双层钢板混凝土剪力墙承载能力影响因素浅析

摘要：作为高层以及超高层建筑中常用的抗侧力构件形式，双层钢板内填混凝土剪力墙有较好的抗震性能，其特殊的受力模式能有效避免钢板的屈曲失稳，同时又能充分发挥钢材的高强度性能。根据钢板剪力墙材料与几何尺寸的变化，分析剪力墙跨高比、栓钉布置、内填混凝土厚度、钢板厚度、材料等级等几个方面对钢板剪力墙的受力性能的影响。

关键词：双层钢板混凝土剪力墙；抗侧力体系；栓钉布置

中图分类号： TU37文献标识码： A

对于较高的高层建筑，当达到一定高度时，水平荷载会超越竖向荷载成为结构的控制荷载，这就对高层结构的抗侧力体系提出了更高的要求。而剪力墙结构体系由于其整体性好、刚度大、抗侧性能好、抵抗水平风荷载能力强，已经成为高层建筑必不可少的抗侧力构件，但由于混凝土剪力墙本身存在延性小从而裂缝产生较早、震后难以修复、尺寸及自重均较大等缺点，单纯的混凝土剪力墙在较高的高层结构中的应用还是受到了约束。

双层钢板内填混凝土剪力墙（Bi-Steel）是由Corus(British Steel plc)提出的，其通过高速接触焊将剪力连接杆焊接于两块钢板之间，待两侧钢板墙安装就位之后，再将混凝土内填于双层钢板之间，并通过栓钉将钢板与混凝土进行紧密耦合，形成抗剪强度极高的组合钢板剪力墙结构体系。内填混凝土能有效地阻止钢板的向内屈曲，而栓钉的耦合，则能有效的推迟钢板的向外鼓曲，因此，组合钢板剪力墙结构体系能有效地推迟钢板的屈曲，从而达到弹塑性状态，很大程度上提高了钢板剪力墙的极限抗剪承载力和抗侧性能。

剪力墙的跨高比对双层钢板内填混凝土剪力墙的抗剪性能一定的影响。由于内填混凝土的存在，能够有效地避免组合剪力墙中的两侧钢板发生屈曲失稳破坏，使钢板更大程度地参与到抵抗侧向荷载中去，从而充分发挥了钢材的高强度材性性能，达到提高组合剪力墙的整体抗侧承载力的目的，这样就可以再组合剪力墙达到极限抗剪承载力之后，仍然表现出很好的延性。当剪力墙的跨高比变大时，剪力墙的抗侧能力有明显的增加，极限抗剪承载能力近似成比例增大。有研究表明，剪力墙的跨度越大，即跨高比越大，其抗剪承载能力的增幅也越大，具体表现为当组合剪力墙的跨高比小于1时，其增幅较为平缓；而当其跨高比大于1时，其增幅更为显著。内填混凝土板厚度的增大，组合剪力墙极限抗剪承载能力也有显著的增加。这是由于内填混凝土板厚度的加大，能够有效抑制钢板的向内屈曲，从而更大程度保证组合剪力墙两侧钢板发挥其抗剪性能，抵抗侧向荷载。

双层钢板之间采用栓钉进行连接，栓钉的存在可以让两层钢板在最大程度上实现协调变形，同时让双层钢板与混凝土之间实现可靠的连接，增加对混凝土的约束。相关研究表明，由于栓钉的存在，组合剪力墙在达到极限抗剪承载能力后，不会出现明显的承载力降低的情况，而是能迅速进入承载能力的稳定状态。所以整个组合剪力墙的抗侧性能良好，体现出其具有很好的延性。同时，栓钉间距对剪力墙的受力性能也有明显影响。栓钉间距越小，对混凝土的约束能力就越强，双层钢板的协同受力更易于实现，又能对两侧钢板提供必要的侧向约束，从而有效减小两侧钢板的计算长度，提高了组合剪力墙的抗侧刚度，因为可以让剪力墙的抗侧性能更加优越。栓钉间距越小，两侧钢板的计算长度也越小，钢板和混凝土的共同工作效果明显，组合剪力墙刚度就越大，在达到极限抗剪承载力时，其承担的侧向力也相应增加，而两侧钢板在达到极限承载能力之后，组合剪力墙的钢板和混凝土板之间出现应力重分布，即部分侧向力由两侧钢板向内填混凝土板转移，但混凝土的抗侧性能低于钢板，所以会出现小幅卸载，而此时侧向力越大，卸载的绝对值就相应增大。

