剪力墙结构抗震性能研究综述

1、剪力墙结构抗震性能研究综述Research Review on Seismic Behavior of Shear Wall Structure姓 名： 刘 季 班 级： 土建研 1303 学 号： 1049721302417 指导老师： 陈 波 剪力墙结构抗震性能研究综述刘 季（武汉理工大学土木工程与建筑学院 湖北武汉 430070）摘 要：随着经济和社会的发展，高层建筑逐渐成为现代城市建筑的发展趋势。20世纪60年代开始出现的剪力墙结构，由于其抗侧刚度大，能有效地减小侧移，且具有较好的抗震性能，使其成为现代高层建筑中广泛应用的一种结构体系。尤其是其抗震方面的性能，得到了大量的关注和研究。本

2、文对剪力墙结构的特点、发展过程与现状进行了简单的介绍，并重点阐述了目前国内外对组合剪力墙和剪力墙体系在抗震性能方面的研究状况与进展，阐述了剪力墙结构抗震性能的研究方法。关键词：剪力墙结构；抗震性能；组合剪力墙 Research Review on Seismic Behavior of Shear Wall Structure Liu ji(College of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology Wuhan, Hubei 430070)Abstract: With the development

3、 of economy and society, high-rise buildings is becoming the trend of modern urban architecture. Because of its large lateral stiffness, shear wall structure can effectively reduce the lateral and has better seismic performance,which makes it widely used in high-rise buildings. Especially in terms o

4、f the seismic performance,it gets a lot of attention and research.The paper briefly introduces the characteristics, development process and research status of shear wall structure.It mianly introduces the research and progress on composite shear wall and shear walls system in terms of seismic perfor

5、mance,and introduces the research methods of shear wall structure.Key words: shear wall structure; seismic behavior; composite shear wall 钢筋混凝土高层建筑通常由梁、柱、楼板和剪力墙以及筒体构成，剪力墙和由剪力墙组成的筒体是高层建筑抗震的核心抗侧力部件，其抗震性能对于高层建筑的安全可靠有着至关重要的作用。研制抗震性能好的剪力墙和合理布置剪力墙体系是高层建筑抗震设计的关键技术。随着社会经济的发展，建筑用地日益减少，社会对高层建筑的需求越来越大。随着高层建筑数量

6、的增加和建筑形式的多样化，国内外对剪力墙及剪力墙体系的抗震性能的研究也越来越多。出现了各种形式的剪力墙以及多种多样的剪力墙体系。剪力墙结构之所以能在近几十年迅猛发展，是因为其在承载力和抗震性能方面的优越性。国内外都针对此性能进行了大量的试验和研究，目前研究已比较系统，并颁布了相应的技术规程。1剪力墙的特点和分类剪力墙是一种能较好的抵抗水平荷载的墙。我国建筑抗震设计规范)将其称为抗震墙。剪力墙结构室内墙面平整，具有抗侧刚度大，侧移小；结构自重大，吸收地震能量大的特点，但是施工较麻烦，造价较高。通常按其墙肢截面高度与厚度的比值分为一般剪力墙、短肢剪力墙和异型柱。般剪力墙就是指墙肢截面高度与厚度之比

7、大于8的剪力墙。相对于其他2种形式它的墙肢宽度较大，在水平荷载作用下通常抗剪刚度起控制作用，故其耗能较差。短肢剪力墙是指墙肢截面高度和厚度之比为58的剪力墙，通常墙厚不小于200mm。肢长在10002500mm之间，它介乎异型柱和一般剪力墙之间。当短肢剪力墙的墙肢再进一步减小截面高度，就形成了小墙肢剪力墙，这时其力学性能就完全变成了框架结构。2 组合剪力墙抗震性能的研究目前在剪力墙结构抗震性能的研究中，对剪力墙的试验研究是最多的，也取得了许多研究成果。近些年来，国内外学者提出了各种新型的剪力墙，如各种类型的开缝剪力墙和组合剪力墙，对剪力墙的抗震性能进行了改善。其中开缝剪力墙主要包括有：同济大学

