大學課：組合剪力墻

1、組合剪力墻,1、純鋼板剪力墻的分類及性能 2、組合剪力墻的抗震研究與發(fā)展3、中國國家博物館鋼板剪力墻應用簡介,主要內(nèi)容：, 純鋼板剪力墻的分類及性能,非加勁厚鋼板墻,最早出現(xiàn)在20世紀70年代的美國，一般按國際通用的正則化寬厚比定義，若鋼材取Q235，寬厚比小于或等于100的墻板可避免屈曲先于屈服，被界定為厚板范疇。不足之處是耗鋼量太大，調(diào)整剛度不變，應用受到限制，現(xiàn)在已很少采用。,非加勁薄鋼板墻,若鋼材取Q235，則寬度比大于或等于150的墻板被定義為薄板范疇。,問題： 水平荷載作用下，非加勁薄板始終伴隨較大的類似擊鼓的屈曲聲響，同時產(chǎn)生面外變形。這意味著在較大風荷載或地震作用過程中，舒適度

2、不理想，使用性不佳。 實際工程中，剪力墻往往布置在電梯并周圍作為內(nèi)筒墻，電梯的運動容易引起薄鋼板墻的振動，另外，與其他所有鋼板墻一樣，其材料特點要求它有較高的防火措施。,非加勁薄鋼板主要依靠屈曲后形成的拉力場來抵抗水平力，錨固在框架上的拉力場對邊柱會產(chǎn)生較大的附加彎矩，增加了柱子的穩(wěn)定負擔為保證墻板拉力場得充分發(fā)揮，邊柱必須有足夠的錨固剛度。, 純鋼板剪力墻的分類及性能,加勁鋼板墻,出現(xiàn)在20世紀70年代的日本，通過在較薄的鋼板上設置適當數(shù)量和一定剛度的加勁肋，將薄板分成受力性能類似于厚板的小區(qū)格，以提高薄板的屈曲荷載，抑制墻板的屈曲。加勁肋一般為各種截面形式的冷彎薄壁型鋼，且通常與墻板用角焊

3、縫連接。 問題： 由于內(nèi)嵌鋼板較薄，施焊起來容易“燒穿”，大量焊接部位不可避免地存在裂紋、夾雜等缺陷，在往復荷載的作用下，裂紋易迅速擴展并很快發(fā)生脆性斷裂，降低了墻板的延性。 焊接產(chǎn)生的的殘余應力和面外變形影響到墻板的力學性能，特別是對抗側(cè)剛度的削弱較大。 加勁肋易發(fā)生局部屈曲并降低加勁肋的加勁效率，而且反復局部屈曲加速了加勁肋的斷裂，最終失去加勁作用。,（b）采用對角拉壓帶布置，不僅給薄鋼板提供面外約束，且增大了側(cè)向剛度。, 純鋼板剪力墻的分類及性能,兩側(cè)開縫鋼板墻,鋼板只有上、下邊與框架梁相連，而在左、右兩側(cè)與框架柱之間留出一定的距離，避免了鋼板拉力場對柱子的不利影響。 問題： 墻板與柱子

4、脫開后，側(cè)移剛度和承載力都有較大幅度的下降，因為墻板拉力場完全錨固在梁上。, 純鋼板剪力墻的分類及性能,低屈服點鋼板墻,采用低屈服點鋼材來降低墻板拉力場的強度。一般的，日本把材料屈服強度 fy=100165MPa的鋼材定義為低屈服點鋼材。此類材料的鋼板墻能較早的進入屈服并具有非常強的耗能能力，且其具有更長的低周循環(huán)疲勞壽命和更好的可焊性等優(yōu)點。 Nakashima等的試驗表明，低屈服點鋼的屈服強度不到Q235鋼的一半，而伸長率則是Q235鋼的2倍多，其抗剪滯回環(huán)也呈飽滿的梭形。基于此，在日本，低屈服點鋼板墻主要被做成耗能器元件使用。, 純鋼板剪力墻的分類及性能,開洞鋼板墻,采用在墻板上開洞削弱

5、墻板拉力帶的方式降低拉力場效應，削減拉力場對框架柱產(chǎn)生的不利作用。洞口的布置也有利于設備管線的穿越。此外，梁端截面可處理成犬骨式節(jié)點，有意進行削弱，主要考慮實現(xiàn)延性設計，讓結(jié)構(gòu)的破壞集中在墻板和梁端，進一步保護柱子。 問題：與兩側(cè)開縫及低屈服點鋼板墻的原理相同，開洞鋼板墻也是以犧牲墻板的承載力、剛度及耗能能力為代價來保護柱子。此外，開洞增加了墻板的制作工序，費用有所增加。, 純鋼板剪力墻的分類及性能,壓型鋼板墻,與平整的薄板相比，壓型鋼板能顯著增強板的面外剛度，屈曲荷載大為提高。 問題：壓型鋼板一般較薄，以壓型鋼板作為墻板，其破壞形式主要表現(xiàn)為折屈破壞，一旦發(fā)生折屈，承載力下降得非常快，不但延

