摘 要

雙鋼板組合剪力墻由兩側(cè)鋼板、內(nèi)填混凝土以及鋼板間的機(jī)械連接件組成,具有自重輕、高軸壓、高延性、薄墻體、抗震性能好、裝配率更高等諸多優(yōu)勢(shì),隨著建筑高度和功能要求的不斷提高,得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。為對(duì)下一步的試驗(yàn)研究及設(shè)計(jì)提出參考建議,圍繞栓釘連接、約束拉桿連接、混合連接、新型機(jī)械連接等不同機(jī)械連接件形式的雙鋼板組合剪力墻,選取作為抗震、抗剪等復(fù)雜力學(xué)性能基礎(chǔ)的軸壓性能為主線,對(duì)雙鋼板組合剪力墻的軸壓承載力、局部穩(wěn)定性以及相應(yīng)公式進(jìn)行總結(jié)和評(píng)述。

機(jī)械連接件的存在增加了兩側(cè)鋼板的整體性,提高鋼板對(duì)混凝土的約束強(qiáng)度,使鋼板和混凝土具有更好的工作協(xié)同性,進(jìn)而提升了試件的軸壓承載力和局部穩(wěn)定性。試驗(yàn)設(shè)計(jì)中,一般選取距厚比(連接件間距與鋼板厚度之比)作為機(jī)械連接件的參數(shù)變量。鋼板的屈曲是決定雙鋼板組合剪力墻極限軸壓承載力的關(guān)鍵因素,根據(jù)距厚比大小,雙鋼板組合剪力墻破壞模式分為兩種情況:鋼板先屈曲后屈服和鋼板先屈服后屈曲。在工程中,需要通過改變距厚比避免鋼板屈曲先于屈服的破壞形式。沿墻體試件高度和寬度布置一定量的機(jī)械連接件,可使混凝土充分發(fā)揮材料性能,阻止鋼板屈曲引起的脆性破壞,提高試件的軸壓承載力和延性,保證墻體的剛度直到失效幾乎保持不變。

通過大量數(shù)據(jù)驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)張有佳提出的初始剛度計(jì)算公式、劉陽冰提出的距厚比限值公式和郝婷玥提出的軸壓承載力計(jì)算公式,較符合實(shí)際且具有廣泛應(yīng)用性,可作為設(shè)計(jì)依據(jù),并進(jìn)行列舉。

最后從理論研究、機(jī)械連接件、連接節(jié)點(diǎn)、施工應(yīng)用、耐久性 5 個(gè)方面指出目前研究存在的若干問題,并對(duì)雙鋼板組合剪力墻在高層建筑中的未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

0 引 言

近年來,由于國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,中國城鎮(zhèn)化與工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程得到了持續(xù)推進(jìn),高層住宅與超高層的建筑結(jié)構(gòu)也層出不窮。目前,大多數(shù)城市高層結(jié)構(gòu)中所使用的建筑主體,抗側(cè)力結(jié)構(gòu)仍然是傳統(tǒng)混凝土剪力墻,其優(yōu)點(diǎn)是不僅可以提供足夠大抗側(cè)剛度,而且便于實(shí)現(xiàn)和非承重墻及混凝土梁厚度相同,保證室內(nèi)結(jié)構(gòu)墻體無突出棱角。

然而,隨著建筑高度和功能要求的不斷提高,對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)性能提出了更高的設(shè)計(jì)要求。因此,如果仍使用普通鋼筋混凝土剪力墻,既要承受的豎向、水平和地震荷載,同時(shí)也要滿足相應(yīng)規(guī)范要求,則使剪力墻過厚,從而導(dǎo)致建筑面積減少,結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制困難,施工成本增加,建筑物價(jià)值系數(shù)降低。為了克服這些難題,科研人員研發(fā)出一種新型組合剪力墻結(jié)構(gòu)形式——雙鋼板組合剪力墻,它作為鋼結(jié)構(gòu)建筑中的一種高效抗側(cè)力構(gòu)件,由兩側(cè)鋼板、內(nèi)填混凝土以及機(jī)械連接件組成,如圖 1 所示。

圖 1 雙鋼板組合剪力墻構(gòu)造示意

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)雙鋼板組合剪力墻的靜力性能和抗震性能已開展大量試驗(yàn)研究和數(shù)值分析,研究表明:雙鋼板組合剪力墻具有“高軸壓,高延性,薄墻體”的特點(diǎn)。雙鋼板組合剪力墻已經(jīng)運(yùn)用于鹽城廣播電視塔主結(jié)構(gòu)、千手觀音像、廣州東塔、天津高銀 117 大廈和核電站等復(fù)雜結(jié)構(gòu)中。目前關(guān)于雙鋼板組合剪力墻的抗震性能研究較多,而軸壓性能作為研究抗震等復(fù)雜力學(xué)性能的基礎(chǔ),研究相對(duì)較少。