8、吕西林提出的填充氯丁橡胶带的带缝剪力墙1；东南大学李爱群提出来的采用摩阻式控制装置的带缝剪力墙2。而组合剪力墙则是将混凝土和钢材的优势结合起来、弥补各自的缺点，具有较高的承载能力和良好的延性。组合剪力墙按组合形式可以分为两种，一种是单一组合剪力墙，另一种为双重组合剪力墙。单一组合剪力墙是指采用一种组合形式的剪力墙，应用和研究最多的是钢-混凝土材料组合剪力墙。双重组合剪力墙是指采用两种组合形式的剪力墙，如不同受力体系和不同材料的双重组合3。2.1钢管混凝土剪力墙抗震性能研究与传统的钢筋混凝土剪力墙相比，钢管混凝土剪力墙具有承载力高、抗震性能好的特点。其受力性能的优越性突出表现在合理利用钢管对混凝

9、土的紧箍力，这种紧箍力可使混凝土的抗压性能更为有力地发挥。在我国，钢管混凝土剪力墙抗震性能的研究主要在建筑基本构件上，对结构体系抗震性能的研究不多。目前，这种剪力墙的形式主要有两种：一种是在钢管混凝土框架中内嵌一块钢板的带钢管混凝土边框边框的钢板剪力墙（图1）；另一种是带钢管混凝土边框的钢筋混凝土组合剪力墙。在我国，夏汉强等通过用SAP2000对带方钢管混凝土边框的剪力墙进行有限元的弹性分析4，验证了CECS159对承载力进行计算时的第条假设，研究表明第条假设符合带方钢管混凝土边框的剪力墙结构的特点。杨亚彬5通过试验研究了带钢管混凝土边框的钢筋混凝土组合剪力墙的抗震性能，认为这种钢管组合剪力墙

10、具有较强的承载力和抗震性能以及很好的后期承载力和延性;；另外内藏钢桁架的存在，使墙体裂缝的开展得到延缓，有利于内力重分布，从而减慢了剪力墙的刚度衰减，后期性能稳定。在国外，Astaneh-Asl等学者试验研究了带钢管混凝土边框的钢板剪力墙，做了一个三层1/2缩尺模型的试验。试验结果显示钢管混凝土边框的钢板剪力墙具有良好的延性和耗能能力。到目前为止，带钢管混凝土边框的钢筋混凝土组合剪力墙在我国的工程建设中已经有应用：例如1999年建成的深圳72层赛格广场大厦和2001年建成的杭州瑞丰国际商务大厦中分别采用了圆钢管混凝土边框和方钢管混凝土边框的钢筋混凝土组合剪力墙。图1带钢管混凝土边框的钢板剪力墙

11、 图2 SRC剪力墙模型及截面配筋形式2.2型钢混凝土组合剪力墙抗震性能研究自20世纪90年代以来，型钢混凝土组合结构体(SRC)系自美国向世界迅速传播开。型钢混凝土剪力墙虽然在实践中已有一些应用，但过去对其性能研究较少，认识不够，因而应用也较为有限。随着SRC结构及混合结构的广泛应用，型钢混凝土组合剪力墙必将成为常用构件。 在我国，90年代初清华大学就对中、高型SRC 剪力墙进行了抗弯性能、破坏形态、开裂荷载、极限承载能力和塑性铰区高度等试验研究，图2所示为试验时的模型及截面配筋形式。研究表明：型钢混凝土组合剪力墙具有良好的抗震性能6。西南交通大学黄雄军、赵世春等进行了4个型钢混凝土和1个钢

