钢板剪力墙研究现状和工程应用.docx

钢板剪力墙研究现状和工程应用段清星1 邹自明2 曾清华1 何欢欢1 赵伟31.江苏科技大学上建学院，镇江212003 2.中天建设集团浙江钢构有限公司，杭州，311305 3.浙江交通职业技术学院路桥学院，杭州311112提要：钢板剪力 墙作为为一种新型 抗侧力体系正逐渐应 用于我国高烈度抗 震地区。根据工程 的需要、设 计技术的规定和 力学性能的要求，对铜板剪力墙进行了分类；并对钢板墙与钢框架的连接方式进行了探讨。 详细介绍了承受 有限竖向荷载的钢 板剪力墙在实际工程 中的应用，同时指 出其应用的不足;进而提出了钢 板剪力墙在压剪和弯矩作用下的设计原理及设计方法。关键词：钢板剪力墙；有限竖向荷载；加劲肋；压剪钢结构工程研究钢结构2012增刊板处于弹性阶段，对框架梁柱的依赖程度较小。厚板剪力墙能满足抗震设计的“三水准” 设计原则，但耗钢量大、成本高，且刚度调整不便，其应用受到一定的限制。薄板剪力墙(名250)起源于20世纪80年代的加拿大。设计原则是基于板的屈曲后强度可达数10倍的屈曲荷载，由此可以充分利用板屈曲后的强度。薄钢板墙的宽厚比大，在 侧向力较小时会发生局部屈曲；并且随着侧向力的增加，在板的对角线位置会形成拉力带。 拉力带的形成使框架柱产生附加弯矩，削弱了柱的正常承载力，从而提高了对周边柱的要 求。此外，薄钢板墙在加载过程中会发出类似击鼓的屈曲响声，使人产生不安全感，同时 产生较大面外变形，有碍美观；当边缘梁柱铰接时，在钢板墙届曲后的反向加载过程中， 板会经历一个拉平的过程，该过程中板基本不能承受侧向力的作用，使得板的滞回曲线有 捏缩现象。2)两边连接钢板剪力墙剪力墙板只与周边梁连接，不与柱连接，这样有利于门窗洞口的设置，又避免对周边 柱的不利影响。美国的xue和lu两位学者于1994年率先提出了两边连接钢板剪力墙， 如图1所示。文献13】【4】对两边连接钢板剪力墙作出了系统的研究。在钢结构住宅中，两边连 接钢板剪力墙满足了使用功能上的需要。但是板与柱的脱离，使板在侧向力加载初期面积 减小，从而使板的侧移刚度和承载力都有所下降；拉力带形成后，板的部分区域不能得到 有效利用，板的拉力带面积减小，进而引起极限承载力的降低。图1两边连接钢板剪力墙3)加劲和非加劲钢板墙 按照剪力墙板是否设置有加劲肋，可分为非加劲和加劲钢板剪力墙。 (1)非加劲钢板墙 几种典型的非加劲钢板剪力墙结构体系如下：剪力墙与梁柱铰接组合，剪力墙与梁柱刚接组合及耦合剪力墙等。如上所述的厚钢板剪力墙、未加劲的薄钢板剪力墙、两边连接钢板剪力墙都属于非加劲钢板剪力墙。 (2)加劲钢板墙加劲钢板墙起源于20世纪70年代的日本。加劲不仅可以提高钢板墙的面外抗弯刚度，而且能够延缓钢板的屈曲，提高钢板的极限承载力及滞回性能。对薄钢板剪力墙，设置加89钢结构工程研究钢结构2012增刊劲肋可以将薄板分割成类似厚钢板的几个小区格，提高其局部屈曲荷载，并克服薄钢板滞 回曲线的“捏拢”现象。厚钢板剪力墙的承载力相对薄板要高，所以，在厚钢板上设置加 劲肋，效果并不明显。根据加劲肋的设置形式可以分为横向加劲、竖向加劲、纵横加劲、对角交叉加劲肋和 门、窗洞边加劲肋等，如图2所示。文献【5】和文献f6】分别对纵横加劲和交叉加劲钢板剪力墙 进行了分析，研究表明纵横加劲和交叉加劲钢板剪力墙均能有效的抑止板屈曲后发生较大 的面外变形，同时可以极大的提高钢板剪力墙的承载能力，具有较好的延性。文献7指出：现行高层建筑钢结构规范用于纵横加劲板局部屈曲荷载的设计表达式仅适用于7740(77为劲肋刚度系数)的条件，而在7740范围内，其计算结果偏于不安全。