和較 大抗側(cè)剛度的位置布置波形鋼板混凝土組合墻，在遠(yuǎn)離墻的位置用鋼管混凝土異形截面柱框架補(bǔ)充，二者結(jié)合可獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)效益?！兑?guī)程》中亦給出了鋼管混凝土異形截面柱的基本構(gòu)造、設(shè)計(jì)要求和承載力設(shè)計(jì)公式。筆者課題組研究成果表明，《規(guī)程》中給出的鋼管混凝土異形截面柱承載力設(shè)計(jì)公式適用于其受軸壓力和端部雙向彎矩共同作用時(shí)的工況，計(jì)算中先確定異形柱在僅受壓和受彎工況下的穩(wěn)定極限承載力，再采用相關(guān)曲線計(jì)算其在壓彎組合作用下的承載力。以鋼管混凝土L 形截面柱為例，公式如下：

3.6.7 工程應(yīng)用

目前，波形鋼板混凝土組合墻-鋼管混凝土異形截面柱結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)在河北省滄州市某工程得到了應(yīng)用(見圖20)。該工程建筑高度為52.1 m，波形鋼板混凝土組合墻厚度為150 mm，波形鋼板厚度為4 mm，結(jié)構(gòu)底部區(qū)域增厚為5 mm；鋼管混凝土異形截面柱鋼板厚度為8 mm，結(jié)構(gòu)底部區(qū)域增厚為10 mm。

圖20 滄州市某工程應(yīng)用波形鋼板混凝土組合墻- 鋼管混凝土異形截面柱結(jié)構(gòu)體系 Fig.20 Application of combined concrete-infilled double steel corrugated-plate wall and special shaped concrete-infilled steel tubular structure system in Cangzhou

4 結(jié)論

本文回顧了近幾十年來剪力墻在材料和截面型式上的發(fā)展歷程，分析了各類剪力墻的受力機(jī)理和優(yōu)缺點(diǎn)，并著重介紹了波形鋼板剪力墻和波形鋼板混凝土組合墻在設(shè)計(jì)理論上的最新研究進(jìn)展和關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。下面對(duì)本文結(jié)論進(jìn)行分點(diǎn)概述：

(1) 由于剪力墻體系在承載性能、抗震性能以及建筑布局上的優(yōu)勢，其已經(jīng)越來越多地被應(yīng)用到住宅結(jié)構(gòu)中。剪力墻經(jīng)歷了鋼筋混凝土、純鋼、鋼 -混凝土組合的發(fā)展歷程。隨著材料和截面型式的不斷更新，剪力墻逐步體現(xiàn)出高性能、裝配化的發(fā)展方向，符合目前我國住宅建筑的發(fā)展需求。

(2) 著重介紹了多種型式的波形鋼板剪力墻的受力機(jī)理、設(shè)計(jì)理論研究過程及其在單調(diào)荷載作用和水平往復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)研究成果。

(3) 著重介紹了波形鋼板混凝土組合墻的受力機(jī)理和裝配化加工過程，闡述了針對(duì)波形鋼板混凝土組合墻的截面強(qiáng)度承載力、整體穩(wěn)定承載力、墻肢穩(wěn)定承載力和抗震性能等問題的研究過程、試驗(yàn)結(jié)果以及設(shè)計(jì)理論，給出了部分關(guān)鍵設(shè)計(jì)公式。

(4) 介紹了《波形鋼板組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的適用范圍和編制內(nèi)容，簡要說明了波形鋼板混凝土組合墻-鋼管混凝土異形截面柱框架結(jié)構(gòu)體系中異形柱的設(shè)計(jì)方法。