12、筋混凝土低剪力墙的试验研究7，图3为试件的外形尺寸及配筋图。试验表明：劲性混凝土边框较钢筋混凝土边框有良好的抗震性能，可以作为抗震的第二道防线。东南大学的蓝宗建等，针对底层框架-剪力墙多层砖房的剪力墙抗震问题，对钢筋混凝土墙内设置型钢刚架的低剪力墙和型钢混凝土开洞低剪力墙进行了低周反复荷载试验研究8，对底层框架-剪力墙多层砖房模型进行振动台试验研究9。试验表明，型钢骨架能够控制剪力墙中裂缝的发展，形成较完备的耗能机制，起到了良好的二道设防作用，使结构的抗震能力明显提高。2004年同济大学武敏刚、吕西林对钢骨联肢剪力墙进行了抗震性能试验研究10。试验表明，钢骨混凝土低剪力墙的剪切破坏形态与普通混

13、凝土低剪力墙的破坏形态没有明显区别，但钢骨的存在使得墙体抗剪承载力大大提高，也使得墙体刚度退化趋于平缓，同时墙体的延性也有所提高。日本是强地震多发国家，对型钢混凝土结构的理论和试验研究工作比较深入，应用最广。日本学者MatsumotoToshio对填充预制混凝土板的型钢混凝土多层剪力墙的结构性能进行了研究。填充预制混凝土板的型钢混凝土多层剪力墙是多层剪力墙的一种新结构体系，即使用预制混凝土墙板插入型钢混凝土边界柱(图4)。通过地震荷载试验已经了解了这种体系的结构性能。并且通过对3个试件的试验研究，证实该新体系的抗剪机制完全能够保证多层预制混凝土剪力墙的结构整体性。随着国家产业政策的推动，提倡推

14、广建筑用钢，这就使得型钢混凝土结构的发展具有广阔的前景。型钢混凝土组合剪力墙在高层混合结构中应用越来越多。美国和日本进行了一项为期5年的组合和混合结构的合作研究，是美国-日本合作抗震研究项目的第5部分。其中包括混凝土型钢混凝土柱体系、钢筋混凝土型钢混凝土组合墙体系结构性能的试验研究，提出了设计公式、静力和动力分析的数学模型、细部构造和体系的设计特点等11。图3带边框低剪力墙试件的外形尺寸及配筋 图4 填充预制混凝土板的型钢混凝土剪力墙2.3钢板混凝土组合剪力墙抗震性能研究钢筋混凝土剪力墙和钢板剪力墙都有各自的优点和缺点，将二者进行合理的优势组合即形成了钢板混凝土组合剪力墙。钢板混凝土组合剪力墙

15、可以分为：单侧钢板-混凝土组合剪力墙、两片钢板-内嵌混凝土组合剪力墙、钢板外包混凝土剪力墙。2.3.1单侧钢板-混凝土组合剪力墙单侧钢板-混凝土组合剪力墙是将钢板焊接固定在工字钢框架内,再用栓钉将钢板和混凝土墙板锚接(图5)。这种剪力墙已经应用在抗震地区。虽然在目前的应用阶段，设计者们仅仅把混凝土当做防止钢板屈曲的构件，使钢板能够达到受剪屈服极限承载力。California大学的Abolhassan Astaneh-Asl和Zhao等对钢框架填充单侧钢板-混凝土组合剪力墙进行了研究12，并提出一种改进的措施，即在混凝土墙板和钢框架之间留缝，缝隙可以不填充任何物质或填充一些软性物质，也可以填充一

16、些黏弹性材料增加结构的耗能能力。由于缝隙的存在，加载初期钢筋混凝土墙不和框架一起受力，相对小的侧移下不承受侧向荷载。只要钢筋混凝土墙板周围的缝隙不闭合，认为钢筋混凝土墙板对于总体承载力、刚度和延性的贡献可忽略。钢筋混凝土墙板在这一阶段的作用是为钢板提供平面外支撑并阻止屈服前的屈曲。因此，在较小的侧向位移下，这一体系和钢板剪力墙相似，并在受剪屈服前阻止了钢板的屈曲。在较大侧向位移下，钢筋混凝土墙和周边框架的缝隙在角部闭合，这时混凝土剪力墙开始提供承载力、刚度和延性。而且，钢筋混凝土墙能够对钢板墙由于屈服造成的刚度损失起到弥补的作用。由于缝隙内填充的耗能黏弹性材料，开缝的剪力墙比不开缝的普通剪力墙

