组合剪力墙的抗震研究简述

曹德金 席永慧

(1.同济大学土木工程学院，上海 200092;2.无锡市公共工程建设中心，江苏无锡 214031)

1 概述

钢筋混凝土高层建筑的构件通常有梁、柱、楼板和剪力墙以及由剪力墙组成筒体。其中起核心抗侧力作用的是剪力墙和由剪力墙组成的筒体。抗侧力构件的抗震性能对高层建筑的安全可靠有着至关重要的作用。因此对高层建筑抗震设计来说，其关键技术就是研制抗震性能好的剪力墙。

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。随着高层建筑数量的增加和建筑形式的多样化，普通混凝土已经不能完全满足高层的抗震需求了。因此，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改善。总的来说组合剪力墙按组合形式可分为两种，一种是单一组合剪力墙，另一种为双重组合剪力墙。

组合剪力墙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。本文主要介绍组合剪力墙中的带暗支撑、型钢、钢管组合剪力墙，阐述其受力机理和抗震性能，以同时提出目前组合剪力墙存在的问题及展望。

2 带暗支撑组合剪力墙抗震性能

曹万林在1994年提出了内藏暗支撑组合剪力墙并对其进行了研究，在1998年取得国家专利。带暗支撑组合剪力墙是在普通剪力墙配筋基础上，加设暗支撑纵筋及箍筋，或者加设暗支撑的型钢，有效的发挥钢材和混凝土各自的性能，以增强墙体的抗震性能。暗支撑可选用人字形、X形、八字形等，其中普遍采用带X形暗支撑组合剪力墙的形式。曹万林等[1-8]在暗支撑剪力墙的研究方面做了大量的工作，研究了不同高宽比和不同肢宽的暗支撑剪力墙的抗震性能，不同截面形式的暗支撑剪力墙的抗震性能，不同暗支撑形式的暗支撑剪力墙的抗震性能，带暗支撑剪力墙中暗支撑配筋比对剪力墙抗震性能的影响，带暗支撑剪力墙中暗支撑倾角对剪力墙抗震性能的影响，带暗支撑剪力墙筒体抗震性能研究，带暗支撑剪力墙与其他抗震措施的联合应用以及带暗支撑剪力墙的振动台试验。通过这些实验，研究了带暗支撑剪力墙的承载能力、延性性能、刚度、滞回特性、耗能能力和破坏特性。下面分别介绍在暗支撑剪力墙这些方面的研究情况。

与普通的混凝土剪力墙相比，带暗支撑组合剪力墙具有更好的抗震能力。带钢筋—型钢组合暗支撑剪力墙、钢筋暗支撑剪力墙和普通剪力墙的综合抗震性能相比，带钢筋—型钢组合暗支撑剪力墙的最好，钢筋暗支撑次之，普通混凝土剪力墙的最差。并且较普通混凝土剪力墙，带钢筋—型钢组合暗支撑剪力墙的综合抗震性能提高很多。

3 钢管混凝土剪力墙抗震性能

与混凝土结构相比，钢管混凝土结构受力性能的优越性突出表现在合理的利用钢管对混凝土的紧箍力，这种紧箍力可使混凝土的抗压性能能更为有力地发挥。由于结构自重大大的减轻以及结构延性的改善，使结构抵抗地震作用的能力得到加强。在我国，钢管混凝土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，但随着试验装备及条件的改善，这种剪力墙的试验研究也逐渐增多。这些研究也为我国今后这种剪力墙的设计和应用提供理论依据[10]。目前，这种剪力墙的形式主要有两种:1)在钢管混凝土框架中内嵌一块钢板的带钢管混凝土边框的钢板剪力墙(见图1);2)带钢管混凝土边框的钢筋混凝土组合剪力墙[9]。

图1 带钢管混凝土边框的钢板剪力墙

夏汉强等[11]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，验证了CECS 159对承载力进行计算时的第①条假设，研究表明第①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[19]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[20]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。

在我国的工程建设中已经有应用，例如采用了圆钢管混凝土柱和剪力墙为现浇钢筋混凝土结构的福建南安邮电局大楼;1999年在深圳建成采用了圆钢管混凝土边框钢筋混凝土组合剪力墙的赛格广场大厦和2001年在杭州建成采用方钢管混凝土边框钢筋混凝土组合剪力墙的瑞丰国际商务大厦[12]。

