三种双钢板组合剪力墙受力性能研究综述

黄立朋， 张敏

（青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266000）

0 引言

普通钢筋混凝土剪力墙通常采用增加墙体厚度和钢筋用量的方法满足国内外设计规范［1，2］对高层或超高层剪力墙承载力和延性的要求，这样将会使得施工复杂，工程造价成本增加，建筑空间利用率降低。为此，学者们提出了承载力高、抗震性能优越、施工方便的双钢板组合剪力墙。它是由两侧钢板、内部混凝土以及拉结构件组成。混凝土在两侧钢板的约束作用下，抗压承载力得到了提高。同时，混凝土能够防止两侧钢板发生向内屈曲，拉结构件可以防止两侧钢板向外屈曲，提高了混凝土与钢板的协同工作能力。并且两侧钢板在施工过程中可以当作混凝土模板，节省了建筑耗材，降低了工程造价。

2011年，盐城建成的全国最大的钢包混凝土结构—盐城电视塔，是国内首次将双钢板组合剪力墙应用到实际工程中，充分展示了双钢板组合剪力墙的优越性能［3］，截面形式如图1所示。随着建筑结构的形式变得越来越复杂，单一的“一”字型双钢板组合剪力墙已不能满足设计要求和施工要求。为解决复杂结构形式带来的施工困难，学者们提出了“T”型、“L”型双钢板组合剪力墙，截面形式如图2、图3所示。由于“T”型、“L”型组合剪力墙属于非对称结构，受力时，传力路径复杂，容易发生墙面扭转，对结构整体的承载力、延性和抗震性能产生不利的影响。

图1 盐城电视塔主塔平面示意图

图2 “T”型组合剪力墙截面图（单位：mm）

图3 “L”型组合剪力墙截面图

为更好的设计和应用“一”字型、“T”型、“L”型3种截面形式的双钢板组合剪力墙，应对它们的受力性能进行系统的总结。文中对三种双钢板组合剪力墙的受力性能进行综述，阐述了混凝土强度、钢材强度、钢板厚度、连接方式、端部加强等因素分别对受力性能的影响，总结了3种双钢板组合剪力墙常用的承载力计算公式。鉴于现有研究的不足，文中认为应将组合剪力墙的端部加强和整体性能研究作为未来的研究重点。

1 “一”字型、“T”型、“L”型双钢板组合剪力墙受力性能研究现状

1.1 “一”字型双钢板组合剪力墙受力性能研究现状

“一”字型双钢板组合剪力墙构造，在实际工程中应用最多。国内外学者对“一”字型双钢板组合剪力墙的受力性能进行了深入研究。最早，Wright等［4］对压型钢板组成的双钢板组合剪力墙进行了抗压试验，如图4所示。

图4 双层压型钢板组合剪力墙

研究发现，双钢板组合剪力墙的抗压承载力好于普通钢筋混凝土剪力墙，但混凝土与钢板的粘结强度较低，两者不能很好的协同工作。Corus公司［5］提出了采用对拉螺栓连接的“一”字型组合剪力墙Bi-Steel，如图5所示。研究发现，对拉螺栓将混凝土与两侧钢板牢固的连接在一起，防止了钢板过早产生平面屈曲，提高了混凝土与钢板的协同工作能力，从而提高了剪力墙整体的承载力。聂建国团队［6-9］对不同剪跨比和轴压比工况下的组合剪力墙进行了试验研究和有限元分析。研究发现，低剪跨比双钢板组合剪力墙的承载力、变形能力、抗侧刚度、抗震耗能能力均优于普通混凝土剪力墙；增加混凝土和钢板的强度可以显著提高组合剪力墙的承载力；设置螺栓连接使混凝土与双钢板牢固的连接在一起，提高了混凝土与钢板的协同工作性，充分发挥了两者的优点；提高双钢板混凝土组合剪力的刚度应优先考虑提高混凝土的强度。李健、郭小农等［10-12］对不同构造的双钢板组合剪力墙进行了试验研究和数值分析，考虑了混凝土强度、钢板厚度、栓钉间距、洞口等因素。结果表明，针对混凝土和钢材的材料强度而言，组合剪力墙的承载力与材料强度成正比，材料强度越高，承载力越高；影响剪力墙延性的因素主要是轴压比、钢板厚度、栓钉间距、洞口等，其中，轴压比对剪力墙延性的影响最大；组合剪力墙开洞会降低承载力，但提高了剪力墙的延性和抗震耗能能力。郝婷玥等［13］对双钢板组合剪力墙进行了轴压试验，提出了轴压承载力计算式（1）。郭全全等［14］对剪切破坏为主的双钢板组合剪力墙进行了低周往复荷载试验，得出了组合剪力墙不受轴压力时的斜截面受剪承载力计算式（2）和受轴压力时的斜截面受剪承载力计算式（3）。

