钢板剪力墙承载力与抗震性能研究

钢板剪力墙承载力与抗震性能研究

陈宇

广东省建筑设计研究院广东广州510000

摘要：本文关注了加劲钢板剪力墙的屈曲特性和抗剪承载力，以及整体结构中钢板墙在地震作用下的响应特点和抗震性能。采用特征值屈曲分析，考察了影响钢板剪力墙屈曲承载力的各主要因素。对钢板墙的受剪屈服和屈服后行为及其影响因素进行分析研究，并同时对比了薄板和厚板承载机制方面的区别。通过整体模型，探讨了钢板剪力墙抵抗地震作用的塑性耗能机制和特性。

关键词：加劲钢板剪力墙；屈曲特性；抗剪承载力；塑性耗能

0引言

钢砼剪力墙以其节约钢材，施工方便，符合我国国情而被大量采用，在剧烈地震作用下，将造成墙体的严重损坏，刚度退化，而地震作用向框架转移，加重框架负担，抗震性能不尽合理。钢板剪力墙以其较大的初始刚度，大变形能力和良好的塑性性能，稳定的滞回特性而逐渐受到重视。

1钢板剪力墙屈曲特性

屈曲特性[1]的分析采用通用有限元软件的特征值屈曲模块，计算模型假定如下：（1）假定梁的弯曲与轴向刚度为无限大；（2）为简化分析因素，梁、柱之间铰接，不考虑框架的抗弯作用；（3）加劲肋不与框架梁柱连接，即加劲肋两端自由；分析模型简图如图1所示。

图1有限元分析模型示意

加劲肋的布置主要考虑其自身尺寸与相互之间的间距两种因素，分别考虑竖向加劲肋和纵横加劲肋两种形式钢板剪力墙，其中墙板的总尺寸为7.5m×3m（l×h0），加劲肋间距的设置可见表1。

本文以肋板的外伸宽度与板厚的比值（bs/t）来表明加劲肋的强度，同时定义高厚比（λ=h0/t）以区分不同厚度的墙板，为考虑框架柱对屈曲承载力的影响，设置了如表2所示的多种柱截面。

1.1高厚比的影响

加劲肋钢板剪力墙的弹性屈曲承载力与高厚比λ密切相关，板屈曲承载力随高厚比的增大迅速降低，对于薄板（λ=400～600），屈曲承载力较低，设置加劲肋后，屈曲承载力得到提高，但仍低于剪切屈服强度，可见加劲肋薄板更有使用价值。随着加劲肋间距的增加，其限制平面外变形的能力也逐渐减弱，曲线渐趋于重合。

1.2加劲肋的影响

仅设置竖向加劲肋钢板剪力墙的屈曲承载力随着加劲肋尺寸的增加而增大，当肋宽与板厚之比达到定值后，其屈曲承载力不再有显著提高，此时失稳形式由整体完成向局部变形的过渡。

类似于梁腹板加劲肋的尺寸要求[2]，对于仅设置竖向加劲肋的钢板剪力墙，本文建议取肋宽与板厚比等于16（即bs/t=16）时作其限值，对于采用相同肋板尺寸的纵横加劲肋墙板，该比值可取为13。本文研究采用肋宽与肋厚之比为10（即bs/ts=10）的加劲肋板。

随着加劲肋间距的增加，其屈曲承载力快速地下降，针对仅设置竖向加劲肋的钢板剪力墙，当加劲肋间距达到1.5m～2.5m左右时，即a/h0=0.5～0.83，可认为加劲肋的作用已经很小，因此在实际钢板剪力墙设计中，对仅设置竖向加劲肋的情况，肋间距宜小于钢板高度的1/2，且不应大于5/6。

1.3框架柱的影响

框架梁、柱作为边缘构件，对内嵌钢板起着约束作用，而屈曲承载力正是和钢板的约束条件密切相关的，此外钢板屈曲后拉力场的形成和发展，更需要边缘构件具有足够的强度和刚度，屈曲承载力随着框架柱刚度的增加而提高，同时注意到，对于弱肋情况，采用强柱并不能显著提高屈曲承载力，承载力变化呈水平线或斜率较小的直线，此时钢板屈曲承载力较低，承载力由钢板自身的面外刚度决定，属于整体屈曲，因此在实际的钢板剪力墙设计中，应当优先考虑采用“强肋”，而后保证“强柱”的方法来提高屈曲承载力。

高厚比λ小，即板厚越大，则强柱对承载力的提高作用更明显，相对于薄板，厚板可以有较大的的上升空间。加劲肋间距的增加并不会明显改变该趋势，但提高程度将会有所下降。当间距等于2.5m（a/h0=5/6）时，承载力提高程度已大为降低，最大提高幅度不超过7%，因此可认为此时柱刚度对承载力的影响作用可忽略。综上所述，框架柱对墙板屈曲承载力的提高，必须以加劲肋的强度和间距配置能够有效使得墙板面外位移得以限制为前提条件。

