張愛林，蘇 磊，曹志亮，浦雙輝，林海鵬

(1 北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124；2 北京工業(yè)大學北京市高層和大跨度預應力鋼結構工程技術中心，北京 100124；3 北京建誼投資發(fā)展(集團)有限公司，北京 100071)

0 概述

鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結構體系是一種融合了鋼框架和防屈曲鋼板剪力墻結構優(yōu)點的新型結構體系[1]，該體系由邊框架、內(nèi)嵌鋼板、預制混凝土板、對拉螺栓、魚尾板構成。內(nèi)嵌鋼板與框架構成了雙重抗側力體系，其初始剛度和承載力較大，具有良好的耗能能力而被證明是優(yōu)秀的抗震結構，并且特別適合于高烈度地區(qū)[2]。防屈曲鋼板剪力墻是在鋼板剪力墻的基礎上產(chǎn)生的一種新型抗側力構件，該構件在鋼板兩側增加混凝土蓋板，采用對拉螺栓將鋼板與兩塊混凝土板連接。在荷載作用下，混凝土板能夠抑制鋼板剪力墻發(fā)生平面外失穩(wěn)從而形成防屈曲鋼板墻，由此提高了鋼板剪力墻的抗震性能[3]。在高層鋼結構住宅中門窗洞口較多，抗側力構件布置比較困難，但兩邊連接屈曲約束鋼板剪力墻的平面布置更加靈活，因此許多專家學者近幾年在該方向進行了不同的研究[4-5]。

1 研究現(xiàn)狀

吳兆旗等[6]推導了適用于不同連接方式的剪力墻的承載力計算公式，提出了保證內(nèi)嵌鋼板完全形成拉力帶時端柱的截面要求。劉文洋等[6]提出了兩邊連接屈曲約束鋼板墻的屈服承載力和初始剛度的計算公式。李國強等[8-9]給出了兩邊連接鋼板剪力墻屈曲系數(shù)的簡化計算公式，確定了約束板剛度要求的設計公式，并提出了約束板的承載力驗算方法。范重等[10]提出了一種豎向分塊蓋板防屈曲鋼板剪力墻，該類型剪力墻減輕了單個蓋板的質量。郭彥林等[11-12]給出了防屈曲鋼板墻結構設計中的混凝土蓋板約束厚度及連接螺栓最大間距的參考公式。

在實際工程應用中，鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結構體系的應用并不是很廣泛，也存在一些待解決的問題。本文以首鋼二通廠南區(qū)棚改定向安置房項目1#住宅樓(24層)為例，對采用鋼框架(鋼管混凝土柱+H型鋼梁)+防屈曲鋼板剪力墻的裝配式鋼結構體系展開研究，并將鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結構體系與其他相近的結構體系進行了對比分析；同時針對防屈曲鋼板剪力墻(圖1)在實際應用中存在的問題進行了分析，并提出了應對措施。

圖1 防屈曲鋼板剪力墻

2 項目概況

首鋼二通廠南區(qū)棚改定向安置房項目(圖2)為裝配式鋼結構項目，位于北京市豐臺區(qū)，總建筑面積83 091.33m2，住宅部分包含1#～4#樓。結構設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級，抗震設防烈度為8度(0.2g)，設計地震分組為第二組，場地土類別為Ⅱ類，場地特征周期0.4s，地面粗糙度類別為B類，基本風壓為0.45kN/m2。本文針對該項目典型的1#樓結構體系進行研究。1#樓地下共2層，層高均為3.30m；地上共24層均為標準層(圖3)，層高為2.90m，采用了鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結構體系，框架柱為鋼管混凝土柱，梁采用H型鋼梁，混凝土強度等級為C40～C70，柱、梁、墻鋼材材質均為Q345C，地上樓板厚度為130mm。

圖2 建筑效果圖

圖3 1#住宅樓標準層平面布置圖

3 結構體系比選

為研究不同抗側力構件對結構性能的影響，本文對結構抗側力構件分別采用防屈曲鋼板剪力墻、中心支撐以及組合鋼板剪力墻的結構體系進行了計算分析；同時為研究鋼板剪力墻的布置對結構整體性能的影響，對防屈曲鋼板剪力墻布置在結構外圍和外圍+分戶墻內(nèi)的情況分別進行了計算分析。設計分析采用YJK軟件。

3.1 鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻與鋼框架+中心支撐對比

鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結構體系和鋼框架+中心支撐結構體系的計算模型結構平面布置如圖4所示。兩種結構體系關鍵技術指標計算結果如表1所示。由表1可知，在結構最大層間位移角與扭轉位移比相近且各項指標均能滿足規(guī)范限值要求時，鋼框架+中心支撐結構體系與鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結構體系相比，用鋼量增加約2.8kg/m2，自密實混凝土用量共增加約20m3。

