土木硕士开题报告

开题报告（草拟）一、立题依据及价值1.1 立题背景1.1.1钢板混凝土组合剪力墙的发展起源钢板混凝土组合剪力墙是由钢板剪力墙发展而来的，国内外理论和试验研究表明，利用钢板屈曲强度存在以下诸多问题: 对于薄钢板剪力墙，在侧向力水平作用下，主要依靠主对角方向的拉应力承担水平荷载，而钢板在次对角线方向，在较小的压应力作用下即发生较明显的屈曲，并伴随击鼓的巨响，给人以恐惧感; 在反复荷载作用下，非加劲钢板墙体系的滞回曲线会出现不同程度的捏拢现象，当周边框架抗侧刚度较小时，捏拢现象非常明显，滞回环呈现“S”型，耗能能力不理想。

由于非加劲钢板墙是依靠屈曲后形成的拉力场来抵抗水平荷载的，因此在此拉力场的作用下，两侧的柱子会产生较大的附加弯矩，对柱子的稳定不利。

针对上述钢板墙体系的缺点，为了充分利用钢板剪力墙延性好、耗能能力强的优点，国内外众多学者开展了对钢板-混凝土组合剪力墙的研究。

钢筋混凝土墙板在侧向荷载作用下，表现出足够大的弹性抗侧刚度，但在强震或巨震下，容易发生脆性破坏，承载后期刚度明显退化; 钢墙板虽延性性能优异，但是极易发生钢板面外屈曲的缺点也很明显。

若将两者组合起来，则一方面可以弥补混凝土承载后期刚度退化、钢板面外屈曲的缺点，另一方面，两者的优势都可以很好的展现出来。

在组合墙中，两侧的混凝土板可以为内嵌钢板提供相当的侧向约束刚度，防止低屈服点的钢板因过早屈曲而失稳，同时混凝土盖板还能延缓内嵌钢板在火灾下刚度的迅速降低; 而钢板墙的存在可保证组合墙板在混凝土板出现斜裂缝后仍具有足够的承载力。

同钢筋混凝土剪力墙与非加劲钢板剪力墙相比，组合墙具有延性高、滞回耗能能力强、弹性抗侧刚度大、侧移小以及不易屈曲失稳等优点。

组合墙与钢筋混凝土剪力墙相比，在提高其滞回耗能能力以及延性的同时，结构的抗剪极限承载力、抗侧刚度以及整体性性能不会被削弱。

1.1.2钢板混凝土组合剪力墙的分类组合剪力墙由内填钢板和一侧或者两侧现浇或者预制钢筋混凝土板组成，它们之间通过抗剪连接件（包括栓钉、对拉螺栓、加劲板等形式）进行连接。

根据施工方法与受力机理的不同，可分为两类：现浇混凝土板-钢板组合墙和预制混凝土盖板-钢板组合墙(防屈曲钢板剪力墙)。

前者混凝土板与钢板整浇在一起，它们之间没有缝隙，两者变形协调，共同抵抗水平荷载；后者由预制混凝土盖板与钢板通过高强螺栓组合在一起，板与板之间有一定的缝隙，因此在小震作用下，两者变形协调，在中震或者大震作用下，两者可能发生错动滑移。

（1）现浇混凝土板组合墙传统的组合钢板剪力墙，指混凝土板与周边框架紧密接触，不留缝隙。

在水平荷载作用下，混凝土角部与框架发生挤压，导致混凝土提前开裂或者压碎，造成组合墙过早地破坏。

认识到“传统组合墙”的不足，Astaneh-Asl A．和Zhao Q．H．等提出了改进型组合剪力墙，在钢板上预埋栓钉，然后将混凝土板与钢板整浇在一起。

与“传统组合墙”唯一的区别在于:混凝土板与周边框架留有一定的间隙，从而减弱了混凝土材料的破坏。

这样，在相当的水平侧移下，混凝土板可为内填钢板提供足够的面外刚度，防止了钢板的屈曲。

相关试验［12－13］表明，传统墙混凝土板破坏严重，混凝土基本上都被压碎，而改进型组合墙表现出了良好的延性和塑性变形能力。

（2）预制混凝土盖板组合墙为寻求一种理想化的墙板构造模式，以此来减缓混凝土板的破坏，弥补传统组合墙的不足。

郭彦林等[14]提出了“防屈曲钢板剪力墙”。

其典型的构造特征是：内嵌钢板两侧设有混凝土盖板，并通过鱼尾板与周边框架相连，板与板之间可以发生相对错动，同时混凝土板与周边约束构件之间留有一定的间隙; 预制好的混凝土板与内填钢板通过施加预紧力的高强螺栓进行连接；两侧盖板的预留孔洞要大于螺栓杆的直径，以便在中震或者大震作用时，内填钢板与混凝土盖板发生错动变形，来释放混凝土盖板的面内应力，避免盖板严重破坏，能够为内填钢板提供持续的面外的约束。

