鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)研究與工程應(yīng)用概述

1、鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)研究與工程應(yīng)用概述 摘要：鋼板剪力墻指在鋼框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上為提高結(jié)構(gòu)剛度及抗震性能而在部分框架梁柱間內(nèi)填鋼板的結(jié)構(gòu)。研究學(xué)者們普遍認(rèn)為這是一種抗震性能良好的結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)自重輕，施工速度快，并且經(jīng)受住了地震的考驗。 關(guān)鍵詞：鋼板剪力墻結(jié)構(gòu) 應(yīng)用概述 （一）引言 我國是地震多發(fā)地區(qū)，特別是2008年5月12日發(fā)生的汶川地震，給中國帶來了巨大的災(zāi)難。8.0級的強烈地震導(dǎo)致災(zāi)區(qū)房屋大量垮塌，很多群眾被埋在廢墟里，造成了極其嚴(yán)重的人民生命財產(chǎn)的損失。研究發(fā)展抗震能力優(yōu)越，能有效抵御強烈地震的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，使工程結(jié)構(gòu)更加耐震，是非常有實際意義的。 近年來，在北美和日本開始興起的鋼板剪力墻結(jié)

2、構(gòu)，被研究學(xué)者普遍認(rèn)為是一種抗震性能良好的結(jié)構(gòu)形式。鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)指在鋼框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上為提高結(jié)構(gòu)剛度及抗震性能而在部分框架梁柱間內(nèi)填鋼板的結(jié)構(gòu)。在過去的幾十年中，各國學(xué)者對這種結(jié)構(gòu)進行了許多試驗與理論方面的研究。這些研究都得到了共同的結(jié)論：這種結(jié)構(gòu)彈性初始剛度高、位移延性系數(shù)大、滯回性能穩(wěn)定。近年來得到了諸多研究者的關(guān)注，并在北京國貿(mào)大廈三期工程，天津市津塔工程等大型項目中得到了應(yīng)用，有著獨特優(yōu)勢并有良好發(fā)展前景。這種結(jié)構(gòu)在我國研究與應(yīng)用均處于起步階段，其抗震性能尚缺乏研究。為推動鋼板剪力墻在多高層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，需要對其整體抗震性能進行深入的理論及試驗研究。 加拿大鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范CSA S16

3、-01定義：鋼板剪力墻是一種有橫向加勁的墻板，用以在結(jié)構(gòu)中抵抗側(cè)力。柱子作為墻板的翼緣構(gòu)件，框架梁作為墻板的橫向加勁。薄鋼板與其周圍的梁柱在各層連接構(gòu)成內(nèi)填板構(gòu)件。內(nèi)填板周邊約束梁柱分別簡稱為周邊柱、周邊梁，非內(nèi)填板約束構(gòu)件稱為框架梁、框架柱。 其主要分類如下，并如圖1.1所示：1. 無加勁鋼板剪力墻；2. 加勁板鋼板剪力墻；3. 開縫鋼板剪力墻；4. 鋼板-混凝土組合剪力墻。a) 無加勁鋼板剪力墻 b) 加勁鋼板剪力墻 c) 帶縫鋼板剪力墻 d) 組合鋼板剪力墻 圖1.1鋼板剪力墻分類Fig. 1.1 Different types of steel plate shear wall str

4、ucture 圖1.2無加勁鋼板剪力墻Fig. 1.3 Unstiffend steel plate shear wall structure 在20世紀(jì)70年代和80年代，美國大部分采用鋼板剪力墻的建筑都在鋼板的兩側(cè)設(shè)置縱向和橫向加勁肋。在日本，幾乎所有采用鋼板剪力墻的建筑也都在鋼板兩側(cè)設(shè)置加勁肋。開縫鋼板剪力墻借鑒武藤清教授提出的開縫混凝土剪力墻的概念發(fā)展而來，通過激光在鋼板上以一定間距割出一系列狹縫的鋼板剪力墻。研究表明，通過狹縫的開設(shè)將鋼板轉(zhuǎn)換為并列壁柱的形式來抵抗剪力，使鋼板原來的剪切變形轉(zhuǎn)換成以彎曲變形為主。開設(shè)豎縫雖然降低了鋼板的初始抗側(cè)剛度，但卻可以增強鋼板墻的耗能能力。 然而

5、，在施工過程中，不管是對鋼板設(shè)置加勁肋還是用激光開狹縫，不僅費時而且不經(jīng)濟。此外近年來的試驗和理論研究表明，無加勁鋼板剪力墻的性能也非常優(yōu)越。無加勁鋼板墻，如圖1.2所示，可以看成是加勁鋼板墻當(dāng)加勁剛度比為零時的特殊情況。無加勁鋼板墻在單向受剪情況下，厚壁鋼板剪力墻非線性特性主要表征為材料的屈服；薄壁鋼板剪力墻非線性特性主要表征為鋼板先行屈曲，而后對角線方向拉力帶的形成及材料的屈服，具有幾何和材料雙重非線性。無加勁鋼板剪力墻，在水平力的剪切作用下，彈性屈曲強度非常低。（二）鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點 1.抗震性能良好：試驗和理論分析證明這可能是最有效和經(jīng)濟的一種抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，其直接優(yōu)點就是增強了結(jié)構(gòu)延