本文按照不同的機(jī)械連接件,總結(jié)并評(píng)述了雙鋼板組合剪力墻軸壓性能的研究成果,指出了研究過程中存在的問題,并對(duì)未來研究方向進(jìn)行展望。

1 雙鋼板組合剪力墻軸壓性能研究概況

最早研究軸壓性能的是 Wright ,他在 1995 年對(duì)沒有栓釘?shù)膲盒弯摪褰M合剪力墻進(jìn)行了軸壓和壓彎性能研究,如圖 2 所示。研究表明:試件的軸壓承載力與理論計(jì)算相差較大,究其原因發(fā)現(xiàn),由于鋼板與混凝土之間缺少機(jī)械連接件構(gòu)造措施,導(dǎo)致軸壓承載力降低。這為專家學(xué)者提供了下一步研究方向,后續(xù)研究者對(duì)各種機(jī)械連接件進(jìn)行了更加具體的研究。

圖 2 壓型鋼板組合剪力墻

1.1 帶栓釘連接的雙鋼板組合剪力墻

為了研究栓釘對(duì)鋼板屈曲的影響, Takeuchi 等通過改變栓釘間距,設(shè)計(jì)了 4 片 1/5 縮尺的雙鋼板組合剪力墻試件,距厚比(栓釘間距與鋼板厚度之比)分別為 20、30、40 和 50,設(shè)置這些值以實(shí)現(xiàn)鋼板的塑性、非彈性和彈性屈曲。通過研究其軸壓性能發(fā)現(xiàn):栓釘間距過大,會(huì)導(dǎo)致鋼板發(fā)生局部屈曲;內(nèi)部混凝土的破壞是從表面鋼板屈曲區(qū)域開始的;雙鋼板組合剪力墻的整體荷載-位移曲線受鋼板屈曲和屈服影響較小;可使用柱彈性屈曲的 Eluer 方程,參照距厚比確定長細(xì)比來計(jì)算鋼板屈曲應(yīng)力。 

Choi 等為了確定雙鋼板組合剪力墻的軸壓承載力并描述其屈曲形式,選取距厚比和鋼板的屈服強(qiáng)度作為主要變量,對(duì) 6 個(gè)帶栓釘連接的雙鋼板組合剪力墻展開試驗(yàn)研究,栓釘布置在兩塊鋼板及頂部鋼板、底部鋼板的內(nèi)表面,如圖 3 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明:雙鋼板組合剪力墻的局部屈曲發(fā)生在兩列栓釘之間并垂直于加載方向;雙鋼板組合剪力墻的距厚比偏大時(shí),鋼板屈服強(qiáng)度的提高對(duì)軸壓承載力影響并不明顯。

圖 3 帶栓釘連接的雙鋼板組合剪力墻

為了探索極限承載力和鋼板屈曲之間的關(guān)系,張有佳制作了 4 個(gè)帶栓釘連接的雙鋼板組合剪力墻,如圖 4 所示,對(duì)其軸向受壓性能展開試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用有限元模擬軟件ABAQUS,研究軸壓荷載作用下構(gòu)件的變形性能、彎曲性能、極限承載力及破壞形式等力學(xué)性能。提出雙鋼板組合剪力墻的極限承載力和初始剛度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式,進(jìn)而推導(dǎo)得到符合鋼板彈性屈曲應(yīng)變的理論公式。

圖 4 試件外形及栓釘分布

參考矩形鋼板混凝土柱結(jié)構(gòu),郝婷玥、曹萬林等發(fā)現(xiàn)此前關(guān)于雙鋼板組合剪力墻的研究成果,并未涉及關(guān)于鋼管約束效應(yīng)對(duì)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響,結(jié)合鋼板屈曲對(duì)雙鋼板組合剪力墻極限承載力的影響。制作了 1/4 比例的雙鋼板組合剪力墻模型,并以相應(yīng)的內(nèi)置鋼板混凝土組合剪力墻作為對(duì)照,對(duì)軸壓性能展開研究分析。結(jié)果表明:在鋼板的約束作用下混凝土軸心抗壓性能有所提高,并按約束作用程度,將斷面區(qū)分為強(qiáng)約束區(qū)和弱約束區(qū),如圖 5 所示;同時(shí)驗(yàn)證了雙鋼板組合剪力墻的軸壓承載力與鋼板屈曲應(yīng)變有關(guān)。結(jié)合兩種因素影響,推導(dǎo)得到更符合實(shí)際的雙鋼板組合剪力墻軸壓承載力計(jì)算公式。

