双钢板组合剪力墙轴压性能研究综述

双钢板组合剪力墙由两侧钢板、内填混凝土以及钢板间的机械连接件组成,具有自重轻、高轴压、高延性、薄墙体、抗震性能好、装配率更高等诸多优势,随着建筑高度和功能要求的不断提高,得到了广泛的应用和发展。为对下一步的试验研究及设计提出参考建议,围绕栓钉连接、约束拉杆连接、混合连接、新型机械连接等不同机械连接件形式的双钢板组合剪力墙,选取作为抗震、抗剪等复杂力学性能基础的轴压性能为主线,对双钢板组合剪力墙的轴压承载力、局部稳定性以及相应公式进行总结和评述。

机械连接件的存在增加了两侧钢板的整体性,提高钢板对混凝土的约束强度,使钢板和混凝土具有更好的工作协同性,进而提升了试件的轴压承载力和局部稳定性。试验设计中,一般选取距厚比(连接件间距与钢板厚度之比)作为机械连接件的参数变量。钢板的屈曲是决定双钢板组合剪力墙极限轴压承载力的关键因素,根据距厚比大小,双钢板组合剪力墙破坏模式分为两种情况:钢板先屈曲后屈服和钢板先屈服后屈曲。在工程中,需要通过改变距厚比避免钢板屈曲先于屈服的破坏形式。沿墙体试件高度和宽度布置一定量的机械连接件,可使混凝土充分发挥材料性能,阻止钢板屈曲引起的脆性破坏,提高试件的轴压承载力和延性,保证墙体的刚度直到失效几乎保持不变。

通过大量数据验证后发现张有佳提出的初始刚度计算公式、刘阳冰提出的距厚比限值公式和郝婷玥提出的轴压承载力计算公式,较符合实际且具有广泛应用性,可作为设计依据,并进行列举。

最后从理论研究、机械连接件、连接节点、施工应用、耐久性 5 个方面指出目前研究存在的若干问题,并对双钢板组合剪力墙在高层建筑中的未来发展趋势进行展望。

近年来,由于国民经济的高速发展,中国城镇化与工业现代化的进程得到了持续推进,高层住宅与超高层的建筑结构也层出不穷。目前,大多数城市高层结构中所使用的建筑主体,抗侧力结构仍然是传统混凝土剪力墙,其优点是不仅可以提供足够大抗侧刚度,而且便于实现和非承重墙及混凝土梁厚度相同,保证室内结构墙体无突出棱角。

然而,随着建筑高度和功能要求的不断提高,对剪力墙结构性能提出了更高的设计要求。因此,如果仍使用普通钢筋混凝土剪力墙,既要承受的竖向、水平和地震荷载,同时也要满足相应规范要求,则使剪力墙过厚,从而导致建筑面积减少,结构质量控制困难,施工成本增加,建筑物价值系数降低。为了克服这些难题,科研人员研发出一种新型组合剪力墙结构形式——双钢板组合剪力墙,它作为钢结构建筑中的一种高效抗侧力构件,由两侧钢板、内填混凝土以及机械连接件组成,如图 1 所示。

图 1 双钢板组合剪力墙构造示意

国内外学者对双钢板组合剪力墙的静力性能和抗震性能已开展大量试验研究和数值分析,研究表明:双钢板组合剪力墙具有“高轴压,高延性,薄墙体”的特点。双钢板组合剪力墙已经运用于盐城广播电视塔主结构、千手观音像、广州东塔、天津高银 117 大厦和核电站等复杂结构中。目前关于双钢板组合剪力墙的抗震性能研究较多,而轴压性能作为研究抗震等复杂力学性能的基础,研究相对较少。

