型钢混凝土组合短肢剪力墙研究综述

王献云　李胜红　郑亮

摘要：短肢剪力墙结构是近年来在我国兴起的一种新型的抗侧力构件，它既保留了异形框架柱不凸出墙面的优点，又克服了异形框架柱抗震性能不理想等缺点。与普通剪力墙相比，短肢剪力墙门窗洞口更大，可以较好地满足住宅建筑的采光与通风要求，增加使用面积，造价更低，且结构自重更小。在此基础上我们在短肢剪力墙两侧加入型钢，以组合短肢剪力墙的结构形式来进一步提高结构整体刚度和抗震性能。

关键词：抗震性能；型钢混凝土；短肢剪力墙；组合结构

中图分类号：U663.9+3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）15-0056-02

一、前言

近年来，由于住宅需求的增加和用于建造住宅的土地供应紧张，高层住宅的建造成为众多开发商的首选，同时随着生活水平的提高，人们的居住观念也发生了根本变化，如要求大开间、平面和房间布置灵活、室内不露梁柱等，使得普通框架外露梁柱或普通剪力墙结构对建筑空间的严格限制与分割的设计已经不能满足使用要求。在这种情况下，一种界于异型框架柱和普通剪力墙结构之间的短肢剪力墙结构应用而生。短肢剪力墙既保留了异形框架柱不凸出墙面，房间布置灵活等优点，又克服了异形框架柱抗侧移刚度相对较低的缺点。与普通剪力墙相比，短肢剪力墙门窗洞口更大，可以较好地满足住宅建筑的采光与通风要求，增加使用面积，造价更低，且结构自重更小。另外，对于新一代的高层建筑，当今世界各国都已趋向采用钢—混凝土的组合结构。型钢混凝土组合构件充分利用了混凝土的抗压性能和钢材的抗拉压性能，使钢筋混凝土与型钢形成整体，共同受力。因此，型钢混凝土组合构件的承载力可以高出同样横截面的钢筋混凝土构件一倍以上。外包混凝土对型钢有较强的约束作用，可防止型钢的局部屈曲，提高型钢骨架的整体刚度和抗扭能力。并且型钢混凝土组合构件具有比钢筋混凝土构件更好的延性和耗能性能。因此，在强地震中，呈现出优良的抗震性能。鉴于型钢和混凝土能够较好的优势互补、取长补短，使材料的优势在结构抗震中能够更加充分体现出来的特点，所以我们在普通短肢剪力墙两侧加入型钢材料，形成型钢混凝土组合短肢剪力墙的结构形式。本文中我们称这种结构形式为型钢混凝土组合短肢剪力墙结构，并对该种结构形式的特点进行探讨。

二、短肢剪力墙的正式提出与定义

短肢剪力墙结构是由我国的容柏生院士于1997年首先正式提出的，文中扼要叙述了短肢剪力墙结构体系的构成、特点、设计原则等，指出短肢剪力墙结构是界于异型框架柱和普通剪力墙之间的一种结构形式。该体系的墙肢相对普通剪力墙较短，截面通常采用“T”字型，“L”字型，“十”字型，“Z”字型，折线型或“一”字型等。

通过众多学者和工程师对短肢剪力墙的逐步研究和实践应用总结，我国现行《高层建筑混凝土结构技术规范》对短肢剪力墙的定义为：短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比（肢高厚比）为5～8的剪力墙。即短肢剪力墙应满足5≤hc/bw≤8，hc为墙肢截面高度，bw为墙肢截面的厚度。

三、短肢剪力墙结构特点

1.它可结合建筑平面，利用间隔墙位置布置竖向构件，基本上不与建筑功能产生矛盾。

2.连接各墙的梁随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内，故较隐秘，解决了框架结构梁柱突出墙面的问题，使房间布置灵活，建筑功能容易满足，使用率高；尤其适用于20层左右的小高层住宅，且造价相对于普通剪力墙结构较低。

3.与普通剪力墙相比，随着剪力墙数量减少和结构自重减轻，整体结构刚度也减小，可降低地震作用力对结构抗震较为有利；可以开较大洞口，建筑上还可获得良好的通风与采光效果。

4.根据建筑平面抗侧刚度的需要，利用中心剪力墙形成主要抗侧力构件，易满足刚度和强度要求。

5.肢高宽比大，水平荷载作用下墙体的破坏一般都呈弯曲型。同时连梁的跨高比大，故连梁的破坏也呈弯曲型。所以短肢剪力墙延性好，对抗震有利。

四、型钢混凝土组合结构特点

型钢混凝土组合结构是把型钢埋入钢筋混凝土中的一种独立的结构形式。这种结构在各国有不同的名称，建设部2001年10月23日发布的《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ 138—2001）则正式将该种结构称作型钢混凝土组合结构。这种结构主要用来构成建筑物的梁和柱，内含型钢可分为实腹式和格构式两大类。该结构形式的特点如下：

1.受力性能好，材料利用充分：型钢混凝土组合构件充分利用了混凝土的抗压性能和钢材的抗拉压性能，钢筋混凝土与型钢整体共同受力。因此型钢混凝土构件的承载力可以高出同样横截面的钢筋混凝土构件一倍以上，所以在相同承载力下，其截面尺寸可以适当减小，因而不会形成“肥梁胖柱”。