圖 5 混凝土約束區(qū)示意

綜上所述,在帶栓釘連接的雙鋼板組合剪力墻試驗(yàn)設(shè)計(jì)中,主要選取距厚比作為參數(shù)變量,以實(shí)現(xiàn)外部鋼板塑性、非彈性和彈性三種不同的屈曲形式。研究表明,距厚比為 50 的試件鋼板在彈性范圍內(nèi)屈曲;距厚比為 33 時(shí),試件鋼板處于彈性屈曲與非彈性屈曲的交界處;當(dāng)距厚比為 25 時(shí),試件鋼板將屈曲在非彈性范圍內(nèi)。如圖 3 和圖 4 所示,四周鋼板的內(nèi)表面都布置了栓釘。此外,為防止初始滑移,部分試件頂部鋼板和底部鋼板內(nèi)表面也布置了栓釘。在加載過程中,首先鋼板與混凝土分離,隨后在試件的上部(加載端)和中部發(fā)生局部屈曲,進(jìn)而形成沿試件水平截面的貫通屈曲,隨著荷載的增加鋼板屈曲逐漸變大,鋼板屈曲處混凝土壓碎,試件最終破壞。由此可見,鋼板的屈曲是決定雙鋼板組合剪力墻極限軸壓承載力的關(guān)鍵因素。

1.2 帶約束拉桿連接的雙鋼板組合剪力墻

2011 年,Mydin 等介紹了由兩層壓型薄壁鋼板和輕質(zhì)泡沫混凝土( LFC)組成的雙鋼板組合剪力墻在軸向荷載下的結(jié)構(gòu)性能,其中機(jī)械連接件選用約束拉桿。共進(jìn)行了 12 次試驗(yàn),選取兩個(gè)鋼板厚度(0.4 mm 和 0.8 mm)和鋼板的三個(gè)邊緣條件作為參數(shù)變量。研究表明:由于內(nèi)填混凝土的支撐作用,鋼板的局部屈曲率降低。結(jié)合 Liang 等提出的鋼板有效寬度以及 Uy 等提出的鋼板屈曲系數(shù)的概念,推導(dǎo)得到符合鋼板屈曲應(yīng)變的理論公式。經(jīng)驗(yàn)證,該計(jì)算公式準(zhǔn)確性較高。

Rafiei 等制作了 3 個(gè) 高 1626 mm、寬720 mm 帶約束拉桿的壓型鋼板組合剪力墻試件,選取填充混凝土的強(qiáng)度和壓型鋼板的屈服強(qiáng)度作為參數(shù)變量,研究其對(duì)壓型鋼板組合剪力墻軸壓性能的影響。該研究通過沿墻高度和寬度布置的約束拉桿將壓型鋼板連接到核心混凝土,以產(chǎn)生復(fù)合作用,如圖 6 所示。在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,利用有限元軟件建立了能夠模擬組合剪力墻受力性能的可靠模型。研究表明:隨著約束拉桿數(shù)量的增加,雙鋼板組合剪力墻的軸壓承載力不斷提高;通過優(yōu)化約束拉桿的間距,可以防止鋼板屈服前發(fā)生早期彈性屈曲導(dǎo)致的試件破壞。

圖 6 帶約束拉桿的壓型鋼板組合剪力墻

2017 年,李宇等為了研究鋼板屈曲對(duì)帶約束拉桿的雙鋼板組合剪力墻極限承載力的影響,考慮到有限元模擬軟件 ABAQUS 的建模方便,將約束拉桿替換為相同作用的對(duì)拉鋼筋,經(jīng)驗(yàn)證有限元模型的有效性后,制作了以距厚比和對(duì)拉鋼筋的列數(shù)作為參數(shù)變量的 15 個(gè)有限元模型,如圖 7 所示。研究表明:當(dāng)列間距等于行間距相同時(shí),在兩列對(duì)拉鋼筋之間的鋼板產(chǎn)生屈曲,此時(shí)上述兩列鋼筋所承受的拉力急劇增大;布置合理間距的對(duì)拉鋼筋,可以增強(qiáng)鋼板的局部穩(wěn)定能力,提升試件的軸壓承載力和延性性能。