6、性極差，而且荷載反向后，承載力也再難生成；壓型鋼板墻可大幅提高平板的屈曲荷載，能將薄板的受力特征朝厚板過渡，但鑒于壓型板屈曲后不能有效形成拉力帶，要想獲得較好的力學性能，必須合理地選擇鋼板厚度。, 純鋼板剪力墻的分類及性能,豎縫鋼板墻,采用在兩側(cè)開縫鋼板墻基礎上，把整塊鋼板分割成一系列柱狀板條的關鍵構(gòu)造，板條類似受彎小柱一樣工作，從而將墻板的變形由剪切轉(zhuǎn)化為彎曲，希望以此提高墻板的延性，且進一步減小對柱子的影響。在小型住宅有所應用（如四川都江堰鋼結(jié)構(gòu)住宅小區(qū)） 問題：抗側(cè)剛度小，板被分割，拉力場路徑不通暢，側(cè)向承載力也不大，無法單獨作為結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力體系工作；且為保持好的延性，必須保證板的整

7、體面外屈曲與彎曲板條和邊緣加勁肋的彎扭屈曲、彎曲鏈桿的端部撕裂不先于彎曲板條屈服，條件苛刻；開豎縫會大量增加制作成本，且使得墻板分析參數(shù)繁多，設計中理論預測準確度不高。, 組合剪力墻的抗震研究與發(fā)展,組合剪力墻按照組合形式可分為：單一組合剪力墻和雙重組合剪力墻。 單一組合剪力墻：指采用一種組合形式的剪力墻，采用和研究最多的是鋼-混凝土材料組合剪力墻，主要包括：型鋼混凝土剪力墻、帶鋼管混凝土邊框的剪力墻、鋼板-混凝土組合的剪力墻。 雙重組合剪力墻是指采用兩種組合形式的剪力墻，如不同受力體系和不同材料的雙重組合。, 組合剪力墻的抗震研究與發(fā)展,單一組合剪力墻： 1、型鋼混凝土組合剪力墻,型鋼混凝土

8、組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ138-2001）,型鋼骨架能夠控制剪力墻中裂縫的發(fā)展，形成較完備的耗能機制，勁性混凝土邊框較鋼筋混凝土邊框有良好的抗震性能，可以作為抗震的第二道防線。, 組合剪力墻的抗震研究與發(fā)展,鋼骨混凝土低剪力墻的剪切破壞形態(tài)與普通混凝土低剪力墻的破壞形態(tài)沒有明顯區(qū)別，但鋼骨的存在使得墻體抗剪承載力大大提高，墻體剛度退化趨于平緩，延性也有所提高。, 組合剪力墻的抗震研究與發(fā)展, 組合剪力墻的抗震研究與發(fā)展,實驗結(jié)果表明： 型鋼混凝土剪力墻的承載機制由混凝土對角受壓區(qū)組成，初始剛度和極限承載力很高，但是由于混凝土的壓壞、變形能力很小。相反，型鋼混凝土框架填充鋼板剪力墻的承載機制由鋼

9、板的對角受拉區(qū)組成，初始剛度不高，但是通過對角拉區(qū)的變形，極限強度相當高，塑性變形也很大。, 組合剪力墻的抗震研究與發(fā)展,填充預制混凝土板的型鋼混凝土多層剪力墻結(jié)構(gòu)是一種新結(jié)構(gòu)體系，即使用預制混凝土墻板插入型鋼混凝土邊界柱。,歐美最初使用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)只是為了提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能和抗腐蝕性能，最初其規(guī)范計算公式?jīng)]有考慮混凝土對承載力的貢獻。, 組合剪力墻的抗震研究與發(fā)展,2、鋼管混凝土邊框剪力墻,帶鋼管混凝土邊框的組合剪力墻主要有2種形式： 一種是帶鋼管混凝土邊框的鋼板剪力墻，即在鋼管混凝土框架中內(nèi)嵌一塊鋼板； 一種是帶鋼管混凝土邊框的鋼筋混凝土組合剪力墻。,帶鋼管混凝土邊框的鋼筋混凝土組合剪

