组合钢板剪力墙的力学性能研究现状分析

张皖骏 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

0 前言

由于侧向刚度大、整体性好，且防火和抗风性能优异等优点，剪力墙作为一种重要抗侧力构件得到广泛应用[1]。如今，随着高层建筑的发展，建筑物的高度逐渐增高，其底部剪力墙承受的竖向荷载作用也随之增大，在侧向荷载作用（主要由地震作用及风荷载引起）下，结构体系会产生较大侧移[2]，故高层建筑的抗震设计对结构体系的抗侧力构件提出了更高的要求，传统钢筋混凝土剪力墙自重较大、延性相对较小，已不再满足需要。

因此，20 世纪70 年代，钢板剪力墙作为一种新型抗侧单元应运而生[3]。近年来，随着国内外学者的研究不断深化，钢板剪力墙的形式逐渐多元化，其中，组合钢板剪力墙是现今在高层建筑中最为常见的一种。本文将系统介绍组合钢板剪力墙的定义、主要分类、抗震性能及其影响因素。

1 组合钢板剪力墙的定义及主要分类

组合钢板剪力墙（以下简称CSPSW）是在钢板的一侧或两侧固定钢筋混凝土预制墙板或现浇钢筋混凝土，两种材料用抗剪连接件（如螺柱或螺栓等）保证连接，如图1 所示[4]。由于混凝土板刚度大、抗火性能好，而钢板延性大、承载力高、施工效率高，二者结合，相得益彰。此外，钢筋混凝土墙板相当于钢板的侧向约束，有效减少了在受力时部分钢板产生局部屈曲而造成的刚度损失，进而提高整体屈曲强度，减小P-△效应；另一方面，钢板也减少了钢筋混凝土墙受力破坏时的承载力和刚度损失[5-6]。

图1 组合钢板剪力墙的基本组成[4]

按照混凝土板层数的不同，CSPSW可以分为四种类型：单侧混凝土板CSPSW、双侧混凝土板CSPSW、钢板外包混凝土CSPSW 和双钢板内填混凝土CSPSW，具体构成如图2 所示[4]。其中，后两种形式为目前CSPSW 发展的主流趋势，下文将着重介绍二者。

图2 组合钢板剪力墙分类[4]

2 组合钢板剪力墙的性能及影响因素

2.1 钢板外包混凝土CSPSW

2.1.1 现浇混凝土板钢板外包混凝土CSPSW

现浇混凝土板钢板外包混凝土CSPSW 是在钢板外配置钢筋，并现浇混凝土，通过抗剪连接件和粘结作用使浇筑的钢筋混凝土盖板和内嵌钢板协同工作的结构形式[7]。

孙建超等[8]通过对十一个高宽比为1.5 的现浇CSPSW 进行加载实验，比较了不同连接形式下试件的极限承载力、剪切破坏形态和延性性能。实验结果表明，现浇组合墙的各材料可以实现有效协同工作，但试件的抗震性能提高幅度由钢板与周边连接的紧密程度决定。其中，四周焊接CSPSW 试件的受剪承载力提高最为显著，耗能能力及变形能力优异；而当钢板四周仅设置弱连接时，承载力最低，但滞回环最饱满，变形能力最强。因此，为使钢板的强度得到充分利用，实际应用中四周焊接的连接形式优于四周采用连接板或锚栓及两侧焊接。

李海彬[9]在2015年以一座框架剪力墙结构的办公楼为原型设计了一榀两层的现浇混凝土板CSPSW，并进行循环加载实验。结果显示，CSPSW 有较好的强度储备能力，其侧向极限荷载是设计值的4.47 倍。李海彬提出，钢板两侧的钢筋混凝土盖板起到有效抑制钢板屈曲的作用，增强了结构的滞回耗能能力，可通过减少盖板中部的配筋量，增加周边配筋量来使盖板更好地发挥作用。