图5 Bi-Steel组合剪力墙

式中，Nc为混凝土的受压承载力；Ns为钢板在有效宽度范围内的受压承载力；Nss为内部竖向隔板或螺栓的受压承载力；Ac为混凝土的横截面面积；fcc为混凝土的轴心抗压强度；fy1为双钢板的屈服强度；fy2为内部竖向隔板或螺栓的屈服强度；b为钢板宽度；ts为钢板厚度；As2为内部各竖向隔板或螺栓的横截面面积之和；η为钢板屈曲影响系数，η=be/b，be为钢板的有效宽度。

式中，Vu为双钢板剪力墙斜截面受剪承载力；lw为腹板宽度；bw为腹板混凝土厚度；tsw为腹板钢板总厚度；fc为混凝土轴心抗压强度；fy为腹板钢板屈服强度；λ为剪跨比（0.5≤λ≤0.85，当λ＜0.5时，取λ=0.5；当λ＞0.85时，取λ=0.85），N0为轴压力。

学者们除了对“一”字型双钢板组合剪力墙的轴压比、材料强度、钢板厚度、栓钉间距、洞口进行了研究，还对钢板连接方式和构造形式进行了研究。程春兰、黄圣恩、夏登荣、韦芳芳［15-18］分别通过试验对约束拉杆、C形连接件、L形连接件、栓钉连接件等不同的连接方式对组合剪力墙受力性能的影响进行了研究。聂建国等［19］通过理论分析，推导出了栓钉最大间距计算公式，如式（4）所示。王伟、徐文平、王来［20-22］分别对格构柱式、格栅管式、多腔体式双钢板组合剪力墙的受力性能进行了研究。分析发现，提高混凝土强度等级和钢材强度、增加钢板厚度都可以提高组合剪力墙的承载力；剪跨比和轴压比对组合剪力墙的承载力和变形能力影响较大，增加剪跨比或者降低轴压比可以改善其变形能力，但会降低承载力。

端部约束构件在双钢板组合剪力墙受力时发挥着重要作用。普通双钢板组合剪力墙，由于端部没有设置约束支撑，在往复荷载作用下，两侧钢板容易被压屈，混凝土三向受压减弱，导致剪力墙的抗压承载力降低。在双钢板组合剪力墙端部设置约束可以提高钢板的延性，延缓刚度退化，有效提高了剪力墙的抗压强度。Jia-BaoYan等［23］对带边界柱双钢板组合剪力墙进行了试验研究，武晓东等［24］在双钢板组合剪力墙中设置了钢管混凝土端柱。结果显示组合剪力墙中设置边界柱，能够显著提高剪力墙的承载力、极限位移角和抗震耗能能力；增大边界柱的宽度和钢管厚度都可以改善带端柱组合剪力墙的承载力和抗震耗能能力。

式中，tf为墙身钢板厚度；fy为钢板屈服强度。

1.2 “T”型双钢板组合剪力墙受力性能研究现状

“T”型剪力墙主要用于高层建筑结构中内墙与外墙的连接处，由于“T”型双钢板组合剪力墙结构复杂，截面呈非对称性，存在剪力滞后现象，受力路径复杂，为保证剪力墙整体的安全性，有必要对其受力性进行深入的研究。

