钢板剪力墙的发展和研究现状

钢板剪力墙的发展与研究现状

姓名：叶小峰学号：149100007

1 背景与应用

1.1 钢板剪力墙的构成及特点

钢板剪力墙结构是20世纪70年代发展起来的一种新型抗侧力结构体系。钢板墙单元由内嵌钢板和竖向边缘构件（柱或竖向加劲肋）、水平边缘构件（梁或水平加劲肋）构成。当钢板沿结构某跨自上而下连续布置时，即形成钢板剪力墙体系。钢板墙整体的受力特性类似于底端固接的竖向悬臂组合梁：竖向边缘构件相当于翼缘，内嵌钢板相当于腹板，而水平边缘构件则可近似等效为横向加劲肋。

过去三十几年来，关于钢板墙作为主要水平抗侧力体系的试验研究和数值分析揭示了其独特的表现，包括较大的弹性初始刚度、大变形能力和良好的塑性性能、稳定的滞回特性等。钢板墙已成为一种非常具有发展前景的高层抗侧力体系，尤其适用于高烈度地震区建筑。

1.2 钢板墙的工程应用及在地震中的表现

到目前为止，全球采用钢板剪力墙作为抗侧力结构的建筑已达数十幢，主要分布于北美和日本等高烈度地震区。采用钢板墙的建筑已经历过实际的地震考验并且有着良好的表现。最为成功的一例是神户的一幢35层（129.4高）的大楼，该楼于1988年建成，经受了1995年阪神大地震。研究人员在震后的调查中发现，该建筑物未出现任何明显的结构破坏，仅26层发生了加劲钢板墙的局部屈曲；屋顶部位在正北、正西方向的侧移分别只有225mm和35mm

2. 钢板墙的形式

2.1 薄钢板墙和厚钢板墙

按内嵌钢板宽厚比的大小，钢板墙可分为厚钢板墙和薄钢板墙。

厚板剪力墙有较大的弹性初始面内刚度，且在大震作用下具有良好的延性及稳定的滞回性能。厚板剪力墙通过面内抗剪承担侧向水平力，一般不会发生局部屈曲，即使发生屈服后屈曲也不会形成较大的拉力带，对周边框架梁柱的依赖程度小。厚板剪力墙采用低屈服点钢材较适宜，抗侧力设计值较大时除外。厚板墙的最大不足是耗钢量大及成本高，其发展受到一定的限制。

薄板剪力墙由于其宽厚比较大，在侧向力较小时就发生局部屈曲，并随着侧向力的逐渐增大在钢板墙对角线方向形成拉力带；拉力带锚固在钢板墙周边梁柱构件上，对柱会形成附加弯矩。因此在设计薄钢板墙时对其周边构件要适当加强，以保证钢板墙拉力带充分发挥作用。另外，从耗能能力方面讲，薄钢板剪力墙的滞回曲线有不同程度的捏拢现象，不如厚钢板墙滞回曲线饱满。

2.2 加劲和非加劲钢板墙

加劲钢板墙的设计原理是利用不同形式的加劲肋延缓钢板的屈曲，提高钢板的极限承载力及延性性能。对薄钢板墙，可以通过设置加劲肋以改善其受力性能及延性。

加劲肋有多种形式，如十字或井字形布置的加劲肋、对角交叉加劲肋和门、窗洞边加劲肋等。

设置加劲肋的最大优点是提高薄板的弹性刚度，并使其在弹塑性范围内具有稳定饱满的滞回曲线，克服薄钢板滞回曲线的“捏拢”现象。

2.3开竖缝钢板墙

受混凝土开缝剪力墙的启示，日本学者提出了开竖缝钢板墙结构体系

并已经在一些实际工程中得到应用。开竖缝墙具有如下优点：

（1）通过调整竖缝的间距、长度等，可以方便地改变单个墙体的刚度。

（2）钢板只与梁连接，对柱不产生附加弯矩，符合强柱弱梁的抗震理念，塑性和滞回性能较好。

国内郭彦林及缪友武对两侧开缝的钢板剪力墙进行了研究，并利用有限元方法对其非加劲、两侧加劲和全加劲形式的弹性屈曲性能和弹塑性屈曲性能进行了全面分析，为两侧开缝钢板剪力墙的深入研究打下基础，同时为其设计应用提供了有益的参考。