文献【8】对设置纵横向加劲受剪钢板剪力墙刚度和变形性能进行研究后，认为劲肋刚度系(y=皿伪，e为弹性模量，。为加劲肋截面惯性矩，d为剪力墙钢板抗弯刚度，jil为钢板剪力墙高度)约 为30时，加劲性能即可以接受，又节省钢材，即加劲肋门槛刚度为30。文献9】对多种加劲 肋情况进行研究后，认为四边简支板仅设置竖向加劲肋时，门槛刚度应为5。以上的研究均 是针对加劲区格为正方形的情况。(a)横向加劲(b)纵向加劲(c)纵横加劲(d)交叉加劲图2加劲钢板剪力墙形式4)开竖缝钢板墙开竖缝钢板剪力墙(steel platc she盯wall with slits，简称spws)由日本九州大学的toko hitaka和chiaki m弱tsui教授提出的，是指用激光在钢板上按一定的间距开设宽度约钢结构工程研究钢结构2012增刊为lo mm的竖缝、并利用缝间小柱变形耗能的一种新型抗侧力构件il 0|，如图3所示。在横向 风荷载或地震荷载作用下，带竖缝钢板剪力墙从钢板受剪变为由竖缝分割的“钢板柱”受 弯，并由剪切屈曲变为弯曲屈曲【111。材料强化对带缝钢板剪力墙的极限承载力有近lo的 提高；中间壁高度会影响柱状部的塑性发展程度；竖缝会使钢板剪力墙的屈曲荷载有3040的降低【12】。 大量的实验研究和数值分析表明，该剪力墙具有稳定的滞回环，在地震中表现出良好的塑性性能；并能够方便的调整刚度和承载力。同时具有布置灵活；自重轻、施工精度高、 施工周期短等优点。开缝钢板剪力墙结构不仅在日本的3个实际工程中都得到了应用，也应 用在中国四川都江堰小区钢结构住宅中。1991年，日本的西日本技术开发公司率先将其应 用到九电工福岗分店和九电工熊本分店的办公大楼中；在国内，上海宝钢在两批足尺寸试 验的基础上，已将其应用在四川都江堰灾后重建重点项目一幸福家园逸苑钢结构住宅中。图3开竖缝钢板剪力墙构造5)组合钢板墙组合钢板墙是用抗剪螺栓在钢板一侧或两侧固定钢筋混凝土预制墙板的组合构件。组 合钢板墙根据混凝土墙板与周边梁、柱结合方式又分为“传统”的和“改进”的组合钢板 墙。“改进”型组合墙与“传统”组合墙的最大区别在于：混凝土墙板与周边梁、柱间预 留适当的缝隙。“改进”型组合墙的预制墙板与周边框架脱离，这样，在小位移作用下， 就避免了周边框架的挤压作用，同时又能抑制钢板墙的面外屈曲，并显著提高了整体平面 内刚度和承载能力。试验表明【1 31，改进型组合钢板剪力墙的塑性更好，混凝土墙板的破坏 也轻于传统组合墙。图4为传统与改进型组合钢板墙示意图。组合钢板剪力墙的主要特点【141： (1)混凝士墙板相当于给内部钢板提供了侧向约束，从而提高了其屈曲强度。 (2)组合钢板墙主要由钢板抗震耗能，这就避免了混凝土剪力墙的刚度和承载力发生退化的问题。(3)混凝土墙板不仅可以起到防火、保温、隔音等作用，又能减少后续工作量，降低 施工成本。9l钢结构工程研究钢结构2012增刊航勇螺牲混磁工墙椒二二一二一1二二二二_二二17己o7 r。iooooooo fooo，、。r厂、i!j兰!二兰：兰三、卜l一i留有缝隙(a)传统组合墙(b)改进组合墙 图4传统与改进型组合钢板墙6)防屈曲钢板剪力墙组合钢板剪力墙在大变形的作用下，混凝土盖板发生破坏，失去对内嵌钢板的约束作 用。在这种情况下，文献15提出了防屈曲钢板剪力墙，它是由内嵌钢板与其两侧的预制 混凝土盖板通过螺栓连接而成的。预制混凝土盖板与周边框架梁柱之间预留一定的间隙，在大震下允许混凝土盖板与钢板之间产生相对滑移，并确保两侧混凝土盖板不发生严重破 坏，从而保证内嵌钢板获得良好的承载性能和耗能性能。内嵌钢板与混凝土盖板之间通过普 通螺栓或预应力高强度螺栓连接，并在混凝土盖板上开椭圆型孔，以便螺栓有足够的滑移 空间。