陈志华、张晓萌等［25-27］提出了由“U”型钢组合成的“T”型钢管束组合剪力墙如图6所示，并对其变形性能和抗震性能进行了试验研究以及有限元分析。结果表明，“T”型钢管束组合剪力墙的承载力和抗震性能优于普通“T”型组合剪力墙；组合剪力墙的破坏和应力应变主要发生在腹板端部；在组合剪力墙端部钢板上设置栓钉，仅能提高端部钢板与混凝土的协同工作能力，对剪力墙整体没有太大影响；减小端部“U”型钢的截面尺寸或者增大端部“U”型钢的钢板厚度，都能够提高组合剪力墙的抗震耗能能力；剪跨比是影响组合剪力墙初始刚度的主要因素之一，剪跨比越小，组合剪力墙的初始刚度越大，刚度退化越快；组合剪力墙在水平荷载下的位移主要由弯曲变形和剪切变形产生，其中弯曲变形产生的位移占总位移的85%～90%，随着剪跨比的减小，弯曲变形产生的位移所占的比例将会逐渐减小；“T”型钢管束组合剪力墙具有较好的变形能力，在达到破坏荷载后，保证承载力不发生显著降低的情况下，可以保证建筑结构主体发生严重破坏时不倒塌。

图6 “T”型钢管束组合剪力墙图（单位：mm）

马江霖［28］通过恢复力曲线发现，该类型的组合剪力墙具有良好的延性和抗震耗能能力，可以用于抗震设防设计要求较高的建筑物中；降低高宽比和增厚钢板是提高承载力和抗震耗能能力的有效方法；混凝土强度等级对承载力的影响不大，混凝土强度等级过高，会导致墙体发生脆性破坏；当轴压比为0.6时，组合剪力墙的承载力最高、变形性能最佳，所以0.6是组合剪力墙轴压比的最佳设计值。通过理论研究发现，由于“T”型组合剪力墙的不对称性，在受到竖向荷载时，会一侧受拉一侧受压。由于混凝土的抗压能力高于抗拉能力，所以组合剪力墙的破坏首先发生在受拉一侧；由于“T”型组合剪力墙的腹板截面面积小于翼缘的截面面积，所以当沿着腹板施加往复水平荷载时，腹板的破坏程度远大于翼缘。

杨阳［29］对“T”型双钢板组合剪力墙进行了有限元分析。结果表明，“T”型双钢板组合剪力墙的破坏主要是由于腹板无翼缘侧端部钢板屈曲，混凝土被压溃所致，在设计时应考虑对组合剪力墙腹板端部进行加强；在对组合剪力墙进行局部加强或者底部加强时，首先应考虑采用增大钢板厚度的方法，能够有效提高承载力和延性。

王月明［30］通过试验研究，推导出了“T”型双钢板组合剪力墙的有效翼缘宽度计算公式、考虑翼缘宽度的正向承载力（翼缘受拉）公式、基于JGJ理论的斜截面抗剪承载力公式，如式（5）～式（7）所示，计算简图如图7所示。

图7 计算简图

式中，Mu为破坏弯矩；bfc为有效翼缘宽度；bft为实际翼缘宽度；h为剪力墙截面的总高度；hf为翼缘厚度；c为翼缘宽度；b为剪力墙的厚度；t为钢板厚度；fy为钢板抗拉强度；Pe为轴压力；xc为截面形心到翼缘边的距离；Vc为剪压区混凝土承担的剪力；Va为双钢板承担的剪力；Vs为墙体内钢筋承担的剪力；λ为剪跨比（当λ＜1.5时，取1.5；λ＞2.2时，取2.2）；fc为混凝土抗压强度（取0.85倍的混凝土抗压强度实测值）；A为剪力墙的截面总面积；Aw为剪力墙的腹板截面面积；Aa为单侧外包钢板截面面积。