2.4低屈服点钢板墙

近年来,国内外许多学者对钢板剪力墙的力学性能进行了研究,大部分采用普通钢材作为内填钢板,但针对以低屈服点钢材作为内填钢板的低屈服点钢板墙的研究并不多见。低屈服点钢板剪力墙有以下几个特点：

(1)对于相同大小的水平剪力,当钢板墙采用相同的边缘框架时,采用低屈服点钢板墙设计的内填钢板厚度将大于普通钢板墙,使低屈服点钢板墙内填钢板的屈曲应力大于普通钢板墙,内填钢板更多的通过屈曲前纯剪切抗侧;钢板墙内填钢板屈曲前抗侧刚度比屈曲后抗侧刚度约大28.2％;因此,实际工程中采用低屈服点钢板墙将得到更大的初始抗侧刚度,有利于整体结构的抗侧。

(2)低屈服点钢板墙的抗侧性能可以通过叠加内填钢板和边缘框架获得,分析边缘框架的抗侧性能时需特别注意:无论内填钢板屈曲前纯剪抗侧或屈曲后拉力带抗侧,均会对受压侧框架柱产生不容忽视的轴压力,边缘框架总塑性铰弯矩值将减小,从而降低边缘框架的抗剪承载力,但不会影响边缘框架的抗侧刚度。

(3)钢板墙内填钢板屈曲后会对边缘框架柱产生很大的附加弯矩和附加轴力,影响边缘框架柱的稳定性,边缘框架失稳将导致内填钢板斜拉力带不能充分发展。研究结果显示在单向水平荷载作用下,采用低屈服点钢板墙相比普通钢板墙可大大减小对边缘框架柱的附加作用,从而降低边缘框架柱的损坏等级,保证结构整体的安全性。

(4)低屈服点钢板墙在循环往复荷载下的滞回环比普通钢板墙饱满,其极限承载力不如普通钢板墙,但延性和耗能性能优于普通钢板墙。低屈服点钢板墙的滞回环饱满程度及耗能性能不受内填钢板高宽比的影响,当钢板墙高度一定时,结构在循环往复荷载下的极限承载力随内填钢板宽度增加而增大;薄钢板墙的延性与内填钢板高宽比无关,但厚钢板墙延性随高宽比的增大而有所降低。

(5)中跨内填钢板的嵌入能较大程度的削弱地震动对框架梁的作用,但会增加对中跨柱的作用,满足内填钢板边框柱的刚度要求是保证钢框架-钢板剪力墙充分发挥作用的前提;采用低屈服点钢材作为内填钢板的钢框架-低屈服点钢板剪力墙结构能较大程度的减小内填钢板对边框柱的作用,降低边框柱的刚度要求。在罕遇地震激励作用下,相对于纯框架和钢框架-钢板剪力墙结构,钢框架-低屈服点钢板剪力墙结构能够更好的保护外框架,从而降低外框架损坏等级,保证结构整体的安全性。

3. 钢板剪力墙的研究现状

在过去的30年间，对钢板墙的研究大致可分为两大部分：防止内嵌钢板屈曲（加劲或厚板）和利用钢板屈曲后强度（非加劲或薄板）。一批美国和日本的学者曾主要致力于加劲（厚板）性能的研究：钢板墙被设计成在极限荷载下也不发生屈曲的体系，即以钢板的面外屈曲作为设计极限状态。到目前为止，国内对钢板墙的研究有一定进展。