内嵌钢板受到两侧混凝土板的约束后，受力机制由普通钢板墙的拉力带机理转化为 以剪切机制为主，从而使墙板对两侧柱子的附加弯矩大大降低，对抗震有利【l 61。7)低屈服点钢板墙低屈服点钢材的定义最早由日本学者提出，即材料屈服强度厂=100口165舰的钢材。采用低屈服点钢材的钢板墙可以降低墙板拉力场的强度，提高钢板剪力墙的耗能能力 及延性。文献【17的试验表明，低屈服点钢材的屈服强度不到q235钢材的一半，但伸长率 却是q235钢材的2倍多，并且抗剪滞回环呈饱满的梭形，这表明了低屈服点钢材具有优良 的滞回性能。此外，低屈服点钢材还具有更长的低周循环疲劳寿命和更好的可焊性等优点。 8)承受有限竖向荷载的钢板墙目前的研究和设计中，均假定钢板墙只承受水平荷载，竖向荷载完全由周边的框架柱 承担。然而实际工程中，钢板墙同时承受水平荷载和竖向荷载；当钢板墙承受竖向荷载时， 水平抗剪能力必然下降。有限竖向荷载是指使剪力墙水平抗剪能力下降小于25的荷载， 所以不会严重降低剪力墙的初始刚度和极限承载力【18】。天津津塔的设计考虑了竖向荷载的 存在，为了减小竖向荷载，使之成为有限竖向荷载，在钢板墙主体结构楼面混凝土浇注完 成15层后才允许与核心筒结构刚接，这样就减小了钢板墙所承受的竖向荷载。钢板剪力墙的连接钢板剪力墙的连接一般是指内嵌钢板与周边框架的连接，连接形式通常有焊缝连接、 螺栓连接和混合连接。同时连接作为保证结构完整性的必要条件，因此它的重要性就不言钢结构工程研究钢结构2012增刊而喻。在设计中一般又要求结构在地震作用下要达到“小震不坏”，“中震可修”，“大 震不倒”三水准防设，这就对结构在地震作用下保持整体性提出了更高的要求。因此，内 嵌钢板与周边框架的连接形式又成为钢板剪力墙设计和研究中的一个热点问题。 1)焊缝连接焊缝连接是现代钢结构中最主要的连接方式，它的优点是任何形状的结构都可采用焊 缝连接，且构造简单。焊缝连接一般不需拼接材料，不会削弱构件截面，省钢省工，而且 能实现自动化操作，生产效率高。但焊缝连接也存在着焊接残余应力和焊接操作平台难以 搭设等问题。钢板剪力墙结构采用预留焊缝的方式来减小竖向应力，但实际上钢板剪力墙焊接后还 会受到竖向荷载的影响；竖向荷载与焊接应力叠加，从而产生更大的蛏向应力。设计要求 钢板剪力墙不承受竖向荷载，而叠加后竖向应力的存在，违反了钢板剪力墙不承受竖向应 力的设计假设，导致钢板剪力墙抗侧能力降低，因此在设计中应考虑焊接残余应力对钢板 的影响。天津津塔工程的设计原则，钢板墙在主体结构楼面混凝土浇注完成15层后才允许 与核心筒结构刚接，这样就减小了钢板墙承受的竖向荷载。现在工程项目大，施工周期长，使得焊接操作平台搭设困难，因受钢板墙本身阻隔，钢板墙焊接的操作平台无法以传统方式与钢梁钢柱进行附着；若采用搭设满堂架的方法， 则由于结构超高，需要大量的架料和架子工。所以，如何进行钢板墙焊接操作平台搭设， 也是我们现在进行焊接所要考虑的重点问题。施工周期过长，可能会使焊接经历较长时间， 如天津津塔的钢板墙焊接期间要跨越一个冬季。低温及大风气候条件下，处于强约束状态下的钢板墙焊接焊缝发生裂纹的风险概率更高，尤其是横向t形对接焊缝il引。2)螺栓连接螺栓连接是继焊接之后发展起来的一种新型钢结构连接形式。其特点是施工方便，可 拆可换、传力均匀、接头刚性好，承载能力大，疲劳强度高，螺母不易松动，结构安全可 靠【201。随着螺栓连接技术的不断发展，螺栓连接由粗制螺栓发展成为有精致螺栓和技术先 进的高强螺栓。螺栓有普通螺栓和高强度螺栓之分。普通螺栓的优点是装卸便利，不需特殊设备。适 用于安装连接和需要经常拆装的临时结构。