10、力墻在我國的工程建設中已經(jīng)有應用，例如1999年建成的深圳72層賽格廣場大廈和2001年建成的杭州瑞豐國際商務大廈；以及福建南安郵電局大樓，該工程采用了圓鋼管混凝土柱，剪力墻為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為了便于與鋼管混凝土柱連接，在柱側(cè)向加焊豎向鋼板把剪力墻中的鋼筋焊在豎板上。, 組合剪力墻的抗震研究與發(fā)展,3、鋼板混凝土組合剪力墻,鋼筋混凝土剪力墻和鋼板剪力墻都有各自的優(yōu)點和缺點，將二者進行合理的優(yōu)勢組合即形成了組合剪力墻。 單側(cè)鋼板-混凝土組合剪力墻是將鋼板焊接固定在工字鋼框架內(nèi)，再用栓釘將鋼板和混凝土墻板錨接。目前的設計中，設計者僅僅考慮鋼板承受樓層剪力，忽略混凝土的受剪作用，認為混凝土的作用

11、是防止鋼板屈曲，使鋼板能夠達到受剪屈服極限承載力。, 組合剪力墻的抗震研究與發(fā)展,鋼板外包混凝土剪力墻 鋼板外包混凝土（預制裝配式）剪力墻板，是在鋼板剪力墻基礎上提出的一種用于高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的新型抗側(cè)力構(gòu)件。它以普通鋼板作為基本支撐板，鋼板四邊（上、下）分別與鋼框架（中的梁）相連，兩側(cè)外包混凝土為鋼板提供側(cè)向約束，防止鋼板過早屈曲失穩(wěn)，同時，混凝土還起到防火隔熱的作用。 鋼板外包混凝土剪力墻板受力明確，在混凝土開裂前鋼板與混凝土共同工作，有很大的抗側(cè)移剛度，對于提高結(jié)構(gòu)整體在非地震條件或小地震條件下的側(cè)向承載力和抗側(cè)移剛度是非常有利的。 設計建議：為了使鋼板與混凝土協(xié)調(diào)工作，應在鋼板上規(guī)則地點

12、焊栓釘（鋼筋）；從試驗現(xiàn)象可知，鋼板外包混凝土剪力墻板受力最大處為角部，也最先破壞，故在剪力墻的四個角部應適當?shù)嘏渲眉觿爬?，以更好地提高其極限承載力和變形能力。, 組合剪力墻的抗震研究與發(fā)展,一種改進的措施被提出-開縫剪力墻： 在混凝土墻板和鋼框架之間留縫，縫隙可以不填充任何物質(zhì)或填充一些軟性物質(zhì)（如泡沫聚苯乙烯，如果想要增加結(jié)構(gòu)的耗能能力，也可以填充一些黏彈性材料）。由于縫隙的存在，加載初期鋼筋混凝土墻不和框架一起受力（避免過早于框架接觸而破壞），相對小的側(cè)移下不承受側(cè)向荷載。只要鋼筋混凝土墻板周圍的縫隙不閉合，認為鋼筋混凝土墻板對于總體承載力、剛度和延性的貢獻可以忽略。鋼筋混凝土墻板在這一

13、階段的作用是為鋼板提供平面外支撐并阻止屈服前的屈曲。因此，在較小的側(cè)向位移下，這一體系和鋼板剪力墻相似，并在受剪屈服前阻止了鋼板的屈曲。在較大側(cè)向位移下，鋼筋混凝土墻和周邊框架的縫隙在角部閉合，這時，混凝土剪力墻開始提供承載力、剛度和延性。 同濟大學呂西林提出：填充氯丁橡膠帶的帶縫剪力墻；東南大學李愛群提出：采用摩阻式控制裝置的帶縫剪力墻；清華大學葉列平提出：雙功能帶縫剪力墻；東南大學戴航提出：帶水平短逢槽形成X形削弱的低剪力墻等 。 開縫的剪力墻比不開縫的普通剪力墻具有更好的延性，由于縫隙的存在，混凝土墻在位移較大的循環(huán)荷載作用下的破壞比不開縫的普通剪力墻要輕得多。,混凝土板幾乎成碎石，鋼筋