1.4不同加劲钢板墙

将采用不同的加劲肋设置方式的屈曲承载力进行总结，在加劲肋强度已经能保证出平面位移限制效果的前提之下，对比分析不同加劲肋形式墙体的屈曲承载力，当竖向加劲肋间距小于钢板高的0.25时（a≤0.25h0），平面外变形已经受到较好限制，额外地设置横向加劲肋，并不会提高承载力。随着竖向肋间距的增加，横向加劲肋的作用开始显现，当竖向肋间距a=0.25h0~0.5h0时，设置一道横肋可获得最多12.5%的提高，而设置两道横肋可提高承载力50%，并且提高程度对薄板的效果将大大折减，因此当竖向肋间距在此范围内时，不建议单设置一道横肋，承载力提高效果不明显，首先应当设置两道横肋，其次可采取提高板厚的方法。当竖向肋间距a≥0.5h0，建议采用增设横肋加劲形式，可获得较明显的承载力提高。

2静力抗剪承载力

钢板剪力墙作为结构中主要抗侧力构件，承担了大部分的风荷载与地震力的作用，在水平荷载作用下，墙板极有可能进入塑性工作状态[3]，钢板剪力墙的优势在于具有较大的延性和良好的塑性耗能能力。

2.1初始缺陷的影响

以特征值屈曲的第一阶屈曲模态为基础，认为初始缺陷按此分布时，为最不利缺陷分布。首先进行特征值屈曲分析，将第一阶屈曲模态的1/1000、1/500和1/200作为缺陷幅值，分别施加于模型之上，可见初始几何缺陷并未对钢板剪力墙产生显著的影响，荷载—位移曲线在不同缺陷幅值的取值下基本重合。对于非加劲墙板，当厚度较小时（λ=600），

2.2高厚比的影响

在《高钢规》中，对于钢板剪力墙的稳定性做出了明确的限制，高厚比决定了钢板的面外刚度，对钢板剪力墙的平面外稳定性有重要作用，因而对于不同高厚比的钢板剪力墙，可能发生的破坏形式也存在着不同，极限承载力随高厚比的变化随着高厚比的增加，承载力快速地下降，薄板以局部屈曲并受拉屈服为极限破坏状态，厚板则以截面受剪而最终进入剪切屈服，加劲肋的作用不明显。对于厚板和薄板，能达到极限截面平均剪应力分别为135MPa和120MPa，差异主要源于两者承载机理之间的不同。对于中等厚度的钢板剪力墙，由于同时可能伴随截面受剪和拉力带两种不同的承载方式，加劲肋的作用尤为突显，说明加劲肋的设置对于中厚板更有必要。

2.3加劲肋对承载力的影响

加劲肋对高厚比λ=600的薄板极限承载力提升作用不大，屈曲后产生的拉力带在一般条件下都可以得到充分发展，整体屈曲和局部屈曲的不同失稳形式，并不会对最终承载力造成过多的不同。

对于高厚比λ=150的厚板，在竖向加劲肋布置较密的情况下，以材料屈服为极限状态，加劲肋仍然能起到作用，但此时对加劲肋的刚度要求相对较弱，当肋宽与板厚之比bs/t>4时能保证钢板始终为截面受剪状态，而当加劲肋布置间距较大时，厚钢板破坏形式由材料屈服转为平面外失稳，而拉力带的发展依赖于框架柱的锚固作用，此时加劲肋能将屈曲限制小区格内，使其分布均匀，减小对柱的依赖，而略为提高承载力，但总的来说区别并不明显。

加劲肋对薄板与厚板刚度的影响亦不同，加劲肋能提高薄板的初始刚度，并提高钢板初始屈服时对应的平均剪应力，而对极限剪应力无太多影响。厚板剪力墙在另一方面，刚度则不会因加劲肋的加强而提高，但是配置最低限度的加劲肋仍然是使得厚板能有效利用截面受剪承载的必要条件。

2.4框架柱的影响

钢板剪力墙以框架柱为其边缘约束构件，框架柱的强度与刚度对整体结构承载力有重要影响，尤其薄钢板的拉力带的发展很大程度上需要依赖于框架柱的锚固作用，强柱能够提高墙板的极限承载能力。对于薄板和中等厚的钢板，屈曲产生的拉力带对框架柱的附加作使得柱先于墙板屈服，承载力曲线出现下降段，厚板不会发生承载力下降，但仍能受益于强柱作用。