6、性，它有穩(wěn)定的滯回性能，高耗能能力和優(yōu)良的塑性性能。2. 結(jié)構(gòu)自重輕：與鋼筋混凝土剪力墻相比，鋼板剪力墻最突出的優(yōu)點是在很大程度上降低了結(jié)構(gòu)自重。如此，可以減小了地震時的不利作用，如減小結(jié)構(gòu)底部的傾覆力矩，減小重力荷載代表值。 3. 施工速度快：使用鋼板剪力墻可以大大加快施工進度，使絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以組裝完成。而且，鋼板剪力墻的施工要比普通鋼筋混凝土剪力墻和支撐結(jié)構(gòu)要簡單的多。有利于裝配化，構(gòu)件化，效率高，滿足住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。 4.經(jīng)受住了地震的考驗：在1995年的神戶大地震中，一幢采用了鋼板剪力墻的35層建筑物經(jīng)受了地震的考驗。研究人員在震后的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，該建筑物未出現(xiàn)任何明顯的結(jié)構(gòu)破壞

7、，而緊鄰的一幢未采用鋼板剪力墻的八層建筑卻發(fā)生了坍塌。（三）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 鋼板剪力墻構(gòu)件性能研究方面，一批美國和日本的學(xué)者曾主要致力于厚內(nèi)填板和加勁板性能的研究，鋼板墻被設(shè)計成在極限荷載下也不發(fā)生屈曲的體系，即以鋼板的面外屈曲作為設(shè)計極限狀態(tài)。利用鋼板墻屈曲后強度的概念最先由加拿大學(xué)者提出1，同時給出了無加勁鋼板墻的分析模型：鉸接斜拉桿模型，并根據(jù)最小能量原理給出了計算拉桿傾角的計算公式。Driver和Klark1應(yīng)用此模型對無加勁鋼板墻強度、塑性性能和滯回性能進行了研究，揭示了其卓越的延性、良好的耗能能力。1999年Rezai2-3對兩個四層單跨的無加勁鋼板墻模型分別進行了擬動力試驗并實現(xiàn)

8、了首次振動臺試驗。在施加往復(fù)荷載前后，進行了小振幅振動測試，以得到結(jié)構(gòu)在破壞前后的動力特性（自振周期、振型和阻尼比）。對鋼板墻的屈曲、屈服、焊縫開裂（撕裂）等對內(nèi)嵌鋼板動力特性的影響進行了研究。同時，評價了鋼板墻的耗能能力、塑性變形性能、剛度退化、強度退化等對鋼板墻抗震性能的影響，得到了一些有益的結(jié)論。2000年，Adam等人4進行了兩個單跨單層和一個單跨四層薄壁鋼板墻模型試驗研究。研究結(jié)果認(rèn)為，鋼板墻具有非常好的承載能力和延性性能，柱子破壞是影響鋼板墻極限承載力的主要因素。值得一提的是，加拿大阿爾伯塔大學(xué)的研究者們從上世紀(jì)60年代就對鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)進行不懈的研究試驗，對鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的理論進

9、展起到了巨大的推動作用5。加州大學(xué)伯克利分校的Astaneh-Asl教授和趙秋紅博士6對鋼管混凝土-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的理論與試驗研究，研究表明，這種結(jié)構(gòu)具有非常好的延性與抗側(cè)剛度，能夠抵御非常強烈的地震作用，鋼管混凝土柱抗側(cè)剛度大，能夠使內(nèi)填板的拉力場效應(yīng)得到充分發(fā)揮。國內(nèi)郭彥林、陳國棟、繆友武等7對無加勁板、十字加勁板和交叉加勁板剪力墻結(jié)構(gòu)在單向靜力荷載下的抗剪性能和反復(fù)荷載下的滯回性能進行了較為深入的研究，并通過對六個鋼板剪力墻模型的低周反復(fù)荷載作用試驗研究，進一步揭示了鋼板墻的極限承載力、延性和滯回性能，為鋼板剪力墻規(guī)范以屈曲后強度為設(shè)計準(zhǔn)則提供了理論和試驗依據(jù)。西安建筑科技大學(xué)

10、董子建、侯蕾、曹春華等8-10對無加勁和斜加勁鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)也做了大量試驗和理論研究工作，并得出一些有益結(jié)論；武漢理工大學(xué)蘇磊，清華大學(xué)趙作周、錢稼茹等11 研究了墻板開縫層數(shù)、豎縫間板帶的高寬比與開縫墻力學(xué)性能的關(guān)系，并得出結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線呈現(xiàn)三折線的特征；西安建筑科技大學(xué)王恒等12對應(yīng)用SAP2000程序?qū)Эp鋼板剪力墻進行了彈性范圍內(nèi)的靜力分析，研究了開縫參數(shù)對鋼板剪力墻抗側(cè)剛度和彈性屈曲臨界力產(chǎn)生的影響、豎向荷載作用對鋼板剪力墻屈曲臨界力的降低及隨著承受荷載的增大，應(yīng)力分布的變化，推導(dǎo)提出了對帶縫鋼板剪力墻抗側(cè)剛度和抗剪極限承載力公式進行修正的方法和修正系數(shù)。臺灣地震工程研究中心蔡