17、具有更好的延性。由于缝隙的存在，混凝土墙在位移较大的循环荷载作用下的破坏比不开缝的普通剪力墙要轻得多。图5 钢框架填充单侧钢板-混凝土组合剪力墙 图6 双面压型钢板内填混凝土的组合剪力墙2.3.2两片钢板-内嵌混凝土组合剪力墙目前，研究较多的两片钢板-内嵌混凝土组合剪力墙有两种。一种是在钢框架中焊接两块钢板并内填混凝土,同时在墙板边缘用栓钉加强连接，另一种是在两层钢板中间内填混凝土,并在钢板中设置竖向加劲肋。第一种钢板-内嵌混凝土组合剪力墙在高层建筑中作为抗侧力构件具有一定的优势，比如钢板可以省去施工时的临时模板，减少人工等。WrightHoward和AnwarHossain K M等对双面压

18、型钢板内填混凝土的组合剪力墙（图6）在施工荷载和使用阶段荷载作用下的力学性能、轴压性能以及抗剪性能等进行了一系列研究13 14。研究表明，轴压承载力受到钢板局部屈曲和混凝土截面形状的影响，组合墙的纵向抗弯刚度有利于结构保持稳定性，并防止了早期的整体屈曲发生。通过试验研究，分析了两片薄钢板内嵌混凝土剪力墙的变形、强度、刚度、应变、钢板-混凝土相互作用和破坏模式等，建立了抗剪强度和刚度的分析模型。第二种钢板-内嵌混凝土组合剪力墙具有很高的承载力和良好的延性，主要用于承受海浪或移动的冰雪等较大荷载作用的结构。加拿大的Link等对这种组合剪力墙在竖向荷载和水平反复荷载下的极限承载力和后期承载力进行了非

19、线性有限元分析。通过对破坏模式、加荷机制、应力分布和后期反应的分析可知，这种剪力墙具有良好的延性，在峰值点后可以保持稳定的后期承载力直至达到很大的变形。2.3.3钢板外包混凝土剪力墙钢板外包混凝土预制装配式剪力墙板，是在钢板剪力墙基础上提出的一种用于高层建筑钢结构的新型抗侧力构件。它以普通钢板作为基本支撑板，钢板上、下分别与钢框架中的梁相连，两侧外包混凝土为钢板提供侧向约束，防止钢板过早屈曲失稳，同时混凝土还起到防火隔热的作用。同济大学李国强等对3片钢板外包混凝土剪力墙试件进行了反复加载试验15。研究结果表明：钢板外包混凝土剪力墙板受力明确，在混凝土开裂前钢板与混凝土共同工作，有很大的抗侧移刚

20、度，对于提高结构整体在非地震条件或小地震条件下的侧向承载力和抗侧移刚度是非常有利的。另外，钢板外包混凝土剪力墙板延性好，允许有较大的变形。这样，在大震情况下钢板外包混凝上剪力墙板能够大量消耗能量，保证结构整体不坍塌，具有良好的抗震性能，是一种很有发展前途的抗侧力构件。3 剪力墙体系抗震性能的研究3.1一般剪力墙抗震性能研究由于一般剪力墙的刚度比较大，所以它往往应用于层数较多(20层以上)的高层建筑中。因为如果采用其他剪力墙，往往会使结构偏柔，结构的顶点位移和层间位移可能不满足规范要求，底部剪力系数也偏低，结构趋于不安全。国内外对一般剪力墙结构已进行了大量的研究工作，在我国清华大学方鄂华教授在国