2.良好的耐久性和耐火性：型钢外包裹的混凝土具有抵抗有害介质侵蚀，防止钢材锈蚀等作用；同时，型钢外混凝土保护层厚度，也决定着结构构件的耐火性能，比钢结构要好很多。

3.综合经济效益好：与钢结构相比，型钢混凝土组合结构可节约■的钢材，降低了造价；与传统的钢筋混凝土结构相比，构件的截面尺寸更小，结构自重轻，可以增加使用面积，便于建筑灵活布置。型钢混凝土组合结构与钢筋混凝土结构相比，可节省60%左右的混凝土，虽用钢量有所增加，但由于其较钢筋混凝土结构自重轻20%左右，对于高层建筑而言，明显降低了地基基础的费用。

4.抗震性能好：型钢混凝土组合结构由于型钢的设置，其延性比钢筋混凝土结构有明显提高，因此在大震中此种结构呈现出较好的抗震性能。

五、型钢混凝土组合短肢剪力墙结构特点

型钢混凝土短肢剪力墙基本上继承了普通钢筋混凝土短肢剪力墙的所有优点，同时由于型钢的加入，使型钢混凝土短肢剪力墙较其他结构形式也体现出更大的优越性：

1.型钢混凝土短肢剪力墙与普通钢结构相比具有良好的耐久性和耐火性，外包混凝土可以起到很好的防锈、抗火作用；同时由于外包混凝土的约束作用使普通钢结构构件受压失稳的弱点得到了很大的克服；另外混凝土与型钢共同承担荷载，使型钢混凝土成为节约钢材的一个重要手段。

2.型钢混凝土结构和普通钢筋混凝土结构相比承载力大大提高，型钢混凝土结构构件的承载力可以高于同样外形尺寸的钢筋混凝土构件的承载能力1倍以上；由于型钢在混凝土在未浇筑以前就已形成钢结构骨架，它具有相当大的承载能力，能够承受构件自重和施工荷载，从而缩短施工周期；型钢混凝土组合结构由于型钢的设置，其延性比钢筋混凝土结构有明显提高，因此在大震中此种结构呈现出较好的抗震性能。

六、型钢混凝土组合短肢剪力墙结构存在的问题

型钢混凝土组合短肢剪力墙结构虽然有诸多优势，但是由于研究工作还处于起步阶段，而且暂时还没有太多的文章提及，因此在理论、应用以及在实际工程中都仍然存在很多有待解决问题。

1.短肢剪力墙结构虽然有以上各种优点，并在实际住宅建筑上得到了应用，但是，对其受力和变形特性方面的研究还基本上处于初始阶段，明显地滞后于工程实践。目前，在新的国家规范或规程中，虽已给出有关短肢剪力墙结构和异形柱结构的设计条款，但是从各种信息和资料来看，各类短肢墙受力性能试验数据的积累还较少，还不足以对这种新型的结构形式给出准确定性和定量分析的基础。与此同时，短肢剪力墙这种结构形式本身布置的灵活性，在不同情况下，也可能使结构的受力特性发生变化，因此，进一步的抗震性能试验是非常必要的。

2.在理论方面，现在对短肢墙的结构分析和设计软件，基本上仍采用以弹性模型为基础的有限元方法。这种方法可以精细地分析钢筋砼结构在砼开裂前的应力状态，但对结构的破坏模式分析却无能为力，不足以指导短肢墙的结构设计。在实际工程中，结构设计人员在设计中常常会遇到一些规范或规程中没有涉及的问题，所实施的有关构造措施，往往是将普通剪力墙结构的规定移植过来；在计算分析方法上，也是沿用普通剪力墙的计算方法。这些做法并没有可靠的技术基础，可以说，到目前为止，对于短肢剪力墙结构尚缺少比较准确有效的设计和安全性评价的理论和方法。

3.型钢混凝土结构由于具有良好的力学性能在高层建筑中的应用日益广泛。但总的来说，型钢混凝土结构在我国的应用还处于起步阶段，尤其型钢混凝土结构与短肢剪力墙结构相结合的工作仍需要进一步深入研究，随着工程实践、数据、经验积累，科研工作的深入，计算理论的进一步完善，如果能有针对性的推广应用型钢混凝土组合短肢剪力墙结构，对我国高层建筑的发展、优化和改善结构抗震性能，都将具有极其重要的意义。

七、结语

型钢混凝土组合短肢剪力墙结构是在短肢剪力墙结构的基础上，充分利用型钢混凝土结构的特点，通过在普通钢筋混凝土短肢剪力墙两侧配制型钢，以改善结构的延性和耗能能力，并提高整体刚度和抗震性能的一种新型的组合结构形式。该结构能够有效实现结构建筑使用功能、抗震性能要求和经济指标合理三者的协调统一，在高层住宅及多、高层办公楼中具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]容柏生.高层住宅建筑中的短肢剪力墙结构体系[J].建筑结构学报，1997，18（6）：14-19

[2]JGJ3-2002.高层建筑混凝土结构技术规程[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

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[4]赵西安.现代高层建筑结构设计[M].北京：科学出版社，2000.

[5]丁永君，纪纲.短肢剪力墙结构层间极限变形能力的计算[J].天津大学学报，2000，33（3）：363-366.