除此之外，也可以按照两种材料的构造形式主要分为三种[15]，包括内嵌钢板-混凝土组合剪力墙、单侧钢板-混凝土组合剪力墙以及双钢板-混凝土组合剪力墙。

内嵌钢板与单侧钢板组合剪力墙均采用一块钢板，性能类似，相比传统钢筋混凝土剪力墙轴压承载力大幅提高，混凝土板的存在能够在一定程度上抑制钢板的整体和局部屈曲，充分发挥钢板的力学性能，保证剪力墙在侧向荷载作用下的承载力和耗能能力。

对于内嵌钢板组合剪力墙，外包混凝土还可起到防火和防腐作用。

内嵌钢板和单侧钢板组合剪力墙应用于超高层建筑结构主要存在以下不足：1）由于混凝土位于钢板外侧，在大变形的情况下，混凝土板可能会发生开裂剥落，对钢板的约束作用大大减弱，使剪力墙在大震作用下的延性耗能能力大幅降低；2) 剪力墙构造较为复杂，钢板运输安装难度较大，现场需支模板、绑钢筋等工序，施工相对比较困难；3) 混凝土开裂较难控制，裂缝外露难以避免，从而影响正常使用和耐久性。

采用双钢板-混凝土组合剪力墙是解决上述问题的有效途径之一：1) 混凝土填充于外侧钢板之内，能始终对钢板起到约束作用，而外侧钢板对内填混凝土同样具有约束作用，从而提高内填混凝土的变形能力，使得剪力墙在大震作用下延性及耗能能力大幅提高。

此外，对于有横向拉结措施的双钢板组合剪力墙，钢板可对混凝土起到更强的约束作用，使得高强混凝土在超高层抗震剪力墙中应用成为可能，从而真正实现“高轴压、高延性、薄墙体”的优化目标；2) 双钢板-混凝土组合剪力墙构造简单，钢结构运输安装方便，外侧钢板在施工阶段兼做混凝土模板，简化现场施工工序；3) 外侧钢板可有效避免混凝土裂缝外露；4) 用两块钢板替代一块钢板，可有效避免超高层建筑中厚钢板的使用及其带来的一系列不利影响。

针对组合剪力墙，以前的研究多集中于内嵌和单侧钢板组合剪力墙，此次所要研究的对象就是其中的双钢板内填混凝土形式的组合剪力墙，简称SC剪力墙。

对SC剪力墙的研究主要包括平面内抗震性能的研究，即各种因素对其抗震性能的影响，由于钢板混凝土组合剪力墙是一种较新式的结构，对其承载力计算的方法的研究也在不断的进行，此外，还有包括平面外的受力特征的研究等，主要是针对一些具有特殊用途的钢板混凝土组合墙。

1.2 国内外研究现状1.2.1关于影响SC剪力墙的抗震性能的试验研究聂建国等[15-16]通过试验对组合墙的一些构造细节（如组合墙体的厚度，钢板的厚度即含钢率，高宽比，轴压比，抗剪连接件的设置，墙体两侧的连接方式，混凝土强度等）进行了探讨。

1.2.2关于影响SC剪力墙的抗震性能的有限元数值模拟分析夏雷等[17]相继从有限元分析的角度上，对钢板混凝土组合剪力墙进行了深入分析，所使用的有限元分析软件也各有所不同，包括ABAQUS、ANASYS、OPENSEES、SAP2000等。

为了更好的将新式组合剪力墙应用于工程实际，国内学者也提出不少简化计算的模型，1.2.3关于SC剪力墙的承载力的理论公式理论分析马晓伟等[18]，孙飞飞等[19]，郭全全等[20]，都提出了简化分析模型，并在此基础上提出了组合剪力墙的承载力计算公式，包括抗弯承载力计算公式，斜截面承载力计算公式。