图14柱刚度对墙板的荷载-位移曲线影响

墙板发生屈曲形成拉力带，对框架柱的附加作用使得柱先于墙板屈服，承载力曲线出现下降，柱受拉力屈服如图10所示。

图10框架柱变形与等效应力云图（单位：Pa）

2.5墙板应力分布特点

薄钢板面外刚度较小，易发生屈曲变形，类似于梁腹板屈曲后强度理论，钢板墙受剪屈曲后同样具有承载力，在与水平剪力成45o方向形成拉力带，甚至能发展出数十倍于屈曲荷载的极限承载力。厚板以截面受剪为主要承载方式，区别于薄板剪力墙，位移角为1/50时的墙体应力云图可见图17

（a）第一主应力（薄板）（b）第一主应力（厚板）

图17薄板弱柱情况下钢板应力分布（单位：Pa）

3整体结构中钢板剪力墙的响应特性

建立钢框架—钢板剪力墙整体模型，工程拟建场地所处类别为设计地震分组第二分组，II类场地，设防类度8度，基本加速度0.3g，场地特征周期为0.4s，地上层数为21层，层高3m，总高度63m。

多遇地震作用下，因为钢板墙的存在，使得墙体周边的梁内力分布发生了变化，明显区别于其他框架梁。其中在布置了钢板墙体的梁跨范围内，由于梁受上、下墙体的约束作用，该梁段表现出类似刚性梁的性质，内力和变形都较小，符合先前的假定。

同样由柱内力图21可见，墙板的平面内刚度远大于框架柱的刚度，在水平地震作用下，墙板承担了可观大部分的水平荷载，墙板周边约束边柱剪力、弯矩明显小于其他框架柱。但钢板墙的竖向边缘约束构件在倾覆弯矩作用下将主要产生轴力，有必要对其截面进行必要的加强。

图21X方向水平地震作用下框架柱轴力图

多遇地震作用下，墙板的应力与先前单片墙板的结果存在些许差异，墙板随结构整体变形，在两侧不可避免地分别发生了压缩和拉伸，因此在墙板两侧等效应力值明显大于中部，尤其在墙板的角部等效应力往往最大。

罕遇地震作用下的静力推覆分析能提供结构薄弱部位分布和屈服机制信息，荷载施加方式选用按第一平动振型分布，类似于倒三角荷载荷载，从推覆过程来看，塑性铰最早出现于中间楼层的框架梁上，继而塑性铰往下部楼层发展，同样出现在框架梁上，其中主要以钢板墙所处的该榀框架中的主梁上出现的塑性铰最多，但作为墙板边缘构件的主梁并未发现有塑性铰。

为说明钢板剪力墙在大震作用下的耗能特性，提取底层墙板的剪应力随位移变化的全过程曲线[8]，如图25所示，可见墙板通过在正向和反向位移上剪切屈服机制，耗散地震能量，表明墙板具有可靠的耗能能力，实现了钢板剪力墙大震下利用屈服耗能机制抵抗地震作用的目标。

图25地震波作用下Y向墙板应力-位移全过程曲线

结论

本文从加劲钢板剪力墙的细部和整体特性两方面作为出发点，结合国内外相关规范和设计思路、准则，着重对钢板剪力墙承载能力和抗震特性进行研究分析，得到如下结论：

（1）加劲钢板剪力墙的屈曲承载力同时受自身墙板厚度、加劲肋和边缘框架构件因素的影响，应有合理的设计配置。

（2）因承载机理的不同，薄板截面的极限平均剪应力也小于厚钢板剪力墙对应的截面剪应力值。加劲肋对薄钢板的侧向刚度有明显提高作用，厚板墙则不会，加劲肋布置对中等厚度的墙板效果最好。采用薄板，框架柱往往先于墙板自身出现屈服而导致最终承载力降低。

（3）钢板墙与框架整体协同工作时，在墙板的四个角部位置，会出现应力较为集中的现象，在实际的钢板墙设计和施工中应当采用必要的方法和连接措施避免

（4）钢板剪力墙具有可靠的抗震能力，可依靠自身的墙体材料的大范围屈服变形来耗散地震能量。位于钢板墙同榀框架中，且并未布置内嵌墙板的框架梁较容易发生屈服，应当对其进行进一步的加固处理。

参考文献

[1]王晓峰，秦荣，刘光焰.考虑初始缺陷的结构非线性屈曲承载力分析[J].江苏建筑，2009：28-30.

[2]武秀莹，苏志彬.SAP2000V14非线性分层壳单元[J].建筑结构，技术通讯，2009（7）.

[3]ChenSheng-jin，ChyuanJhang.Experimentalstudyoflow-yield-pointsteelplateshearwallunderin-planeload[J].JournalofConstructionalSteelResearch，2011（67）：977-985

[4]孙国华，顾强.近断层地震作用下钢板剪力墙结构基于MECE谱的性态设计方法[J].建筑结构学报，2012，33（5）：105-117.