双钢板组合剪力墙的抗震性能影响因素分析

双钢板组合剪力墙的抗震性能影响因素分析

倪庆臣  于治国  杨帆  焦宏宇

中建八局第一建设有限公司，山东省济南市250000

摘要：本文主要对国内外专家学者对该种类型的剪力墙研究成果进行归纳总结，并分析了影响其抗震性能的主要因素，主要包括连接方式、轴压比、混凝土厚度、混凝土强度、含钢率和钢板强度。以期为之后双钢板－混凝土组合剪力墙组合剪力墙的研究设计提供建议，促进其应用。

关键词：双钢板组合剪力墙；抗震性能；影响因素

1一字形双钢板组合剪力墙试验研究

如图1所示，对试件进行轴心受压试验，表明这种墙具有很高的抗压能力，但观察到这种剪力墙钢板与混凝土的连接强度不高，这将对后续研究提供了思考，大量研究学者对钢板和混凝土之间连接展开了大量研究。

图1双层压型钢板内填混凝土组合墙

1.1带栓钉连接的双钢板组合剪力墙

对2片剪跨比为1的双钢板-混凝土组合剪力墙低周往复试验，试件参数连接件一个为栓钉连接，另一个为对拉螺栓连接，为了与混凝土剪力墙对比，同样设计了与双钢板剪力墙参数的试验表明与钢筋混凝土剪力墙相比，低剪跨比双钢板混凝土组合剪力墙受剪承载力显著提高，具有良好的延性和耗能能力，抗震性能良好。

1.2带隔板的双钢板组合剪力墙

为了研究带有隔板的双钢板剪力墙的抗震性能，ABAQUS有限元模拟，表明只设置横向加劲肋可以略提高试件的承载力，而仅设置纵向加劲肋对承载力提高不明显，设置双向加劲肋较明显提高试件的承载力。模拟结果表明，带加劲肋双钢板混凝土组合剪力墙的承载力随着轴压比的增大、剪跨比的减小而提高，拉条间距减小，可以提高组合剪力墙的承载力。对带暗柱的双钢板高强混凝土组合剪力墙进行低周往复加载试验，研究结果表明带有暗柱双钢板高强混凝土组合剪力墙的具有较高的承载力和良好的变形能力。

1.3带约束拉杆的双钢板组合剪力墙试验研究

对钢板之间用约束拉杆连接的混凝土组合剪力墙进行了试验研究和有限元模拟，截面形式见图2（a）所示。研究结果表明，减小约束拉杆间距，可有效阻止钢板外凸屈曲，提高试件承载力，改善延性，提高试件的抗震性能。高宽比是影响带约束拉杆的双钢板混凝土组合剪力墙抗震性能的重要参数。

对6个剪跨比（2.0）、轴压比（0.6）的带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙的低周往复加载试验，截面形式见图2（b）所示。结果表明，带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙抗震性能良好。

图2带有约束拉杆的剪力墙（单位：mm)

1.4端部加强的双钢板组合剪力墙试验研究

在双钢板剪力墙试验研究过程中发现，试件破坏总是在腹端部先发生破坏，为了改善剪力墙的抗震性能，分别对端柱带有圆钢管的双钢板混凝土组合剪力墙进行研究，在试验结果表明全部发生压弯破坏，墙体变形能力较好的原因之一在于墙体高度方向有较为充分的发展。

2异性截面双钢板组合剪力墙

目前对异形截面双钢板组合剪力墙研究还比较少主要集中在异形截面钢筋混凝土剪力墙。对5片1:1足尺的高轴压比（0.6）T形钢管束组合剪力墙进行了拟静力加载试验，研究不同参数对T形钢管束试件的抗震性能的影响。试件变化参数为剪跨比、有无栓钉、U型钢截面尺寸。研究结果表明：T型钢管束组合剪力墙具有良好的承载力，滞回曲线饱满，具有较好的抗震性能。研究发现，在实际工程中，对于试件底部需要加强部位，首先考虑提高钢板厚度，可以最为有效地提升墙体的承载能力和延性性能。并根据试验与有限元模拟结果，基于平截面假定，推导了适用于T型双钢板组合剪力墙正截面压弯承载力计算公式。

3双钢板的性能影响因素

双钢板混凝土组合剪力墙具有优良的抗震性能，为了进一步的推广此组合剪力墙，各专家学者对其性能影响因素展开了研究并发现影响双钢板组合剪力墙抗震性能有很多，但是主要有以下几个:连接方式、轴压比、混凝土强度、混凝土厚度、含钢率和钢板强度。