14、網(wǎng)基本自由，改進型組合墻破壞有限，延性和塑性變形能力更好。但由于混凝土與鋼板是整澆在一起的，即使留縫，內(nèi)嵌鋼板面內(nèi)變形也必然引起混凝土參與受力而開裂。在往復荷載作用下剪力釘逐漸被壓碎，導致混凝土與鋼板不斷脫離。, 組合剪力墻的抗震研究與發(fā)展,升級改進-防屈曲鋼板墻： 特點：內(nèi)嵌鋼板與預制混凝土板之間可以相對滑移；預制混凝土板兩側(cè)與梁柱間也留有間隙；在兩側(cè)蓋板和內(nèi)嵌鋼板的相同位置開孔以便螺栓穿過，螺栓施加一定的預張力，使蓋板和內(nèi)嵌鋼板在風荷載和小震作用下協(xié)同受力；螺母與蓋板間設置墊片；兩側(cè)蓋板預留孔徑要大于螺栓桿直徑，孔徑大小由大震作用下內(nèi)嵌鋼板和混凝土蓋板最大相對滑移量確定。,單層單跨墻板試驗

15、表明，直至內(nèi)嵌鋼板四邊被完全剪斷，兩側(cè)蓋板仍然基本完好。原理：通過混凝土蓋板和內(nèi)嵌鋼板接觸面相互錯動的機制，釋放混凝土蓋板的面內(nèi)受力，使混凝土蓋板免遭破壞，為鋼板提供持續(xù)穩(wěn)定的面外支撐。, 組合剪力墻的抗震研究與發(fā)展,不理想改進-兩側(cè)開縫組合鋼板墻： 特點：兩側(cè)開縫墻與防屈曲墻的結(jié)合體。 破壞模態(tài)：混凝土板在初期便出現(xiàn)裂縫，此后逐漸損傷，在兩側(cè)與柱子脫開的位置，混凝土板損壞嚴重，未能抑制住相應區(qū)域內(nèi)嵌鋼板的面外屈曲。 原因：墻板與柱子脫開的構(gòu)造使得墻板對平面外整體穩(wěn)定比較敏感，在其兩側(cè)開縫處，內(nèi)嵌鋼板易發(fā)生整體失穩(wěn)。, 組合剪力墻的抗震研究與發(fā)展,兩片鋼板-內(nèi)嵌混凝土組合剪力墻 兩片鋼板-內(nèi)嵌

16、混凝土剪力墻是在鋼框架中焊接2塊鋼板并內(nèi)填混凝土，同時，在鋼板邊緣用栓釘加強連接，也可以在鋼板中設置豎向加勁肋 。 混凝土能夠防止鋼板的局部屈曲，同時混凝土受到周圍鋼板的約束，使得這種組合剪力墻具有較高的承載力和延性。建議：工程實際中采用高厚度比為100的鋼板。 優(yōu)點：鋼板可以省去施工臨時模板，減少人工等。, 組合剪力墻的抗震研究與發(fā)展,雙重組合剪力墻：,型鋼桁架剪力墻（專利）：內(nèi)藏鋼桁架混凝土剪力墻，它首次使用兩種不同組合方式聯(lián)合應用不同受力體系組合（剪力墻與桁架）及不同材料組合（型鋼與混凝土）。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)體系具有良好的抗震耗能機制，與普通剪力墻結(jié)構(gòu)相比，具有承載力高、抗側(cè)移剛度退化慢、延

17、性好的特點，抗震能力有較大的提高。應用：北京新保利大廈等。, 組合剪力墻的抗震研究與發(fā)展,內(nèi)嵌鋼板與邊緣框架連接 均由魚尾板過渡，內(nèi)嵌鋼板與魚尾板的連接方式為全栓接或全焊接，栓焊混合一般不考慮。 比較：栓接受力不均聲響大；栓接加工誤差會引起安裝困難，且大量高強螺栓終擰費工，并不比焊接節(jié)約時間；大震下，螺栓之間摩擦能消耗部分地震輸入能量，但相對栓接的高昂代價得不償失；一般認為栓接延性高于焊接，但迄今為止試驗資料顯示，焊接墻板自身延性就足夠好（延性系數(shù)達813），已經(jīng)高于一般延性框架，考慮到與框架延性的匹配度，通過栓接進一步提高延性不必要；焊接撕裂一般只發(fā)生在墻板角部，可通過在鋼板角部開圓弧解決。

18、 結(jié)論：焊接優(yōu)于栓接。, 中國國家博物館鋼板剪力墻應用,中央大廳限制條件： 大空間，墻不能落地；兩層大跨剛桁架機構(gòu)支座，豎向荷載大且中震彈性；中震下墻第每段承受水平剪力達76000kN，且建筑功能需要墻厚限制在600mm等。 初探：普通混凝土墻需1100厚，遠超建筑限制條件，且自重加大，加劇不利因素；墻體內(nèi)設置暗桁架，但墻厚限制在600mm，且兩邊提供支撐的落地混凝土筒體墻厚僅為500mm，暗桁架斷面寬度限制在200300mm，無法提供足夠承載力，且構(gòu)造和施工上難于實現(xiàn)。,中央大廳 +4.350m標高結(jié)構(gòu)平面圖,中央大廳剖面圖, 中國國家博物館鋼板剪力墻應用,實施： 底層（-0.90013.3