本文按照不同的机械连接件,总结并评述了双钢板组合剪力墙轴压性能的研究成果,指出了研究过程中存在的问题,并对未来研究方向进行展望。

最早研究轴压性能的是 Wright ,他在 1995 年对没有栓钉的压型钢板组合剪力墙进行了轴压和压弯性能研究,如图 2 所示。研究表明:试件的轴压承载力与理论计算相差较大,究其原因发现,由于钢板与混凝土之间缺少机械连接件构造措施,导致轴压承载力降低。这为专家学者提供了下一步研究方向,后续研究者对各种机械连接件进行了更加具体的研究。

图 2 压型钢板组合剪力墙

1.1 带栓钉连接的双钢板组合剪力墙

为了研究栓钉对钢板屈曲的影响, Takeuchi 等通过改变栓钉间距,设计了 4 片 1/5 缩尺的双钢板组合剪力墙试件,距厚比(栓钉间距与钢板厚度之比)分别为 20、30、40 和 50,设置这些值以实现钢板的塑性、非弹性和弹性屈曲。通过研究其轴压性能发现:栓钉间距过大,会导致钢板发生局部屈曲;内部混凝土的破坏是从表面钢板屈曲区域开始的;双钢板组合剪力墙的整体荷载-位移曲线受钢板屈曲和屈服影响较小;可使用柱弹性屈曲的 Eluer 方程,参照距厚比确定长细比来计算钢板屈曲应力。 

Choi 等为了确定双钢板组合剪力墙的轴压承载力并描述其屈曲形式,选取距厚比和钢板的屈服强度作为主要变量,对 6 个带栓钉连接的双钢板组合剪力墙展开试验研究,栓钉布置在两块钢板及顶部钢板、底部钢板的内表面,如图 3 所示。试验结果表明:双钢板组合剪力墙的局部屈曲发生在两列栓钉之间并垂直于加载方向;双钢板组合剪力墙的距厚比偏大时,钢板屈服强度的提高对轴压承载力影响并不明显。

图 3 带栓钉连接的双钢板组合剪力墙

为了探索极限承载力和钢板屈曲之间的关系,张有佳制作了 4 个带栓钉连接的双钢板组合剪力墙,如图 4 所示,对其轴向受压性能展开试验研究。在试验的基础上,采用有限元模拟软件ABAQUS,研究轴压荷载作用下构件的变形性能、弯曲性能、极限承载力及破坏形式等力学性能。提出双钢板组合剪力墙的极限承载力和初始刚度的经验计算公式,进而推导得到符合钢板弹性屈曲应变的理论公式。

图 4 试件外形及栓钉分布

参考矩形钢板混凝土柱结构,郝婷玥、曹万林等发现此前关于双钢板组合剪力墙的研究成果,并未涉及关于钢管约束效应对混凝土轴心抗压强度的影响,结合钢板屈曲对双钢板组合剪力墙极限承载力的影响。制作了 1/4 比例的双钢板组合剪力墙模型,并以相应的内置钢板混凝土组合剪力墙作为对照,对轴压性能展开研究分析。结果表明:在钢板的约束作用下混凝土轴心抗压性能有所提高,并按约束作用程度,将断面区分为强约束区和弱约束区,如图 5 所示;同时验证了双钢板组合剪力墙的轴压承载力与钢板屈曲应变有关。结合两种因素影响,推导得到更符合实际的双钢板组合剪力墙轴压承载力计算公式。

图 5 混凝土约束区示意

综上所述,在带栓钉连接的双钢板组合剪力墙试验设计中,主要选取距厚比作为参数变量,以实现外部钢板塑性、非弹性和弹性三种不同的屈曲形式。研究表明,距厚比为 50 的试件钢板在弹性范围内屈曲;距厚比为 33 时,试件钢板处于弹性屈曲与非弹性屈曲的交界处;当距厚比为 25 时,试件钢板将屈曲在非弹性范围内。如图 3 和图 4 所示,四周钢板的内表面都布置了栓钉。此外,为防止初始滑移,部分试件顶部钢板和底部钢板内表面也布置了栓钉。在加载过程中,首先钢板与混凝土分离,随后在试件的上部(加载端)和中部发生局部屈曲,进而形成沿试件水平截面的贯通屈曲,随着荷载的增加钢板屈曲逐渐变大,钢板屈曲处混凝土压碎,试件最终破坏。由此可见,钢板的屈曲是决定双钢板组合剪力墙极限轴压承载力的关键因素。