2.1.2 预制混凝土板钢板外包混凝土CSPSW

虽然混凝土盖板现浇的方式能够达到提高结构刚度，增强抗震性能的目的，却也大幅增加了结构自重和施工难度[6]，为提高施工效率，越来越多的学者开始探索预制混凝土板CSPSW 领域。

采用预制混凝土盖板的CSPSW中，钢板主要起承担水平荷载和提供耗能能力的作用，而竖向边缘构件用于承担竖向力[5]。按照连接方式的不同，预制板CSPSW 可分为两种类型：四边连接CSPSW 和两边连接CSPSW。前者的内嵌钢板与四周的柱和框架梁等边缘构件均相连，而后者的钢板仅与上下框架梁等水平边缘构件相连[5]。

2.1.2 .1四边连接的CSPSW

针对各种形式的四边连接钢板墙及四边连接预制板CSPSW，蔡克铨等[10]提出了统一的等效支撑模型，可以作为CSPSW 初步设计时期的建模分析基础。

朱旭龙等[11]将混凝土开裂和多重非线性作为考虑因素，通过建立四边刚接的CSPSW 模拟模型进行数值分析，研究得出，减小钢板的高厚比，增大抗剪螺栓连接件预紧力，增大钢筋混凝土板的配筋率或板厚，可以增大屈服荷载，减小钢筋混凝土板的开裂。

孙飞飞等[12]认为，对于四边连接形式的CSPSW，内嵌钢板四周易发生局部屈曲而造成钢板薄弱，可以使用在钢板上开圆孔的构造措施改善，将薄弱部位转移至预制混凝土板约束范围以内。此外，作者建立了四边连接设缝CSPSW 的双向多斜杆模型，并推导了计算公式及滞回曲线[13]。

2.1.2 .2两边连接的CSPSW

尽管四边连接的CSPSW 承载和耗能能力较高，这种结构形式往往会对框架柱产生较大附加弯矩，造成框架柱过早发生破坏，从而影响抗震性能[14]，且剪力墙四边连接也会加大门窗洞口的开设难度，影响建筑的使用功能[15]。因此，学者们将研究重心转至两边连接的CSPSW。

2009 年，马欣伯等[16]制作了6 个仅与框架梁相连的组合剪力墙构件，以研究它们在低周往复荷载下的抗剪性能。研究表明，混凝土盖板的存在对限制钢板的平面外变形有显著作用，并消除了纯钢板剪力墙鼓曲时发出的响声。同年，他们用有限元分析法建立了两边连接组合剪力墙的简化模型，推导了其承载力计算公式[15]。

为了研究预制混凝土盖板对钢板的影响及钢板厚度与CSPSW 力学性能的关系，管娜[17]对两个两边连接的组合钢板剪力墙和一个两边连接的纯钢板剪力墙（如图3 所示）施加往复荷载，并采用ANSYS 软件进行有限元建模分析。实验得出，CSPSW 受力始终保持在平面内，抗剪承载力和割线刚度较纯钢板剪力墙均有显著提升。同时，建模分析表明，CSPSW 的抗剪承载力等主要受钢板跨高比影响，钢板利用率与其成正比，而组合墙的初始刚度等力学指标与钢板高厚比成反比。

图3 两边连接组合钢板混凝土剪力墙[17]

2010 年，郭震等[6]制作了五个预制水泥基混凝土板作为组合剪力墙两侧的盖板，并进行实验。实验结果显示，合理的构造形式下，预制墙板有效提高了钢板的屈曲荷载和刚度；宽厚比较小时，相应的钢板平面外变形会减小，极限抗剪承载力提高；此外，角钢的存在一定程度上能抑制钢板屈曲和平面外变形。因此，钢板构造形式至关重要，会影响钢板屈曲形式、结构耗能能力及组合墙破坏形式。

2.2 双钢板内填混凝土CSPSW

双钢板内填混凝土CSPSW 也称外包钢板CSPSW，是一种常用于装配式钢结构高层建筑中的新兴构件，由在两侧面层钢板间浇筑混凝土形成，其在《钢板剪力墙技术规程》（JGJ/T380-2015）[18]中被称为组合钢板墙。近年来，学者们对于双钢板CSPSW 提出了许多创新和改进。