19、50m標高）采用鋼板混凝土剪力墻，墻厚600mm,鋼板厚度25mm。,中央大廳軸 A24 立面圖, 中國國家博物館鋼板剪力墻應用,入口大廳限制條件： 大空間，僅四組混凝土筒體支承整個剛桁架屋蓋；建筑功能對墻厚也有限制。 筒體部分墻肢剪力承受的水平剪力很大，普通混凝土墻體無法滿足。 實施： 采用鋼板混凝土剪力墻，墻厚600mm,鋼板厚度35mm。,入口大廳+41.900m標高（鋼桁架下弦）結(jié)構(gòu)平面圖,入口大廳剖面, 中國國家博物館鋼板剪力墻應用,考慮了端部暗柱中型鋼及剪力墻中鋼板的貢獻。, 中國國家博物館鋼板剪力墻應用,鋼板與周圍構(gòu)件連接關系系數(shù)，全焊接時=1.0；不連續(xù)連接板連接=0.7+0.

20、2，為連接板面積百分比。, 中國國家博物館鋼板剪力墻應用, 中國國家博物館鋼板剪力墻應用, 中國國家博物館鋼板剪力墻應用,暗柱、暗梁設置： 鋼板墻四周設置帶型鋼暗柱、暗梁，對鋼板墻形成約束，型鋼腹板與墻內(nèi)鋼板對齊。箍筋：暗柱箍筋分為若干小箍筋；箍筋部分穿越鋼板，部分分為若干小箍筋；箍筋斷開與鋼板焊接。, 中國國家博物館鋼板剪力墻應用,分布筋、拉筋設置： 常規(guī)：1.拉筋穿過鋼板拉住兩側(cè)分布筋，鋼板上需留穿筋孔，數(shù)量多、施工難度大、鋼板截面削弱。2.拉筋在鋼板兩側(cè)分成兩部分，靠鋼板側(cè)無分布筋，拉筋與鋼板焊接，現(xiàn)場焊接量大、鋼板會產(chǎn)生焊接變形、焊后矯正施工量大。 實施：鋼板兩側(cè)增設分布筋，間距同外側(cè)

21、筋，直徑外側(cè)分布筋，且分布筋靠近鋼板并與鋼板上栓釘垂直相交，拉筋于鋼板兩側(cè)設置。滿足受力及構(gòu)造要求，且施工方便。,水平分布筋連接錨固： 內(nèi)排分布筋伸至型鋼邊，另附加水平分布筋與之搭接并繞過型鋼柱，避免型鋼打孔。個別型鋼截面大，分布筋保持沿鋼板兩側(cè)布置，另附加水平分布筋與之搭接。, 中國國家博物館鋼板剪力墻應用,構(gòu)造：栓釘間距不大于300mm，實際采用19200。角部混凝土應力集中，容易脫落導致鋼板局部屈曲變形嚴重墻身分布筋及鋼板抗剪連接件在角部（1/5板跨且不小于1000mm）加密。,栓釘計算及構(gòu)造要求： 計算：按鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)程11.3節(jié)關于組合梁抗剪連接件相關部分。鋼板與混凝土協(xié)同工作，因此

22、，連接件需要承受的總剪力Nf按推薦公式（鋼板和鋼筋混凝土兩部分受剪承載力）取小值。, 中國國家博物館鋼板剪力墻應用,建議：鋼板厚度與混凝土墻厚度之比宜小于1/15。,鋼板厚度要求： 原因：鋼板外側(cè)鋼筋混凝土墻應具有足夠的剛度對墻身鋼板形成有效側(cè)向約束，即是對鋼與鋼筋混凝土的相對剛度作出限制?？梢箐摻罨炷翂εc鋼板的抗彎剛度比不小于10，即Dp/Ds10?？紤]開裂損傷退出工作等因素，混凝土后期彈性模量取Ec=0.2Ec，Ec為初模。一般情況下Ep=6Ec，鋼和混凝土的泊松比分別為vp=0.4，vc=0.2。（D公式來源鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設計，陳驥）, 中國國家博物館鋼板剪力墻應用,墻厚度要求： 建議：鋼板組合剪力墻的墻