1.2 带约束拉杆连接的双钢板组合剪力墙

2011 年,Mydin 等介绍了由两层压型薄壁钢板和轻质泡沫混凝土( LFC)组成的双钢板组合剪力墙在轴向荷载下的结构性能,其中机械连接件选用约束拉杆。共进行了 12 次试验,选取两个钢板厚度(0.4 mm 和 0.8 mm)和钢板的三个边缘条件作为参数变量。研究表明:由于内填混凝土的支撑作用,钢板的局部屈曲率降低。结合 Liang 等提出的钢板有效宽度以及 Uy 等提出的钢板屈曲系数的概念,推导得到符合钢板屈曲应变的理论公式。经验证,该计算公式准确性较高。

Rafiei 等制作了 3 个 高 1626 mm、宽720 mm 带约束拉杆的压型钢板组合剪力墙试件,选取填充混凝土的强度和压型钢板的屈服强度作为参数变量,研究其对压型钢板组合剪力墙轴压性能的影响。该研究通过沿墙高度和宽度布置的约束拉杆将压型钢板连接到核心混凝土,以产生复合作用,如图 6 所示。在试验结果的基础上,利用有限元软件建立了能够模拟组合剪力墙受力性能的可靠模型。研究表明:随着约束拉杆数量的增加,双钢板组合剪力墙的轴压承载力不断提高;通过优化约束拉杆的间距,可以防止钢板屈服前发生早期弹性屈曲导致的试件破坏。

图 6 带约束拉杆的压型钢板组合剪力墙

2017 年,李宇等为了研究钢板屈曲对带约束拉杆的双钢板组合剪力墙极限承载力的影响,考虑到有限元模拟软件 ABAQUS 的建模方便,将约束拉杆替换为相同作用的对拉钢筋,经验证有限元模型的有效性后,制作了以距厚比和对拉钢筋的列数作为参数变量的 15 个有限元模型,如图 7 所示。研究表明:当列间距等于行间距相同时,在两列对拉钢筋之间的钢板产生屈曲,此时上述两列钢筋所承受的拉力急剧增大;布置合理间距的对拉钢筋,可以增强钢板的局部稳定能力,提升试件的轴压承载力和延性性能。

图 7 带有对拉钢筋的双钢板组合剪力墙

2019 年,安东为了研究双钢板组合剪力墙的耗能能力,提出了内嵌阻尼夹层的双钢板组合剪力墙,并选用约束拉杆作为机械连接件,选取阻尼层厚度、混凝土厚度、钢板厚度、约束拉杆间距等参数变量,通过有限元软件 ABAQUS 对带约束拉杆的双钢板组合剪力墙的轴压性能进行模拟研究。研究表明:内嵌阻尼夹层双钢板组合剪力墙具有承载和耗能双重功能;阻尼剪力墙的延性随着阻尼层的厚度增大而提高,当阻尼层的厚度超过 5 mm 时,剪力墙延性提升不明显;阻尼剪力墙的承载力与混凝土和钢板的厚度成正比;约束拉杆间距过大时,会导致钢板发生屈曲。

综上所述,在带约束拉杆连接的双钢板组合剪力墙试件设计中,主要选取距厚比、约束拉杆直径和布置方式作为参数变量。如图 6 和图 7 所示,约束拉杆主要布置在墙身两个钢板之间,通过提供足够的拉力,以加强钢板和混凝土的组合作用。加载过程中的现象和带栓钉连接的双钢板组合剪力墙相似,同样会产生呈单波鼓曲状的局部屈曲,但是由于约束拉杆的存在,鼓曲发生于约束拉杆之间。研究表明:沿墙体试件高度和宽度布置一定量的约束拉杆,可使混凝土充分发挥材料性能,阻止钢板屈服前屈曲引起的脆性破坏,提高试件的轴压承载力和延性,保证墙体的刚度直到失效几乎保持不变。