栓钉的布置对双层钢板组合剪力墙的抗侧性能影响意义重大。合理布置栓钉，能够充分发挥钢材的高强度材性性能，推迟钢板发生屈曲现象，从而提高整个组合剪力墙的抗侧力。但是，考虑到在实际工程中，劳动强度、施工技术以及经济条件等方面的因素，栓钉间距过小，不但施工难度大，强度高，而且存在应力集中效应更加明显；栓钉间距过大，则栓钉对钢板向外屈曲的约束作用削弱，抗侧性能不能得到充分的发挥。

剪力墙内填混凝土的强度等级也对剪力墙的抗侧性能有一定的影响。在侧向荷载较小时，双层钢板组合剪力墙处于弹性受力阶段时，混凝土强度等级对组合剪力墙的抗剪静力性能影响不大，即组合剪力墙的弹性抗侧刚度受混凝土强度等级的影响较小。这是因为在弹性阶段，组合剪力墙侧向荷载主要由两侧钢板承担，而内填混凝土板承担的剪力不大，并且不同混凝土强度等级之间的抗剪承强度的差别也不显著，所以混凝土强度等级的影响不大。在组合剪力墙达到极限承载力之后，由混凝土在极限抗剪状态中，所分担的侧向剪力有所增加，但由于混凝土的抗剪承载能力远低于钢板，所以其增幅相对于组合剪力墙的总抗剪承载力而言，并不是很显著。有关分析认为，当混凝土强度达到C30以后，双层钢板组合剪力墙极限抗剪承载能力的增幅不大，同时，在塑性阶段的抗剪承载能力却与C30相近，故在一般情况下，双层钢板组合剪力墙中的内填混凝土强度等级采用C30即可。

当剪力墙内填混凝土板厚度较小时，对两侧钢板的侧向约束作用较小，相对于较厚的内填混凝土板而言，其整体抗侧刚度偏小，钢板的抗侧性能并未得到充分的发挥，在达到极限抗剪承载力时，内力重分布所转移的侧向力可以直接由内填混凝土板承担；而对于较厚的内填混凝土板而言，由于其抗侧刚度大，所能承受的侧向力大，所以在组合剪力墙达到极限承载能力后，在出现内力重分布时，由钢板释放的侧向力较大，内填混凝土板无法全部承担。在组合剪力墙进入塑性阶段后，其塑性状态下的承载能力较为稳定，表现出了组合剪力墙所具有的良好延性性能。而同时，内填混凝土板越厚，其塑性状态下的极限承载能力也越大。这是因为在组合剪力墙中，内填混凝土板厚度的加大，能有效提高组合剪力墙的抗侧刚度，并能更好地调节组合剪力墙应力重分布，即更大程度上推迟钢板的侧向屈曲，同时承担更多由钢板释放的侧向荷载。

在双层钢板组合剪力墙中，两侧钢板的厚度对其弹性抗侧刚度有较大的影响。钢板厚度的增大，组合剪力墙的弹性抗侧刚度也相应增大。这是因为在每个横截面内，有更多的钢材参与到抗侧力中去，从而提高了其抗侧性能。有研究表明在钢板与内填混凝土板厚度比为1/45~1/20时，组合剪力墙的内力重分布最为理想，钢板卸载部分的抗侧力很好地向内填混凝土板转移。而对于其它比例，则组合剪力墙的抗侧性能略有下降。

综上所述，双层钢板内填混凝土的剪力墙抗侧体系，能够提供较大的抗侧刚度。剪力墙的跨高比、栓钉间距及布置方式、内填混凝土的强度等级及厚度以及钢板的厚度等因素均对剪力墙的抗剪承载能力有明显影响。但同时考虑到工程设计的经济性以及施工过程中的可操作性，实际工程设计尚需结合各工程项目具体情况作进一步的深入分析与计算。

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