1.3 “L”型双钢板组合剪力墙受力性能研究现状

“L”型双钢板组合剪力墙主要用于建筑结构中的拐角处，结构形式呈非对称性，构造复杂，受力情况复杂，对其现有的研究相对较少。

秦成武［31］、蔡敏［32］分别对“L”型双钢板组合剪力墙和钢管束组合剪力墙的力学性能进行了有限元分析，如图8所示。研究发现，“L”型双钢板组合剪力墙主要发生弯曲破坏；组合剪力墙的承载力和延性随着钢板强度的提高而提高；钢板厚度应控制在5mm以内，此时，组合剪力墙的耗能能力随着钢板厚度的增加而提高；与其它形式的双钢板组合剪力墙一样，承载力、变形性能和抗震耗能能力受轴压比和剪跨比的影响。轴压比越高，剪跨比越低，腹板越长，组合剪力墙的抗震耗能能力越高，承载力和变形能力越差；“L”型组合剪力墙的最佳翼缘长度为450mm。当翼缘长度超过450mm时，应考虑减小轴压比或者提高腹板含钢量。

图8 “L”型钢管束组合剪力墙（单位：mm）

李户晓［33］对“L”型双钢板组合剪力墙腹板无翼缘侧进行了端部加强，如图9所示。通过试验和有限元分析发现，“L”型双钢板组合剪力墙的破坏主要发生于腹板端部，墙体主要发生弯曲变形；普通“L”型双钢板组合剪力墙腹板无翼缘侧底部因受压容易提前发生破坏，进行了腹板端部加强的组合剪力墙的破坏时间明显晚于普通组合剪力墙，并且破坏程度也小于普通组合剪力墙；采用H型钢对腹板无翼缘侧进行端部加强，有利于改善滞回曲线、骨架曲线的对称性；通过端部加强提高了腹板的承载力，减小了墙体底部变形，改善了组合剪力墙整体的抗震性能；端部加强采用的H型钢截面尺寸越大，组合剪力墙的正负向承载力差距越小，越有利于提高抗震性能；在腹板与翼缘交接处增设H型钢，会对组合剪力墙的抗震性能产生不利的影响。

图9 带端柱“L”型双钢板组合剪力墙

2 “一”字型、“T”型、“L”型双钢板组合剪力墙受力性能研究存在的问题及展望

（1） 端部加强对组合剪力墙的整体受力性能有着重要的影响，尚未有文章对组合剪力墙端部加强后的受力性能和端部加强方式进行专门的系统化研究。“一”字型双钢板组合剪力墙的两端钢板和“T”型、“L”型双钢板组合剪力墙的腹板端部钢板发生过早屈曲，使得混凝土和钢板的性能得不到充分发挥，承载力较低。所以，有必要对“一”字型剪力墙的两端和“T”型、“L”型剪力墙的腹板端部进行局部加强处理，以提高混凝土和钢板的协同工作性和剪力墙的整体受力性能。

（2） 结构整体性是保证结构中各构件在地震作用下协调工作的必要条件，结构中各构件之间能够可靠的连接是保证结构整体性的前提。组合剪力墙作为建筑结构中主要的抗侧力构件，其与其它构件的可靠连接对建筑物的整体性起着尤为重要的作用，但由于试验条件限制，现有的文章只研究了双钢板组合剪力墙自身的受力性能，尚未有文章对组合剪力墙与结构中梁、板、柱以及其它墙体的连接方式进行研究。

3 结语

双钢板组合剪力墙已被广泛用于高层和超高层建筑结构中，为适应高层建筑结构对剪力墙抗震性能的高要求，有必要对其受力性能进行全面系统化的研究。文中综述了“一”字型、“T”型、“L”型双钢板组合剪力墙受力性能的研究现状，分析了各因素对三种双钢板组合剪力受力性能的影响，总结了部分常用的承载力计算公式。指出了现有研究的不足，现有的文章对端部加强和整体性能的研究相对较少，不能为双钢板组合剪力的设计和应用提供充分的参考依据，应作为未来的研究重点。