3.1连接方式

为了提升钢板－混凝土组合剪力墙的整体的力学性能，国内外专家学者通过利用连接键来增强钢板和混凝土的协同作用。研究者通过设计了约束拉杆连接两侧钢板并结合大量试验研究及数值模拟分析得出:约束拉杆可以很好地使钢板和混凝土共同工作，并且在剪力墙破坏时，钢板先于约束拉杆发生屈曲。研究者通过设计了采用栓钉连接件的组合剪力墙并进行了大量实验得出:两侧钢板并结合大量试验研究及数值模拟分析得出:采用栓钉连接件的组合剪力墙的承载力略高于采用对拉螺栓的组合剪力墙，且钢板屈曲的发生也明显晚于后者。研究者设计加劲肋来增强两侧钢板与内浇混凝土的整体复合性能，并与约束拉杆和栓钉连接的组合剪力墙进行对比。结果表明:剪力墙采用加劲肋的约束能力明显比约束拉杆和栓钉连接的要强，且墙体的抗侧承载力、变形能力和耗能能力都有明显提升。研究者提出用C型和L形拉结件来增强钢板对混凝土的约束，通过研究得出相对于对于C形连接件组合组合墙，L形连接件组合组合墙加工方便，并且能很好抑制墙身钢板的屈曲，但延性与耗能能力略有降低。

3.2轴压比

双钢板－混凝土组合剪力墙的抗震性能与轴压比密切相关。轴压比是指组合剪力墙的轴压力设计值与墙各材料全截面面积和材料强度设计值乘积之和的比值，一般反映了剪力墙的受压情况。在结构设计中，变形能力和延性是建筑抗震性能的重要指标，也是建筑抗震设计中必须考虑的设计参数。所以往往为了控制结构的延性，规范对轴压比有严格的限制要求。在设计计算中轴力取重力荷载代表设计值，与柱子的不一样，不需要考虑地震组合，具体计算方式见公式1。研究者研究表明轴压比比仅在较小的范围内对构件的极限承载力有增长作用，但是随着轴压比增大，骨架曲线下降越快，变形性能降低，延性能力变得越差。

式中，n为钢板混凝土剪力墙轴压比;N为墙肢重力荷载代表值作用下轴向压力设计值;Ap为剪力墙截面配置的钢板截面面积;Ac为剪力墙混凝土全截面截面面积;fc为剪力墙混凝土抗压强度设计值;fP为剪力墙截面配置钢板屈服强度设计值;

3.3混凝土厚度

混凝土结构具有刚度大和抗侧能力强的优点，其在组合剪力墙中刚好可以弥补内藏钢板抗侧力性能差，容易屈曲的弱点，混凝土厚度对限制钢板的屈曲，充分发挥钢板的抗剪承载力从而提高组合剪力墙的承载力变形有很重要作用。

3.4混凝土的强度

不同标号的混凝土对剪力墙的承载力和变形限值有一定影响。随着混凝土强度的提高，组合剪力墙的初始刚度增大和弹性模量增大，但是混凝土强度越高其后期推覆曲线下降变快，承载力退化加快，结构脆性明显增加。研究者通过研究得出随着混凝土强度等级的增大，试件钢板表面的鼓曲位移整体减小，说明混凝土强度提升有利于限制钢板屈曲。

3.5含钢率和钢板强度。

钢板是组合剪力墙中提供抗剪承载力的最主要来源，含钢率的多少及钢板强度对剪力墙的初始抗侧刚度、极限承载力、延性和耗能影响最大。研究者通过研究得出墙体钢材厚度及强度对组合剪力墙的峰值荷载有明显的影响，并且随着剪力墙墙体钢材厚度或者强度的提高，其峰值承载力增大，分析主要原因是墙体外包钢板厚度的提高，直接提高了墙体钢板的承载力，此外墙体钢板对于内部混凝土的约束作用也有一定程度提高。

4结论

双钢板－混凝土组合剪力墙具有良好抗震性能，其具有延性好、构造简单、施工方便、避免裂缝外露等优点，在超高层建筑结构方面中具有广阔的应用前景市场。经分析影响其性能的因素有很多，主要有连接方式、轴压比、混凝土强度、混凝土厚度、含钢率和钢板强度这几种，其中连接方式、含钢率和钢板强度对性能影响最大。

参考文献：

［1］王伟，吴倩，张瑞斌.格构柱式双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究［J］.建筑结构学报，2019，40（s1）：61-69.

［2］徐文平，徐彤.格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙抗震性能试验［J］.建筑科学与工程学报，2018，35（2）：111-118.