圖4 結構平面布置圖

此外，由于住宅中結構外圍墻開洞較多，不適宜布置中心支撐，支撐只能布置于核心筒及結構分戶墻處；同時，由于中心支撐與鋼柱之間的夾角為35°～55°時較為合適[13]，因此鋼框架+中心支撐結構體系需在原結構布置基礎上增加鋼柱布置，由此帶來的附加梁柱會對建筑功能造成一定程度的影響。

鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻與鋼框架+中心支撐結構關鍵技術指標對比 表1

基于以上分析，鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結構體系比鋼框架+中心支撐結構體系在高層裝配式鋼結構住宅項目中應用更有優(yōu)勢。

3.2 鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻與鋼框架+組合鋼板剪力墻對比

鋼框架+組合鋼板剪力墻結構體系的計算模型結構平面布置如圖5所示。鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結構體系和鋼框架+組合鋼板剪力墻兩種結構體系的關鍵技術指標計算結果如表2所示。由表2可知，兩種結構體系的最大層間位移角均能滿足《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3—2010)[14](簡稱高規(guī))和《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[15]中的限值要求(鋼框架+組合鋼板剪力墻的最大層間位移角限值為1/800，鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻為純鋼結構，最大層間位移角限值為1/250)；在結構受力性能指標均能滿足規(guī)范限值要求且與限值均相差較小的情況下，鋼框架+組合鋼板剪力墻在X向和Y向的基底剪力與傾覆力矩均大于鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結構體系，對底部嵌固端有更高的設計要求；鋼框架+組合鋼板剪力墻結構體系的結構構件材料用量增加較多，與鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結構體系相比，用鋼量增加約36.4kg/m2，自密實混凝土用量共增加約756m3。

圖5 鋼框架+組合鋼板剪力墻結構平面布置圖

此外鋼框架+組合鋼板剪力墻結構體系中組合鋼板剪力墻的加工制作、現(xiàn)場墻內(nèi)混凝土的澆筑等均會增加施工成本。

基于以上分析，鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結構體系比鋼框架+組合鋼板剪力墻結構體系在高層裝配式鋼結構住宅項目中應用有明顯優(yōu)勢。

3.3 防屈曲鋼板剪力墻的不同布置位置方案對比

為研究防屈曲鋼板剪力墻的布置對結構整體性能的影響，不改變防屈曲鋼板剪力墻的尺寸和數(shù)量，將部分防屈曲鋼板剪力墻的布置位置由結構外圍(圖4(a))改為外圍+分戶墻的位置，如圖6所示。

鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻與鋼框架+組合鋼板剪力墻關鍵技術指標對比 表2

圖6 鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結構平面布置圖(外圍+分戶墻)

兩種布置關鍵技術指標計算結果如表3所示。由表3可知，部分防屈曲鋼板剪力墻布置于外圍+分戶墻的位置時，結構第2振型出現(xiàn)扭轉，周期比為0.98，說明此布置方案下的結構抗扭剛度不足；結構X向和Y向最大層間位移角相較于防屈曲鋼板剪力墻布置于結構外圍時增加61%，且Y向最大層間位移角大于1/250[15]；部分防屈曲鋼板剪力墻布置于外圍+分戶墻的位置時，結構扭轉位移比與防屈曲鋼板剪力墻布置于結構外圍時相差不大?？梢姡嗤叽绾蛿?shù)量的防屈曲鋼板剪力墻布置于結構外圍時可以提供較大的剛度，提高結構的抗傾覆能力，減小結構扭轉。因此，防屈曲鋼板剪力墻布置于結構外圍時，結構受力更加合理。

4 防屈曲鋼板剪力墻設計存在的問題及應對措施

4.1 鋼梁約束條件對鋼板剪力墻性能的影響

現(xiàn)有兩邊連接防屈曲鋼板剪力墻受力性能的模擬分析和試驗中，均假定鋼梁對剪力墻是剛性約束。

防屈曲鋼板剪力墻不同布置方案關鍵技術指標對比 表3

國內(nèi)規(guī)范中也未對鋼梁的剛度做出具體要求。美國規(guī)范[16]中對四邊連接的鋼板非加勁鋼板剪力墻，要求與剪力墻連接的梁慣性矩Ib不小于0.003 1L4/h，其中L為約束墻的柱中心線距離，h為約束墻的柱軸線距離，由此可知，剪力墻的受力性能與鋼梁的剛度有密切關系。

為此，本文分析了與剪力墻連接的鋼梁對鋼板剪力墻受力性能的影響，針對本項目中的防屈曲鋼板剪力墻和與之對應的框架梁柱，利用ABAQUS軟件進行了整體水平靜力有限元分析，并與梁剛度無限大的分析結果以及規(guī)范計算結果進行對比。