21、内较早开展了剪力墙抗震性能的系统研究工作16。做了相当多的试验，试验结果认为：当剪力墙洞口不太大时，剪力墙整体性能比较好，剪力墙截面弯曲破坏极限承载力可以按照全截面抗弯计算。竖向荷载对剪力墙的极限强度和变形有很大影响，随着轴压力的增大，承载力和刚度均表现为提高。其后，总结有关的低周反复试验结果，得出结论：对开洞剪力墙，连梁屈服可使整个体系具有较好的抗震性能，而连梁的剪切破坏则会使剪力墙刚度严重退化，降低整个体系的极限变形能力和耗能能力。降低连梁的配筋可以使剪力墙刚度减小，因而减小地震作用，并使墙肢裂缝较细，耗能部位分散，有利于改进结构的抗震性能。已有的试验结果表明:影响剪力墙抗震性能的因素有很

22、多，其中主要有剪跨比、墙肢配筋构造、轴压比、混凝土强度和边缘构件的设置等。3.2 短肢剪力墙抗震性能研究由于短肢剪力墙刚度小于一般剪力墙，所以它往往应用于小高层住宅结构中。由于结构高度增加，结构的层间侧移刚度也必须增加，才能满足规定的侧移和相应的抗震性能要求，一般的异形柱框架结构已经不能满足这些要求。因而可以考虑将部分异形柱截面加大，变成短肢剪力墙，形成短肢剪力墙与异形柱混合的或以短肢剪力墙为主的结构体系，即“短肢剪力墙结构体系”。目前，短肢剪力墙结构体系的理论研究目前大都停留在设计经验总结和建议方面，对工程设计有一定的指导意义。试验研究方面，国内大学做了一些低周反复荷载试验和地震模拟振动台试

23、验。西安建筑科技大学进行了单层单跨、两榻单跨四层的三榻缩尺宽肢异形柱框架（即短肢墙与连梁组合构件）模型的低周反复荷载试验17。同济大学进行了两榻1/3.5比例的两层两跨高性能混凝土宽肢异形柱边框架的低周反复荷载试验18。中国建筑科学研究院工程抗震研究所程绍革研究员等为了揭示短肢剪力墙结构在地震作用下的受力性能和反应特点，验证地震区建造此类结构的可行性，对一栋拟建的高层短肢剪力墙结构，进行了整体结构模型模拟地震振动台试验。在模拟设防烈度和罕遇大震作用的试验阶段，通过对模型开裂部位、裂缝发展和破坏状态的观察分析,指出短肢剪力墙结构具有受力均匀、抗震性能好的优点，地震区建造此类建筑是可行的。吕志涛院

24、士以某30层高层商住楼为原型,在同济大学进行了结构模型振动台试验，分析了短肢墙一筒体结构的整体抗震性能。试验结果表明，该体系不仅实用性能好，而且具有良好的抗震性能，是一种很值得在7度地震区，2030层高层住宅建筑中推广采用的结构体系。同时指出：位于结构角部的一字形短肢剪力墙出现先于与其相连连梁破坏的情况,是这种结构体系中的薄弱环节。建议加强一字形短肢剪力墙的配筋，或将垂直于一字形短肢剪力墙的梁拉通，避免使短肢剪力墙位于结构角部。由以上短肢剪力墙结构的试验分析可知，几乎所有低周反复试验和整体结构模型振动台模拟地震试验都表现出：梁端先出现塑性铰，最后在墙体底部形成塑性铰，结构变成机构。产生这种现象

25、是因为梁的截面高度较小，抗弯能力较弱，使得短肢墙结构具有较理想的梁铰破坏机制，结构具有良好的变形和耗能能力。由此可见，经过合理的设计，短肢剪力墙结构体系可以形成耗能良好的梁铰破坏机制，从而弥补了短肢剪力墙或异形柱因截面不对称导致的先天性缺陷。3.3 异形柱框架抗震性能研究当短肢剪力墙的墙肢再进一步减小截面高度，就形成了小墙肢剪力墙，这时其力学性能就完全变成了框架结构。在墙肢端部加上短肢的翼缘后，就形成了一种双向都能受力的框架-异形柱结构。异形柱结构是指柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在24之间，相对于正方形与矩形柱而言是异形的柱子。异形柱结构完全是框架结构，变形是以剪切变形为主，结构计算方法也完