高强度螺栓用强度较高的钢材制作，安装时通 过特制的扳手，以较大的扭矩上紧螺帽，使螺杆产生较大的预拉力。高强度螺栓的预拉力 使连接构件之间产生挤压力，从而使垂直于螺杆方向有很大的摩擦力，外力通过摩擦力来 传递，这种连接称为高强度螺栓摩擦型连接。它的优点是加工方便，对构件的削弱较小， 可拆换，能承受动力荷载，耐疲劳，韧性和塑性好。此外，高强度螺栓也可以设计成同普 通螺栓一样，依靠螺杆和螺孔之间的承压来受力。这种连接称为高强度螺栓承压型连接。 由于高强度螺栓连接方便，传力可靠，故在工程实践中被广泛采用。钢板剪力墙与周边边缘构件之间的连接通常是通过连接板实现的，两侧连接板同周边 边缘构件通常采用焊缝连接方式，而钢板剪力墙同两侧连接板之间可以采用高强螺栓连接 或焊接连接两种方式。这样同时存在螺栓连接和焊缝连接的称之为混合连接。钢结构工程研究钢结构2012增刊4工程概况介绍到目前为止，全球采用钢板剪力墙作为抗侧力结构的代表性建筑有：东京的shin nittetsu building(20层，1970年)和shul(u nomlm tower(53层)、德州达拉斯的hya仕 regency hotel(30层，1978年)、宾州比兹堡的mellon balll【center(50层)、天津的津塔(75 层)、昆明的世纪广场、深圳梅山苑等。下面简要介绍几个工程实例。1)天津津塔天津津塔是我国首座采用钢板剪力墙的超高层建筑，也是目前已知规模最大的钢板剪 力墙结构。津塔位于天津市兴安路北侧，沿海岸边，基地面积为222579平方米，由一幢75 层的塔楼和一幢30层的公寓楼组成，所有单体下部均设4层地下室，并共享同一基础层。天津津塔塔楼房屋高度为3369米(室外地面到主要屋面)，属于超高层建筑，采用“钢 管混凝土柱框架+核心钢板剪力墙体系+外伸刚臂抗侧力体系”的结构体系，其中钢板剪力 墙作为抗侧力体系的重要组成部分【211。塔楼的外围框架部分由钢管混凝土柱和宽翼缘钢梁 组成，周边典型柱距约为65米，外框架柱刚接。核心筒由钢管混凝土柱和内填结构钢板的 宽翼缘钢梁组成，钢板剪力墙位于结构的核心筒区域。核芯筒钢板墙自地下4层开始，至地上44层，每层有15块钢板墙；地上45、46层，每层有13块钢板墙；4749层，每层有9块钢 板墙；5053层，每层有5块钢板墙。图5中，图a为天津津塔的标准层平面图，图b为天津津 塔效果图。图a标准层结构平面图图b天津津塔效果圈图5天津津塔2)昆明世纪广场昆明世纪广场是目前云南省第一幢全钢结构的超高层建筑，占地面积154408l平方米， 总建筑面积185万平方米，建筑物高达17610米(室外地面到主要屋面)。整栋建筑分地上 46层和地下2层，其结构体系为钢框架支撑结构体系，沿体系的核芯筒四周从地面正一层开钢结构工程研究钢结构2012增刊始分别布置了贯穿至不同高度的加劲钢板剪力墙结构。图6中，图a为昆明世纪广场的结构布置图，图b为效果图。a结构布置图b效果图图6昆明世纪广场3)深圳梅山苑二期7#楼深圳梅山苑二期工程位于深圳市福田区下梅林，总规划用地面积250808l平方米，总 建筑面积10188460平方米，其中建筑面积7574156平方米。深圳梅山苑二期是深圳市25万 套经济适用房和公共租赁住房中的项目，其中7撑楼是一栋13层的钢结构综合楼，高达4390 米，该楼采用矩形钢管混凝土框架剪力墙结构。图7为深圳梅山苑二期7群楼结构布置图，图 8为深圳梅山苑二期7撑楼效果图。l-f1【 -1。j-l-l_l_l-【-i-一。i1。【11i1。1_-“!ii湫i lf钢板 剪力|於 、弋)：_夺卅。f。l一。