11、克銓等13對LYS（低屈服強度）鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)試驗和理論研究，得出用LYS低屈服鋼板制成的鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能更加優(yōu)越的結(jié)論。整體結(jié)構(gòu)性能研究方面，KHARRAZI14綜合考慮了鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的彎曲和剪切變形特性，提出了鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計的方法，并對3層、9層、27層的結(jié)構(gòu)進行了實例分析。華南理工大學(xué)魏德敏等25應(yīng)用非線性彈簧單元來模擬在整體結(jié)構(gòu)中的帶縫鋼板剪力墻構(gòu)件，以實際工程為背景分析了整體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，得出鋼板剪力墻構(gòu)件能夠明顯提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，并且其布置方式對結(jié)構(gòu)抗震性能影響很大。蘇磊6提出利用剛度等效的原則，把其轉(zhuǎn)換為工程計算軟件可以計算的支撐體系，然后對構(gòu)件進行

12、單獨計算。河海大學(xué)邵建華等15應(yīng)用等效拉桿模型并利用有限元分析軟件SAP2000進行Pushover分析，得到無加勁鋼板剪力墻的水平極限承載力及參數(shù)對其影響。河北理工大學(xué)蘇幼坡等16對鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)在混凝土框架中的應(yīng)用做了較多的試驗研究與數(shù)值模擬，得出結(jié)論：對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)設(shè)計的鋼板長細(xì)比適宜時，在框架內(nèi)填充鋼板組成的薄鋼板剪力墻，可顯著提高結(jié)構(gòu)的剛度、承載力，同時也具有較好的延性及耗能性能。（四）國內(nèi)外工程應(yīng)用現(xiàn)狀 1970年建于日本京都的NIPPON STEEL BUILDING是世界第一棟鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)建筑，以后的幾十年里，這種抗震性能良好的建筑不斷得到應(yīng)用，尤其在日本、北美等

13、高烈度地震區(qū)。2007年10月29日封頂?shù)谋本﹪Q(mào)三期工程，即采用組合鋼板剪力墻加強底部核心筒，2008年在天津建設(shè)的津塔大廈，也是這種結(jié)構(gòu)在我國的最新應(yīng)用。世界現(xiàn)有應(yīng)用鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的部分建筑如表1.1所示。 圖 1.3 北京國貿(mào)三期工程施工及鋼板剪力墻布置2Fig. 1.3 Construction and SPSW layout of Beijing International Trade Center圖 1.4天津津塔大廈效果圖及分析模型（ABAQUS/EXPLICIT）Fig. 1.5 Design graph and Analysis Model of Tianjin Tower

14、表1.1應(yīng)用鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的部分建筑 Table. 1.1 Part buildings application of SPSW 名稱層數(shù)完工日期建設(shè)地點備注Nippon201970日本京都Shinjuku531978日本京都Hyatt Regency Hotel301988美國達拉斯Olive View61971美國加利福尼亞應(yīng)用于舊金山地震修復(fù)Kobe Office351988日本神戶阪神地震后完好錦江飯店461989中國上海Federal Courthouse242004美國西雅圖北京國貿(mào)大廈三期742007中國北京津塔大廈75在建中國天津（四）目前存在的問題及展望世界各國的學(xué)者經(jīng)過多年

15、的理論和試驗研究，已經(jīng)對鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)有了較為深入的認(rèn)識。但是仍然存在很多有待解決的問題。對于一些重要的實際工程結(jié)構(gòu)，由于時間、條件等因素，全部進行試驗研究不現(xiàn)實，從而需要有效的分析模擬手段。對于無加勁鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)，其內(nèi)填板厚度很小，其平面外大變形問題，后屈曲特征的捕捉問題，一直沒有得到有效的解決，北美、伊朗、和我國的一些研究者都提出了一些簡化分析模型如等效斜撐等，但由于忽略因素過多，難以達到分析精度，工程上難以應(yīng)用。 鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)雖然已經(jīng)很多投入工程應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)的整體抗震性能卻由于問題的復(fù)雜性和分析的困難性，基本沒有得到系統(tǒng)研究。雖然研究者們對鋼板剪力墻構(gòu)件的抗震性能及其影響因素研究的

16、較為成熟全面，但對整體結(jié)構(gòu)的動力特性及其在地震作用下的受力與變形特征、水平地震剪力分配特征、結(jié)構(gòu)耗能機理的認(rèn)識基本上還處于空白狀態(tài)，需要進行系統(tǒng)研究與總結(jié)。 鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)有著優(yōu)越的性能，在鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)大規(guī)模發(fā)展的今天，必將大有用武之地。 參考文獻 1 RG Driver, GL Kulak, DJL Kennedy, AE Elwi Cyclic Test of Four-Story Steel Plate Shear WallJ.Journal of Structural Engineering,Vol. 124, No. 2, February 1998:112-130. 2 AS Lub

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