王敏等人[13]做了1/4的缩尺试验，试验研究了钢管混凝土边框剪力墙的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载、延性系数、滞回环以及变形耗能特性。江枣[21]试验研究了圆钢管混凝土剪力墙在高轴压比和往复水平力作用下的抗震性能。中国建筑科学研究院的陈涛等[22]试验研究了不同形式的高轴压比、大剪跨比剪力墙进行往复水平力加载试验，研究墙体两端暗柱设置型钢、墙身增设内藏钢板等形式组合剪力墙的压弯承载力、延性性能及破坏机理。曹万林等[23]试验研究了矩形钢管和不同强度等级的混凝土，不同轴压比，不同剪跨比，不同强弱抗剪连接键的钢管混凝土边框组合剪力墙的抗震性能。

4 型钢混凝土组合剪力墙抗震性能

自20世纪90年代以来，型钢—混凝土组合结构体系自美国向世界迅速传播开[24]。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，如图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[14]。武敏刚、吕西林[17]2004年试验研究了钢骨联肢剪力墙的抗震性能，研究表明这种组合剪力墙的破坏形态和普通混凝土剪力墙的相差不大，但是其承载力和延性都较普通混凝土剪力墙提高了很多。李莉等[25]对内藏钢框架混凝土剪力墙和内藏斜向支撑钢框架混凝土剪力墙的抗震性能进行了研究，共进行了3个1/3缩尺的模型的试验，并将试验结果和计算结果进行比较，两种结果吻合较好。

图2 SRC剪力墙模型及截面配筋形式

曹万林等人[18]试验研究了较高轴压比下内藏钢桁架混凝土组合高剪力墙的抗震性能，共做了5个1/3缩尺的模型的试验，试验表明:与普通混凝土剪力墙相比，这种剪力墙的延性及耗能能力都得到显著提高，同时内藏桁架的存在也延缓了裂缝的开展，这对稳定剪力墙的后期性能是十分重要的。杨其伟等(型钢混凝土短肢剪力墙抗震性能的试验研究)对钢混凝土短肢剪力墙进行了低周反复荷载下的抗震性能试验研究，共做了3个1/2缩尺的模型的试验。王献云试验研究了“一”字形型钢混凝土组合短肢剪力墙墙肢构件的抗震性能，做了3个1/2缩尺的模型的试验。型钢混凝土组合剪力墙能够很好的发挥混凝土的抗压特性和型钢的抗拉特性，两者能够相互弥补彼此的不足，从而使型钢混凝土组合剪力墙的承载力比普通剪力墙的提高很多。同时，外包的混凝土也能够对型钢起着保护作用。由于型钢的存在，型钢混凝土组合剪力墙的滞回特性，延性及耗能能力都得到很大的提高，因此其在大震中能够起到较好的抗震性能。

5 抗震性能的总结

1)组合剪力墙都可充分发挥钢材的良好抗拉性能，从而使组合剪力墙的延性比普通混凝土剪力墙的提高很多。组合剪力墙中的钢材和混凝土两者能够相互弥补彼此的不足，从而使组合剪力墙的承载力比普通剪力墙的提高很多。同时，外包的混凝土还能够对型钢起保护作用。

2)组合剪力墙的抗震设计不能充分考虑混凝土和钢材的作用。目前组合结构的承载力设计方法有两种:a.按平截面假定，采用钢筋混凝土构件的计算方法。这种方法多用于欧美地区，而欧美地区的组合混凝土的配筋量比较大，其研究成果很难直接应用到我国的规范中;b.叠加法，这种方法没有考虑型钢和混凝土之间的粘结力及型钢骨架和混凝土间的约束与支撑作用，其承载力和刚度的计算结果偏于保守。

3)组合剪力墙与普通混凝土剪力墙的连接构造还需进一步研究。目前对组合剪力墙的抗震试验研究时，通常是对单一的组合墙模型进行的。但在实际工程中，高层建筑中可能同时使用组合剪力墙和普通混凝土剪力墙。剪力墙为建筑主要的抗震构件，两种剪力墙的连接构造对建筑的抗震性能的影响很大，但目前这方面的研究还很少，所以需要进一步研究。

4)组合剪力墙中钢和混凝土的连接还需要进一步研究。

6 结语

与普通混凝土剪力墙相比，组合剪力墙的抗震性能更加优越，本文总结了组合剪力墙的一些抗震性能，并分析了组合剪力墙抗震的优点，总结了组合剪力墙抗震性能研究在设计、构造以及与普通剪力墙连接当中存在的一些关键问题。随着组合剪力墙在实际工程中的应用越来越广，其抗震性能研究也将会随之得到深入和完善，对组合剪力墙的认识也将越来越透彻，目前组合剪力墙研究和设计中存在的问题也将逐步得到解决。

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