钢板剪力墙承载力与抗震性能研究

陈宇

【摘要】本文关注了加劲钢板剪力墙的屈曲特性和抗剪承载力，考察了影响钢板剪力墙屈曲承载力的各主要因素。对钢板墙的受剪屈服和屈服后行为及其影响因素进行分析研究，并同时对比了薄板和厚板承载机制方面的区别。通过整体模型，探讨了钢板剪力墙抵抗地震作用的塑性耗能机制和特性。

【关键词】加劲钢板剪力墙；屈曲特性；抗剪承载力；塑性耗能

目前钢砼剪力墙是我国高层建筑中最为常见抗侧力结构形式，钢砼剪力墙刚度较大，在剧烈地震作用下，将造成墙体的严重损坏，刚度退化，而地震作用向框架转移，抗震性能不尽合理。钢板剪力墙以其合理的初始刚度，大变形能力和良好的塑性性能，稳定的滞回特性而逐渐受到重视。

1、钢板剪力墙屈曲特性

屈曲特性的分析采用通用有限元软件的特征值屈曲模块，加劲肋的布置主要考虑其自身尺寸和间距两种因素，分别考虑竖向加劲肋和纵横加劲肋两种形式钢板剪力墙，本文以肋板的外伸宽度与钢板板厚的比值（bs/t）来表明加劲肋的强度，同时定义高厚比（λ=h0/t）以区分不同厚度的墙板。为考虑框架柱对屈曲承载力的影响，设置了多种柱截面。

加劲肋钢板剪力墙的弹性屈曲承载力与高厚比λ密切相关，屈曲承载力随高厚比的增大迅速降低。另外加劲肋对薄板屈曲承载力提高明显，可见加劲肋对薄板更有必要。

仅设置竖向加劲肋钢板剪力墙的屈曲承载力随着加劲肋刚度增加而增大，刚度继续增加，失稳形式由整体失稳向局部变形的过渡，承载力不再增加，类似于梁腹板加劲肋的尺寸要求，

随着加劲肋间距的增加，其屈曲承载力快速地下降，针对仅设置竖向加劲肋的钢板剪力墙，当加劲肋间距达到a/h0=0.5～0.83，加劲肋的作用不明显，因此在实际钢板剪力墙设计中，对仅设置竖向加劲肋的情况，肋间距宜小于钢板高度的1/2，且不应大于5/6。

板厚越大，则强柱对承载力的提高作用越明显。另外框架柱对墙板屈曲承载力的提高，必须以加劲肋的合理配置能够有效使得墙板面外位移得以限制为前提条件。

将采用不同的加劲肋设置方式的屈曲承载力对比，当竖向加劲肋间距小于钢板高的0.25时（a≤0.25h0），额外地设置横向加劲肋，并不会提高承载力。当竖向肋间距a=0.25h0～0.5h0时，设置一道横肋可获得最多12.5%的提高，而设置两道横肋可提高承载力50%。当竖向肋间距a≥0.5h0，建议采用增设横肋加劲形式。

2、静力抗剪承载力

钢板剪力墙作为结构中主要抗侧力构件，水平荷载作用下，墙板极有可能进入塑性工作状态[1]，此时钢板剪力墙的优势在于具有较大的延性和良好的塑性耗能能力。

以特征值屈曲的第一阶屈曲模态为基础，将第一阶屈曲模态的1/1000、1/500和1/200作为缺陷幅值，分别施加于模型之上，分析可见初始几何缺陷并未对钢板剪力墙产生显著的影响，荷载—位移曲基本重合。

随着高厚比λ的增加，承载力快速地下降。薄板以局部屈曲并受拉屈服为极限破坏状态，厚板则以截面受剪而最终进入剪切屈服，加劲肋的作用均不明显。反观中厚板，由于同时可能伴随截面受剪和拉力带两种不同的承载方式，加劲肋的作用明显，说明加劲肋的设置对于中厚板更有必要。

经对比分析，加劲肋对高厚比λ=600的薄板极限承载力提升作用不大，整体屈曲和局部屈曲的不同失稳形式，并不会对最终承载力造成过多的不同。对于高厚比λ=150的厚板，可通过合理配置加劲肋，将屈曲限制小区格内，减小对柱的依赖，而略为提高承载力。

加劲肋对薄板与厚板初始刚度的影响亦不同，加劲肋能提高薄板的刚度，厚板剪力墙刚度则不会因加劲肋的加强而提高。

强柱能够提高墙板的极限承载能力。另外对于薄板和中等厚的钢板[2]，屈曲产生的拉力带对框架柱的附加作使得柱先于墙板屈服，承载力曲线出现下降段，厚板不会发生承载力下降，但仍能受益于强柱作用。实际应用中，应注意控制因钢板屈曲对框架柱产生的不利影响。

3、整体结构中钢板剪力墙的响应特性

建立钢框架—钢板剪力墙整体模型，按多遇地震反应谱将地震作用分别沿结构两个主轴方向施加，多遇地震作用下，因为钢板墙的存在，约束梁跨范围内，由于梁受上、下墙体的约束作用，该梁段表现出类似刚性梁的性质，内力和变形都较小。在水平地震作用下，墙板周边约束边柱剪力、弯矩明显小于其他框架柱，但轴力较大。多遇地震作用下，墙板随结构整体变形，在两侧发生了压缩和拉伸，因此在墙板两侧等效应力值明显大于中部，尤其在墙板的角部等效应力往往最大。

从推覆过程来分析，塑性铰最早出现于中间楼层的框架梁上，继而塑性铰往下部楼层发展，同样出现在框架梁上，其中主要以钢板墙所处的该榀框架中的主梁上出現的塑性铰最多，但作为墙板边缘构件的主梁并未发现有塑性铰。

为分析钢板剪力墙在大震作用下的耗能特性，由底层墙板的剪应力随位移变化的全过程曲线[3]，可见墙板通过在正向和反向位移上剪切屈服，耗散地震能量，表明墙板具有可靠的耗能能力，实现了钢板剪力墙大震下利用屈服耗能机制抵抗地震作用的目标。

结论：

本文从加劲钢板剪力墙的细部和整体特性两方面作为出发点，着重对钢板剪力墙承载能力和抗震特性进行研究分析，得到如下结论：

（1） 加劲钢板剪力墙的屈曲承载力同时受自身墙板厚度、加劲肋和边缘框架构件因素的影响。

（2） 加劲肋对薄钢板的侧向刚度有明显提高作用，厚板墙则不会，加劲肋布置对中等厚度的墙板效果最好。受薄板拉力带附加作用，框架柱往往先于墙板自身出现屈服而导致最终承载力降低，厚板则不存在此现现象。

（3） 钢板墙与框架整体协同工作时，在墙板的四个角部位置，会出现应力较为集中的现象，在实际的钢板墙设计和施工中应当采用必要的方法和连接措施。

（4） 罕遇地震作用下结构响应的分析结果表明，在大震作用下可依靠自身的墙体材料的大范围屈服变形来耗散地震能量。位于钢板墙同榀框架中，且并未布置内嵌墙板的框架梁较容易发生屈服。

参考文献：

[1]王晓峰， 秦荣， 刘光焰.考虑初始缺陷的结构非线性屈曲承载力分析[J].江苏建筑，2009：28-30.

[2]Chen Sheng-jin， Chyuan Jhang. Experimental study of low-yield-point steel plate shear wall under in-plane load[J]. Journal of Constructional Steel Research， 2011（67）： 977-985

[3]孙国华，顾强.近断层地震作用下钢板剪力墙结构基于MECE谱的性态设计方法[J].建筑结构学报，2012，33（5）：105-117.