1.3 带混合连接的双钢板组合剪力墙

2013 年,闫晓京制作了 4 组带栓钉和约束拉杆混合连接的双钢板组合剪力墙,试件平面及截面如图 8 所示。研究混合连接件对试件的变形特性、极限承载力及破坏模式和试件外包钢板的屈曲特性等力学性能的影响。通过单调轴压实验,观察并分析了各试件的试验现象,得出的结果表明:由于栓钉和约束拉杆的存在,钢板和混凝土之间的协同工作效果较好,从而提升了双钢板组合剪力墙的轴向承载力;钢板临界屈曲荷载和极限承载力随试件的距厚比增大而减小;同时发现双钢板组合剪力墙的极限承载力和钢板屈曲之间存在一定的关系。

图 8 双钢板组合剪力墙设计

2016 年,刘阳冰等制作了 8 个栓钉和约束拉杆共同作为机械连接件的双钢板组合剪力墙试件,选取距厚比和约束拉杆数量作为参数变量,对其轴压性能展开试验研究。结果表明:约束拉杆和栓钉的存在,使钢板和混凝土的具有良好的协同工作性能;距厚比对墙体的局部屈曲、破坏形态影响明显,距厚比较大时会使钢板产生屈服前屈曲导致的试件破坏。为解决上述问题,对试验数据整理并分析后,推导出距厚比限值公式。

2019 年,韦芳芳等采用大型有限元软件ABAQUS,建立了 4 个带有栓钉和约束拉杆混合连接的双钢板组合剪力墙的有限元模型,研究了钢板屈曲对双钢板组合剪力墙轴压承载力的影响。讨论了钢板初始缺陷、栓钉抗拉刚度、连接件形式、距厚比等参数对钢板屈曲的影响程度。考虑到钢板屈曲和试件极限状态下的应力状态,提出双钢板组合剪力墙的轴压承载力计算公式。

综上所述,在带混合连接的双钢板组合剪力墙试件设计中,主要选取距厚比作为参数变量。如图8 所示,栓钉和约束拉杆布置在墙体四周钢板的内表面。根据钢板发生局部屈曲和屈服的顺序,双钢板组合剪力墙的破坏模式分为两种情况:第Ⅰ种为钢板在屈服之前,出现局部横向贯通屈曲,随着持续加载,钢板和混凝土分离开,最后屈曲位置混凝土压碎,试件宣布破坏;第Ⅱ种为钢板首先发生屈服,随着不断加载,钢板和混凝土压缩变形增大,混凝土压碎,试件宣布破坏。在工程中,第Ⅰ种破坏模式需要通过改变距厚比进行避免。

1.4 带新型机械连接件的双钢板组合剪力墙

近些年,在原有双钢板组合剪力墙传统机械连接件的基础上,越来越多的新型机械连接件被提出,专家学者围绕其轴压性能展开相应研究。2016 年,Huang 等对 15 个“J”型互锁弯钩的双钢板组合剪力墙进行了轴压性能试验,如图 9 所示。分析了其轴压荷载下的承载能力和破坏形态。研究表明,钢板的屈曲对承载能力有重大影响。从这一观点出发,提出了考虑钢板屈曲的轴向承能力计算公式。