与此同时胡红松等[21]，马晓伟等[22]研究了组合墙体的刚度和受力变形的计算方法。

1.2.4关于SC剪力墙的其他构造措施的分析除此之外，张泽平等[23]，史晨程等[24]，阳芳等[25]还研究了组合墙平面外的受力性能，郭小农等[26]，吴婧姝等[27]研究了组合墙体开洞时的受力状况。

虽然国内已经有很多学者对钢板混凝土组合剪力墙做了很多研究，但是我国在这方面的研究起步较晚，仍然还有许多问题尚未解决，适用于我国工程实际应用的设计规范还未有颁布施行。

国外对钢板混凝土组合剪力墙研究较早，日，美，韩等国已经有相应的设计规范颁布并实施了。

对于SC剪力墙的性能研究，国外学者也做了大量的试验和分析，Wright和Anwar Hossain［28-30］对双压型钢板内填混凝土组合剪力墙的轴压和抗剪性能进行了研究，Link和Elwi［31］、Emori［32］对内设加劲肋的双钢板组合剪力墙开展了试验研究，Corus公司提出Bi-steel 组合墙构造并开展了相应的研究［33］。

此外，Masahiko等［34］、Eom 等［35］也对双钢板组合剪力墙开展了抗震性能试验。

他们所研究的双钢板组合墙多应用于防护结构、核电站、特种结构及快速建造的结构等，其构造形式并不完全适用于超高层结构的剪力墙，有的用钢量也偏高，但相关研究成果已证明该类结构具有良好的承载能力和延性耗能能力。

1.3 立题依据双钢板混凝土组合剪力墙的不同构造对抗震性能影响的研究分析所包含的内容包括，研究不同因素对组合墙平面内的抗震性能的影响，分析并提出不同局部加强措施对整个组合墙体抗震性能的提升。

已知的SC剪力墙的破坏模式分为两种情况，一种是由剪切破坏所控制，另一种是由弯曲破坏控制。

不同破坏模式有不同的极限承载力计算方法，马晓伟等[18]研究了压弯破坏模式下的双钢板_混凝土组合剪力墙压弯承载力数值模型及简化计算公式，郭全全等[20]研究并提出了剪切破坏模式下，双钢板混凝土组合剪力墙斜截面承载力计算方法。

胡红松等[19]对双钢板-混凝土组合剪力墙变形能力进行了分析。

此外，有许多研究人员对不同的组合墙体的构造措施做了对比分析，发现这些细部构造对SC剪力墙抗震性能有较大的影响，因而在设计过程中，为了适应不同情况下的工程实际的需要，应当进行更为细致的研究和分析，量化这些细部变化所产生的影响，同时对已经提出但尚未完善的设计计算方法进行进一步修正。

1.4 立题价值目前为止，国外一些国家已经提出了钢板混凝土组合剪力墙的设计规范，而我国国内尚未有相应的设计规范颁布并实施，这是因为国外的设计规范并不能完全适用于国内的工程状况，而国内在这一方面的研究起步较晚，还未有较为成熟的设计方案形成，一些学者提出的一些设计计算方法都是在自己少数试验的基础上提出来的，具有一定的局限性。

因此有必要进行试验数据的整合分析，提出更加完善的分析方法，填补国内SC剪力墙设计计算这一空白，推广具有更好抗震性能的新式剪力墙的应用，从而推动国内的复杂高层建设工程建设的进步。

二、研究的内容及方法国内许多研究人员针对SC剪力墙的抗震性能做了一系列试验，通过对这些实验进行数据整理归类，然后分析他们的试验现象，按照试验的条件和设定进行理想化的条件假设，从而在相应的有限元软件中建立起较为精确的组合建立墙的模型，通过有限元分析量化各种主要因素对于组合墙抗震性能的作用，然后进一步理论推导分析，提出更加完善的承载力计算公式和位移计算公式，最后将公式的计算值与试验值进行对比分析验证和进一步修正公式。

三、可行性分析通过以上所提出的研究方案途径，郭全全等[36]得出了SC剪力墙斜截面承载力的计算方法，并且该计算公式具有较好的准确性，此外许多研究人员都进行了某一部分因素对组合墙抗震性能的试验研究，因而具有较为可靠地试验数据基础，于此同时，聂建国等[37]就有限元ABAQUS中的混凝土本构关系在模型建立中的应用做出了较为详尽的分析，这为模型建立的准确性提供了较好的基础，而相应的组合墙的力学简化模型的提出，同样使得对公式的理论推导提供了较大的便利，最后，现阶段有些已经提出来的计算的公式，虽然尚不完善有一定的局限性，但仍然具有相当的参考价值。