有限元模型材料為Q345C鋼材，框架柱截面為□400×400×16×16(內(nèi)灌混凝土)，框架梁截面為H500×200×12×20，鋼板剪力墻尺寸為-2 400×1 250×12。鋼板剪力墻承載力Fw通過帶剪力墻的框架承載力Fc(圖7(a))與有限元分析得到的純框架承載力Ff(圖7(b))相減得出，如式(1)所示。

圖7 有限元模型

Fw=Ff-Fc

(1)

剪力墻的設計承載力及設計剛度分別根據(jù)式(2)和式(3)[17]計算。鋼板剪力墻有限元分析的荷載-位移曲線與規(guī)范值對比如圖8所示。

圖8 鋼板剪力墻荷載-位移曲線

(2)

(3)

式中：Kw為鋼板剪力墻的設計剛度；E為鋼材的彈性模量；tw為鋼板剪力墻厚度；ν為泊松比。

由圖8可知，普通梁時剪力墻設計剛度Kw=78kN/mm，剛性梁時剪力墻設計剛度Kn=175kN/mm，兩者相差124%，由此可知，梁的剛度對鋼板剪力墻的極限承載力、抗側移剛度有著明顯影響，尤其是對鋼板剪力墻彈性階段的抗側移剛度影響最為顯著。由圖8中規(guī)范值與剛性梁計算值對比可以看出，根據(jù)式(3)計算得到的抗側移剛度與梁剛性假定時基本一致。不管梁是否剛性假定，設計承載力均低于剛性梁和普通梁的結果；梁的剛度對剪力墻的抗側移剛度有一定程度的影響。實際工程設計中，由于梁柱截面及剪力墻規(guī)格不同對剪力墻的受力性能影響程度不同，應根據(jù)具體情況考慮梁剛度對剪力墻抗側移剛度的影響大小。

以上結論僅適用于本項目中的梁墻規(guī)格、樓板約束條件。當以上參數(shù)發(fā)生變化時，該問題需要重新研究。

4.2 鋼板剪力墻對鋼梁的影響

文獻[4]分析了帶邊框的兩邊連接防屈曲鋼板剪力墻與等代支撐簡化模型，無論何種情形，剪力墻兩端對應梁的位置處均有較大的應力。為了研究鋼板剪力墻對連接鋼梁的影響，本文建立3組不同參數(shù)的有限元模型分析鋼梁的受力狀態(tài)變化，分別為普通梁框架模型(圖9(a))，局部加勁肋框架梁模型(圖9(b))和局部加勁肋以及梁腹板加厚的框架模型(圖9(c))。

圖9 鋼梁應力分析結果/MPa

由圖9(a)可知，在一定的位移作用下，與剪力墻相連的區(qū)域鋼梁腹板有較大的主應力；當鋼梁在此區(qū)域設置局部豎向和橫向加勁肋時，該區(qū)域應力有所減小，如圖9(b)所示；當進一步加厚鋼梁腹板時，該區(qū)域的最大應力有明顯的減小，如圖9(c)所示。因此，為了減小鋼板剪力墻對鋼梁局部的影響，在與剪力墻相連區(qū)域的鋼梁腹板設置了加勁肋并且加大了鋼梁腹板厚度。

5 結論

(1)鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結構體系相較于鋼框架+中心支撐結構體系和鋼框架+組合鋼板剪力墻結構體系，布置更加靈活，更適用于門窗洞口較多的高層裝配式鋼結構住宅建筑。

(2)鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結構體系與鋼框架+組合鋼板剪力墻結構體系相比，底部剪力、傾覆力矩等較小，對嵌固端要求更低，結構的用鋼量和混凝土用量更少，施工成本更低。

(3)防屈曲鋼板剪力墻的布置對結構扭轉影響較大，相同尺寸和數(shù)量的防屈曲鋼板剪力墻布置于結構外圍時可提供較大的剛度，增加結構抗傾覆能力，減小結構扭轉。

(4)鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻結構體系中梁的剛度對剪力墻的抗側移剛度有一定程度影響，并隨著梁柱截面及剪力墻規(guī)格不同影響程度不同。因此在實際工程中，應具體分析梁剛度對剪力墻抗側移剛度的影響，可進一步展開對兩者數(shù)值關系的研究。

(5)受鋼板剪力墻的影響，與剪力墻相連的區(qū)域鋼梁腹板存在較大的主應力。在該區(qū)域設置加勁肋和加厚腹板能夠有效減緩該區(qū)域梁的應力，減小鋼板剪力墻對鋼梁局部的影響。