两边连接加劲钢板剪力墙抗剪性能分析

刘智颖 周文杰 李冠民

【摘 要】钢板剪力墙作为一种新型的结构构件，能够有效抵抗侧向力，克服钢筋混凝土剪力墙的自重对其抗剪性能的影响同时能对角隅混凝土容易开裂等现象进行有效规避，具有整体重量较轻、结构刚度大、抗侧向力性能好、延展性好和施工快简便快捷等优点。在原有理论的基础上，通过研究试验表明，支承柱体的破坏是钢板剪力墙抗剪性能丧失的主要原因，而通过设置横向加劲肋可显著提高钢板剪力墙的承载能力。厚度不同的钢板其抗剪性能不同，当钢板受到外力作用时，较薄的钢板受到的影响大于较厚的钢板。然而，无论是厚板和薄板，加强肋宽比有助于增强两边连接加劲钢板剪力强的抗剪性能。对此，调查员详细调查了各种连接方式的加劲钢板在工程建筑上的应用，分析比对其方式的优劣性，着重分析了两边连接加劲钢板剪力墙的抗剪性能，作出此文。

【关键词】剪力墙；抗侧力构件；性能分析；

引言

钢板剪力墙是十九世纪七十年代开始使用的建筑方式，其本质是一种有效抗侧力构件。发展初期主要应用在北美和日本等国家，并被广泛应用于多层和高层建筑的结构框架中，尤其适用于海拔高的地区。钢板剪力墙克服了混凝土剪力墙自身重量大、角部易开裂的缺点。两边连加劲钢板剪力墙是它的布置不容易受到限制，并且能够满足住宅用户在钢体结构上需要灵活开设门窗洞口的需求。两边连接加劲钢板抗剪力强的应用对钢板墙的推广起到非常关键的作用，此方法还具备两边连接钢板墙不再与柱子相连的特点。

1结构分析

两侧连接加劲支撑钢板剪力墙的结构方式是在与墙连接的上下框架梁上进行焊接并与左右两侧框架的支柱断开，沿剪力墙的架构方式在钢筋两侧对称布置，设立对角板。在水平剪力在作用下，剪力墙的左右两侧会产生压应力，容易引起它发生局部弯曲，因此通常会在剪力墙的左右两侧的加劲对角上交叉设计加劲钢板。同时在剪力墙内壁沿着墙板对角排列线两侧对称布置加劲肋，墙内、墙下及框架梁只采用焊接连接或螺栓连接，左右两侧不连接框架。

2受力破坏分析

2.1结构受力破坏

两边连接加劲钢板剪力墙框架柱的受力情况是不均匀的。从结构抗震设计角度考虑，框架柱被破坏造成的危害性高于梁被破坏带来的危害，因为梁的破坏属于构件破坏，是局部破坏，不具备整体危害性，及时发现受损情况尚且有可挽回的余地。框架柱破坏将会危及整个框架结构的安全，可能会导致建筑结构的倒塌，将会造成严重后果，所以要保证柱子“相对”安全。

2.2荷载受力破坏

为了研究两边连接加劲式钢板剪力墙各类构件在水平荷载作用下的破坏顺序及破坏情况，可以采用一个典型的单层带边框两边连接加劲式钢板剪力模型，向右进行静力对剪力墙的作用分析，在以往对剪力墙抗剪性的分析研究报告中来看，在受到外力作用时，两边连接加劲式钢板的剪力墙会在其上形成一个屈服区域，在逐渐增大的水平荷载作用下，首先在剪力墙的墙底边角部及梁端部与加劲钢板墙接处出现屈服区，随着侧向荷载作用力的逐渐增大，钢板墙中屈服区域面积逐渐增大到大部分钢墙区域，接着支柱子底端也将出现屈服区，最后柱子顶部出现屈服区。屈服区的产生顺序放映了剪力墙受到外力作用下的破坏顺序，我们可以根据其先后顺序，在对应的部分采取措施來提高剪力墙的抗剪性能。

3剪力墙受力分析

框架梁承受剪力最大的位置为框架梁、柱的节点附近，梁中部受到的剪力作用较小，在实际的建筑工程应用中，可考虑在框架梁节点区域增大剪力墙梁截面尺寸以提高梁的抗剪承受力，从而保证框架梁不先于剪力墙的加劲钢板发生破坏。两边连接加劲钢板剪力墙的框架梁节点区域剪力变化梯度较大，其原因是钢板的对边受力方向相反，在遭受剪力时，形成顺时针方向的弯矩，此弯矩需要通过钢板的四个角点的形成剪力平衡，剪力在此区域数值随着剪力墙弯矩数值的变化而改变。