图 9 “J 型连接键”连接的双钢板组合剪力墙设计

2019 年,黄真锋等在带栓钉连接的双钢板组合剪力墙的基础上,研发出闭口型压型钢板组合剪力墙,由闭口型压型钢板﹑内填混凝土和边缘构件构成,如图 10 所示。制作了闭口型板肋布置方式和墙体厚度各不相同的 6 个试件,对轴压试验过程中试件的破坏机理、极限承载力和延性等轴压性能进行探讨分析。研究表明,由于闭口型压型钢板与混凝土的锚固作用,增强了混凝土和钢板工作协同性,从而提高了试件的轴压承载力和延性性能;在轴压荷载下,压型钢板板带出现弹性局部屈曲,导致墙体压溃破坏;构件的极限承载力和延性性能受墙体厚度、混凝土强度、压型钢板厚度和强度的影响较大,受压型钢板板肋布置方式影响较小。

图 10 双侧闭口型压型钢板组合剪力墙

2020 年,周雄亮和何宇飞等参照钢筋桁架楼承板提出了桁架式多腔体钢板组合剪力墙。选取钢板厚度、钢筋直径和钢筋桁架节点间距等作为参数变量,设计了 14 个桁架式多腔体钢板组合剪力墙试件,如图 11 所示。对其展开轴压试验研究,并在试验结果的基础上,利用 ANSYS 有限元软件进行模拟试验。探讨试件的破坏机理、极限承载力和延性的影响因素。研究表明:合理增加钢板厚度可以延缓钢板发生局部屈曲;钢筋直径不变,钢筋桁架节点间距越小,钢板与混凝土之间的协同工作性能越好,从而提高了试件的极限承载力、屈服强度。

图 11 桁架式多腔体钢板组合剪力墙

2021 年,马华等基于对拉螺栓机械连接件,研发了一种哑铃型机械连接件,如图 12 所示。选取连接件形式和布置方式为参数变量,设计了 4 个的双钢板组合剪力墙试件,通过轴压试验,研究试件竖向承载力、破坏模式的影响因素。研究表明:钢板局部屈曲是导致试件破坏的主要原因之一,机械连接件的布置方案决定了钢板临界屈曲应力,临界屈曲应力与连接件间距呈反比关系;钢板屈曲临界应力可使用 Eluer 公式进行计算。

综上所述,带新型机械连接件的双钢板组合剪力墙设计过程中,根据机械连接件的不同,选取了不同的参数变量,布置方式也各不相同。观察试验现象发现,试件的主要破坏模式为:钢板首先发生局部屈曲,随着荷载不断加大,屈曲沿水平方向增大至贯通,最终屈曲处混凝土压碎,试件破坏。机械连接件之间的距离较小时,可以减弱局部屈曲的发展。对比区分可知,黄真锋提出的闭口型压型钢板组合剪力墙和周雄亮提出的桁架式多腔体钢板组合剪力墙,由于连接件呈带状分布,相比栓钉和约束拉杆,可将局部屈曲限制在两组带状连接件之间,避免贯通鼓曲的产生。

图 12 钢板与连接件组装示意

上述文献中,许多专家学者提到了双钢板组合剪力墙的轴压性能公式,但大多数是根据自己试验数据拟合出来的,通用性不强。通过大量数据验证对比,发现张有佳提出的初始刚度计算公式、刘阳冰提出的距厚比限值公式和郝婷玥提出的轴压承载力计算公式,较符合实际且具有广泛应用性,可作为设计依据,下文将进行列举。

2.1 初始刚度计算公式

初始刚度作为轴压性能的一部分,也是结构设计不可或缺的参数。张有佳通过分析试验数据得知,双钢板组合剪力墙的初始刚度,可由试件在弹性加载范围内的钢板和混凝土轴压刚度组合而成,由此提出了双钢板组合剪力墙的初始刚度计算公式:

式中: K _SC 为计算初始刚度; E _C 为混凝土弹性模量; E _{S 1} 为钢板弹性模量; E _{S 2} 为侧面钢板弹性模量; A _C 为混凝土水平截面面积; A _{S 1} 为钢板水平截面面积; A _{S 2} 为侧面钢板水平截面面积; h 为墙体竖向有效高度。