x替i椒剪力墙2-j二矽霭j 【1r：一 iv- 1_1图7深圳梅山苑二期7#楼结构布置图钢结构工程研究钢结构2012增刊图8深圳梅山苑二期7#楼效果图5钢板剪力墙的计算与设计研究鉴于工程中只考虑竖向荷载不符合实际情况，文献【22】提出了以剪力、压力和弯矩共 同作用下的钢板剪力墙为研究对象，采用工程调研、理论指导、模型试验和数值模拟相结 合的方法开展剪力、压力和弯矩共同作用下剪力墙的弹塑性稳定和抗震性能研究，提出压 剪和弯矩复合作用下剪力墙板临界屈曲条件设计公式。(1)非加劲钢板剪力墙，可按照下式计算其抗剪强度和稳定性：f纪工(1)织斗半一以=，。=高黔6s+5时7m柄一钢板墙的短边乙。一钢板墙的长边f一钢板墙的厚度 y一钢板墙的泊松比厂，一钢板墙的屈服强度l t钢板剪力墙的剪应力和临界剪应力 (2)非抗震设防地区的非加劲钢板剪力墙，允许利用其屈曲后强度，但是在荷载标准 值组合作用下，其剪应力应满足(1)的要求。 考虑屈曲后强度的钢板剪力墙的平均剪应力应满足：f工(4)钢结构工程研究钢结构2012增刊斗半九sp=砖。6按照考虑屈曲后强度的设计，其横梁的强度计算中应该考虑压力，压力的大小是：=(一织)q坑式中口。是钢板剪力墙的宽度，f是其厚度z是钢板抗剪强度设计值利用钢板剪力墙屈曲后强度的设计，可以设置少量竖向加劲肋，此时竖向加劲肋的强 度应满足能够承受如下压力的要求：=(一织)q矾(8)其刚度参数厂=瓮猢以是竖向加劲肋之间的水平距离，是加劲肋沿x轴的截面惯性矩，x轴为水平方向(3)承受竖向重力荷载的钢板剪力墙，竖向承载力是厂，其中伤牛半一护薏=端2，巧=睁笥，竖向重力荷载产生的压应力应满足：晰03纺厂其中忽为钢板墙的高度 (4)钢板剪力墙的承受弯矩的作用，其抗弯承载力是厂斗半一 7一+筹3q42(12)允2钢结构工程研究钢结构2012增刊乞=，=篙25丽【万j(13)5)承受竖向荷载的钢板剪力墙，应力应满足(矗2+(苦)2+号(14)吒一钢板墙的抗弯强度 仃一钢板墙的竖向承载力6结论(1)厚钢板剪力墙虽能满足抗震设计的要求，但耗钢量大、成本高；薄钢板剪力墙在 正常使用中会发出很大的声响，影响居住的舒适度；开缝钢板剪力墙能够增强钢板墙的耗 能能力，但抗剪强度和刚度较低。(2)组合钢板剪力墙中的混凝土在较大位移作用下会发生损坏，从而使混凝土和钢板 墙分离，钢板失去约束；防屈曲钢板墙的盖板和内嵌钢板可以相互错动，避免了盖板在大 变形位移作用下发生破坏的可能。且由于盖板的约束作用，内嵌钢板由拉力带受力变为剪 切受力，使得对边柱的要求大大降低。(3)钢板剪力墙工程越来越大型化，这就对钢板剪力墙的连接提出更高的要求。如焊 缝长度过长、焊接操作平台搭设困难，施工周期长等等，这是以后研究大型钢板剪力墙结 构要关注的焦点。(4)简要介绍了天津津塔、昆明世纪广场、深圳梅山苑二期7号楼的工程概况。 (5)基于钢板剪力墙在实际工程中不可避免的要承受竖向荷载，提出了压剪和弯矩荷载下的钢板墙的设计计算公式。参考文献【l】郭彦林，董全利钢板剪力墙的发展与研究现状【j】钢结构，2005，20(77)：16【2】tmrobenseismic resis啪ce ofs慨l plate shear walljenginc咖lg s仃uctlires，17，1995：344351【3】马欣伯等两边连接钢板剪力墒试验与理论分析【j】天津大学学报，20lo，43(8)：697704【4】缪友武，董全利，郭彦林两侧边开缝钢板剪力墙弹性屈曲分析阴钢结构，2009，22(9)：9598【5】郝蕾纵横加劲肋钢板剪力墙试验与理论研究【d】西安：西安建筑科技大学，2005 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