26、全是按照空间框架结构的方法。自从80年代初天津市轻工业设计院曹泽润教授等提出异形柱框轻体系以来，国内对这一体系进行了大量的研究工作。华南理工大学的冯建平教授等人进行了15根L形截面柱的受剪试验,讨论分析了其破坏特点及剪跨比、轴压比等因素对抗剪承载力的影响。曹万林教授等较系统地进行过80根异形柱的抗震性能试验研究，研究了不同配筋方式、不同轴压比、不同剪跨比、不同混凝土强度等级、不同水平力作用方向的L形柱T形、十字形柱、Z形柱的抗震性能试验研究。从这些研究中不难看出，异形柱框架结构与普通框架结构的主要区别在于其受力性能不同，异形柱抗扭性能差，受地震作用时尤然。异形柱难以避免承受较大地震作用时早期混

27、凝土的压碎,从而产生钢筋压屈而破坏。一般而言,异形柱框架结构比普通框架结构的抗震受力性能要差。4 剪力墙体系抗震性能研究方法目前采用最多的方法就是试验研究，通常选用结构抗震静力试验和结构抗震动力试验。拟静力试验，即前面多次提到的低周反复加载试验。它是对试件进行低周反复加载直至试件破坏。大多数抗震性能试验选用这种试验方法，是因为拟静力加载试验能够充分地利用试件的承载力、刚度、变形能力、耗能能力和损伤特征等。拟静力试验还分为单调加载试验和循环加载试验，单调加载试验是从“零”加载直至构件破坏，而循环加载试验则是由位移或者力作为控制量，按照一定的幅值循环加载，幅值大小可以变化。与拟静力试验相比，拟动力

28、试验还可以提供一定的应变速率。另外还可以建模分析。在罕遇地震作用下，抗震结构都会部分进入塑性状态，为了满足大震作用下结构的功能要求，考虑研究和计算结构的弹塑性是非常必要的。当前国内外抗震设计的发展趋势，是根据对结构在不同超越概率水平的地震作用下的性能或变形要求进行设计，结构弹塑性分析将成为抗震设计的一个必要的组成部分。结构弹塑性分析可分为弹塑性动力分析（时程分析）和弹塑性静力分析（推力计算）两大类。最近一些国家的学者相继提出用弹塑性静力分析方法（Puhs-over Analys）进行结构抗震性能研究。此外基于位移的抗震设计（Displacement-Based Design，简称DBD）也是高

29、层剪力墙体系研究的一种全概念的结构抗震设计方法。DBD是实现基于功能的抗震设计的重要步骤。它比现行抗震设计方法中强调的概念设计更进了一步，它要求有量化的设计指标。基于位移的抗震设计要求进行定量分析，使结构的变形能力满足在预期的地震作用下的变形要求。预期的地震作用一般是指大震。因此除了验算构件的承载力外，要控制结构在大震作用下的层间位移角限值或位移延性比；根据构件变形与结构位移关系，确定构件的变形值；并根据截面达到的应变大小及应变分布，确定构件的构造要求。5 结语剪力墙结构的由于其优越的抗震性能，越来越多的应用到了高层建筑中。国内外的学者对剪力墙体系的抗震性能研究做了不少努力，也取得了不少的成果

30、。但是由于实际地震灾害的不确定性以及结构动力响应问题的复杂性，要建立起一套较为精确的剪力墙体系抗震性能理论尚需要进行大量的试验和理论研究。在这些理论完善前，我国可以通过建立一个合适的设防标准来保证结构在中、大震作用下的安全度。经济与安全的关系，是结构抗震设计的重要技术政策，也是结构抗震理论发展的最终目的。参考文献1 吕西林, 孟良. 一种新型抗震耗能剪力墙结构结构的抗震性能研究J. 世界地震工程, 1995 (2): 22-26.2 李爱群, 曹征良. 带摩阻装置钢筋砼低剪力墙极限承载力分析J. 东南大学学报: 自然科学版, 1994, 24(3): 70-74.3 Cao W L, Zhan

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