2.2 防止钢板发生局部弹性屈曲破坏的距厚比限值公式

对于轴心受压构件,只有同时整体稳定和局部稳定要求,才能达到其极限承载力。刘阳冰结合轴心受压构件的 Eluer 公式和单向受压四边简支板2 种不同的理论计算方法对外钢板局部屈曲的临界应力和临界应变进行理论研究,得到保证轴心受压构件钢板屈服先于屈曲发生的距厚比限值公式如下:

式中: s 为栓钉间距; t 为钢板厚度; E _s 为钢材的弹性模量; f _y 为钢材的屈服强度。

2.3 双钢板组合剪力墙轴压承载力计算公式

郝婷玥等综合考虑钢板对混凝土的约束作用以及钢板屈曲对钢板轴压承载力的影响,推导得到其轴压承载力计算公式:

式中: A _c 为受约束的核心混凝土的横截面面积, f _cc 为受约束的核心混凝土轴心抗压强度 f _{y 1} 为外侧钢板的屈服强度, f _{y 2} 为内部竖向隔板或螺栓的屈服强度, b 为钢板宽度, t _s 为钢板厚度, A _{s 2} 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,应该按照沿试件长边和短边方向钢板是否发生屈曲分别进行计算。

双钢板组合剪力墙作为一种新型抗侧力构件,由两侧钢板、内填混凝土以及机械连接件组成,合理的强度搭配,可充分发挥两者的材料优势,具有自重轻、高轴压、高延性、薄墙体、抗震性能好等诸多优势,有较好的应用前景。因此研发出新型双钢板组合剪力墙体系,以适应现代建筑发展需要,同时克服现有双钢板组合剪力墙形式在工程应用中所存在的不足之处,显得尤为重要。

根据已有文献研究中的不足,现提出以下几点建议: 

1) 理论研究方面。加强双钢板组合剪力墙在理论方面的研究,基于已有的初始刚度、距厚比限值、承载力等计算公式,给出统一的解析公式,对构件最佳尺寸及钢材、混凝土强度的选取提出相关建议,健全相应规范和规定。

2) 机械连接件方面。随着学者对双钢板组合剪力墙研究的不断深入,机械连接件的种类也是越来越多,但至今为止没有学者将众多机械连接件进行对比实验,研究哪个机械连接件在双钢板组合剪力墙的实际应用中,不仅满足受力设计要求,而且施工更加方便。这将是未来的研究需要。

3) 连接节点方面。目前有关双钢板组合剪力墙的研究集中于构件力学性能方面,而双钢板组合剪力墙与其他构件连接的研究较少。因此,有必要研发一种适用于双钢板组合剪力墙体系和其他建筑构件之间的新型连接方式,并进一步研究该新节点域的强度、刚度、延性等力学性能指标,构建完整的节点域力学性能理论体系。

4) 施工应用方面。理论研究的最终目标是实际应用,这需要一个复杂的过程,目前关于这方面的研究较少,严重限制了双钢板组合剪力墙在高层建筑中的发展。需加强此方面的研究,考虑到经济方面限制,建议采用 BIM 技术,对双钢板组合剪力墙的施工过程进行 5D 模拟,发现问题并提出切实可行的解决方案。

5) 耐久性方面。目前缺乏双钢板组合剪力墙耐久性方面的研究,双钢板组合剪力墙锈蚀后的受力性能是亟待解决的问题。

文中根据不同机械连接件的双钢板组合剪力墙,介绍了其在轴压性能方面的主要研究成果,对研究过程中存在的问题进行评述。随着针对双钢板组合剪力墙力学性能的系统深入研究,研究人员将研发出适应现代建筑应用发展的双钢板组合剪力墙体系,完善相应的规定和规范,为双钢板组合剪力墙在实际应用设计方面提供理论依据。