2.2.1 开洞

Masahiko 等[19]在2004 年提出了一种开洞形式的双钢板组合剪力墙，并通过实验阐明，开洞对CSPSW 结构的屈服强度和断裂强度几乎无影响，但开洞后的CSPSW 极限强度达到了不开洞CSPSW 的2-3 倍。基于这一设计理念，易永胜和方有珍[20]建立了一种新型双开孔钢板CSPSW 力学模型，并指出开孔可明显改善混凝土材料的耗能损伤。

2.2.2 设竖向缝

蔡健等[21]设计了一种新型双层钢板CSPSW，即在边缘构件和组合墙间设竖向缝，用盖板连接件螺旋连接墙体中间钢板。通过与未设竖向缝、边缘构件与墙体焊接的CSPSW 进行拟静力对比试验发现，竖向缝的设置削弱了CSPSW的抗剪承载力，但提高了试件的延性和耗能能力；而采用盖板连接件螺旋连接钢板确保了连接缝应力的有效传递。

2.2.3 约束拉杆连接

2013 年，刘鸿亮等[22]首次提出了带约束拉杆的双钢板CSPSW，即用约束拉杆作为连接件连接两侧的钢板，作者通过实验证明了约束拉杆比普通栓钉对混凝土的约束作用更强，该构造形式的CSPSW 具有更好的抗震能力。

3 CSPSW的研究

现有研究在考虑CSPSW 的屈曲问题时，大多数采用弹性分析方法，为探究结构弹塑性反应的影响，齐益等运用ABAQUS 软件建立了有限元模型，提出了简化后的CSPSW 屈曲强度计算公式[23]及在侧向荷载下，满足结构不同层间位移角变形要求的最小钢筋混凝土盖板厚度确定方法[24]；同年，蒋翊之等和刘浏等分别通过建模分析，建立了不同高宽比下钢板单面外包混凝土CSPSW[25]和钢板双面外包混凝土CSPSW[26]的连接件（栓钉）剪力计算公式。类似地，缪雪峰等[7]提出了CSPSW 的栓钉拉力和弯矩需求计算公式。这些均为CSPSW相关设计规程的编制提供了理论依据。

4 结语

CSPSW 通过混凝土与钢板之间的协同作用，物尽其用，充分发挥了两种材料的长处。相比传统剪力墙，在相同外力条件下，CSPSW 的抗震性能更好，刚度和承载能力更大，且墙重及墙厚更小，能够有效提升建筑物整体性和力学性能，同时降低成本，节省建筑物使用空间。从混凝土板层数的区别来看，CSPSW 可以分为两大类：一类是钢板外包混凝土CSPSW，钢筋混凝土板可以采用现浇或预制形式；另一类是双钢板内填混凝土CSPSW，可通过设竖向缝，在钢板上开洞，改进钢板抗剪连接件等方式增强CSPSW 的力学性能。此外，钢板与周围构件的连接形式及钢板的配筋率、板厚、高厚比、跨高比、抗剪螺栓连接件预紧力等，都对CSPSW 的性能有一定影响。

国内外有关CSPSW 的各种试验及有限元分析已经证明了这一结构的优越性，但现有研究依旧存在一些不足，如目前国内的组合墙设计仍缺少通用统一规范，查阅我国现行的抗震设计规范，均没有涉及CSPSW 的自震周期和频率等动力特性参数计算方法；由于用钢量较大，造价较高，如何优化CSPSW 的材料使用，使其更加经济合理也是推动其实际应用的关键。

有关CSPSW 的研究方兴未艾，随着建筑物日新月异的发展和工程需求的增长，未来会有更多新型组合剪力墙出现，这是结构向着高延性、高强度、高效率施工发展的必由之路，组合剪力墙有着广阔的发展前景和工程应用价值。