4加劲肋对剪力墙性能影响

两边连接加劲钢板的剪力墙在设置加劲肋后，墙板的抗剪能力有了显著提 高，而对于厚度较薄钢板其承载性能的提高幅度要大于具有一定厚度的钢板。加劲肋对于厚板和薄板荷载位移曲线数值的影响不同。加劲肋会对钢板的抗剪性能产生影响。对于厚度较薄的钢板来说，没有采用加劲肋的薄板其承载性能虽然较厚板的抗剪性低，但是具有较好的延展性能。但钢板的延展性却有所降低。随着肋板刚度比的增加，极限承载力也随之增加，且延展性也有所提高。因此，对薄板设置加劲肋，要使得承载力提高的同时，考虑到不能过多地降低其延展性。肋板刚度比的选取应同时考虑到加劲肋的宽度与厚度之比，因为宽厚比的减小会使加劲肋自身对钢的用量在增加。因此在实际工程中，不宜取用过小的加劲肋宽厚比，否则无法有效地提高钢板的抗剪性，而且会造成一定的资源浪费。另一方面，加劲肋宽厚比也不宜取得过大，因为过大的宽厚比会使加劲肋屈曲严重，从而难以发挥其应有的作用。

5模型构建

两边连接加劲钢板剪力墙最常用的构建模型为限元模型。在构建模型的过程中，框架梁、柱的抗压和抗弯刚度均取无穷大，且框架梁、柱节点为饺型连接方式，水平荷载力施加在加劲钢板上方框架的梁端，一阶模态对应的水平剪力即为钢板剪力墙的弹性屈曲承载力。在以往对两边连接钢板剪力墙的抗剪性研究中，通常还应用到单层单跨铰接模型，在此模型构建中框架梁抗压能力和抗弯刚度也设定为无穷大，在此模型设定下，加劲钢板剪力墙具有构造简单，受力点和受力方向明确等优点，但该模型不能考虑到剪力墙框架梁的刚度以及梁柱节点形式对加劲钢板剪力墙抗剪性的影响。在模型构建时为了更真实地模拟钢板剪力墙实际的受力状态，常通过对层数单跨五层的两边连接钢板剪力墙在单向荷载作用下的受力特点进行分析。

6不同类型比较

6.1钢板加劲肋

加劲肋的设置可有效地防止剪力墙两侧边的平面外变形，阻止建筑物的结构失稳。但是剪力墙加劲肋构试件的滞回能力较弱，这是因为加劲肋在抗剪过程中存在初始缺陷，在剪力产生时，其构件为了应对承载力的变化会过早地产生屈曲，无法对其弯曲部位进行恢复，只在早期表现出较强的抗剪能力，对剪力墙有贡献有限。

6.2四边连接钢板

四边连接加劲钢板与两边连接有所不同。采用四边连接钢板剪力墙在受到剪力作用时其框架梁、柱共同工作，并且四边连接钢板剪力强的初始剪切刚度和承载力较两边连接钢板剪力墙有所提高。与四边连接钢板剪力墙相比，两边连接钢板剪力墙的初始剪切刚度降低了剪力墙平均剪应力。但是四边连接剪力钢板存在施工操作难度大，建构应用受到限制的缺点。

6.3交叉加劲肋与十字加劲肋

通过考察两边连接加劲钢板剪力墙在建筑工程上的应用，发现加劲钢板的结构方式常采用交叉加劲肋和十字加劲肋，通过对交叉加劲板与十字加劲板屈曲荷载的比较，而交叉加劲肋的长度是十字加劲肋长度的两倍.为了能更准确地比较二者的屈曲荷载，通过建立与十字加劲肋长度相等的交叉加劲肋钢板剪力墙模型，对构建后模型进行分析研究，得出交叉加劲肋屈曲荷载的增量。通过研究可知采用交叉加劲肋可以使墙板的屈曲荷载在十字加劲肋的基础上提高三至五成，且随着墙板高厚比的增大，提高幅度有所增加。由此可见，交叉加劲肋是一种比十字加劲肋更加有效的加劲形式，能够起到更充分地利用材料，达到节省用钢量的作用。

结束语

两边连接加劲钢板剪力墙具有良好的延展性和抗消耗能力，具有较强的抗剪性能。采用这种连接形式的剪力墙的框架柱会受到抗剪保护，其部件是一种较为合理的结构抗震构件。同时剪力墙的构建还可以采取其他辅助构件，如采取增设加劲肋的方式。综合研究表明，加劲肋的存在不但减小了剪力墙两侧边的平面的变形，同时也提高了两边连接钢板剪力墙的承载力和抗消耗能力，加劲肋对于荷载等指标的提高较低，但仍能增强边界的稳定性。

参考文献：

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（作者单位：中国建筑第四工程局有限公司）