圖 7 帶有對(duì)拉鋼筋的雙鋼板組合剪力墻

2019 年,安東為了研究雙鋼板組合剪力墻的耗能能力,提出了內(nèi)嵌阻尼夾層的雙鋼板組合剪力墻,并選用約束拉桿作為機(jī)械連接件,選取阻尼層厚度、混凝土厚度、鋼板厚度、約束拉桿間距等參數(shù)變量,通過有限元軟件 ABAQUS 對(duì)帶約束拉桿的雙鋼板組合剪力墻的軸壓性能進(jìn)行模擬研究。研究表明:內(nèi)嵌阻尼夾層雙鋼板組合剪力墻具有承載和耗能雙重功能;阻尼剪力墻的延性隨著阻尼層的厚度增大而提高,當(dāng)阻尼層的厚度超過 5 mm 時(shí),剪力墻延性提升不明顯;阻尼剪力墻的承載力與混凝土和鋼板的厚度成正比;約束拉桿間距過大時(shí),會(huì)導(dǎo)致鋼板發(fā)生屈曲。

綜上所述,在帶約束拉桿連接的雙鋼板組合剪力墻試件設(shè)計(jì)中,主要選取距厚比、約束拉桿直徑和布置方式作為參數(shù)變量。如圖 6 和圖 7 所示,約束拉桿主要布置在墻身兩個(gè)鋼板之間,通過提供足夠的拉力,以加強(qiáng)鋼板和混凝土的組合作用。加載過程中的現(xiàn)象和帶栓釘連接的雙鋼板組合剪力墻相似,同樣會(huì)產(chǎn)生呈單波鼓曲狀的局部屈曲,但是由于約束拉桿的存在,鼓曲發(fā)生于約束拉桿之間。研究表明:沿墻體試件高度和寬度布置一定量的約束拉桿,可使混凝土充分發(fā)揮材料性能,阻止鋼板屈服前屈曲引起的脆性破壞,提高試件的軸壓承載力和延性,保證墻體的剛度直到失效幾乎保持不變。

1.3 帶混合連接的雙鋼板組合剪力墻

2013 年,閆曉京制作了 4 組帶栓釘和約束拉桿混合連接的雙鋼板組合剪力墻,試件平面及截面如圖 8 所示。研究混合連接件對(duì)試件的變形特性、極限承載力及破壞模式和試件外包鋼板的屈曲特性等力學(xué)性能的影響。通過單調(diào)軸壓實(shí)驗(yàn),觀察并分析了各試件的試驗(yàn)現(xiàn)象,得出的結(jié)果表明:由于栓釘和約束拉桿的存在,鋼板和混凝土之間的協(xié)同工作效果較好,從而提升了雙鋼板組合剪力墻的軸向承載力;鋼板臨界屈曲荷載和極限承載力隨試件的距厚比增大而減小;同時(shí)發(fā)現(xiàn)雙鋼板組合剪力墻的極限承載力和鋼板屈曲之間存在一定的關(guān)系。

圖 8 雙鋼板組合剪力墻設(shè)計(jì)

2016 年,劉陽冰等制作了 8 個(gè)栓釘和約束拉桿共同作為機(jī)械連接件的雙鋼板組合剪力墻試件,選取距厚比和約束拉桿數(shù)量作為參數(shù)變量,對(duì)其軸壓性能展開試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:約束拉桿和栓釘?shù)拇嬖?使鋼板和混凝土的具有良好的協(xié)同工作性能;距厚比對(duì)墻體的局部屈曲、破壞形態(tài)影響明顯,距厚比較大時(shí)會(huì)使鋼板產(chǎn)生屈服前屈曲導(dǎo)致的試件破壞。為解決上述問題,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理并分析后,推導(dǎo)出距厚比限值公式。

2019 年,韋芳芳等采用大型有限元軟件ABAQUS,建立了 4 個(gè)帶有栓釘和約束拉桿混合連接的雙鋼板組合剪力墻的有限元模型,研究了鋼板屈曲對(duì)雙鋼板組合剪力墻軸壓承載力的影響。討論了鋼板初始缺陷、栓釘抗拉剛度、連接件形式、距厚比等參數(shù)對(duì)鋼板屈曲的影響程度。考慮到鋼板屈曲和試件極限狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài),提出雙鋼板組合剪力墻的軸壓承載力計(jì)算公式。

綜上所述,在帶混合連接的雙鋼板組合剪力墻試件設(shè)計(jì)中,主要選取距厚比作為參數(shù)變量。如圖8 所示,栓釘和約束拉桿布置在墻體四周鋼板的內(nèi)表面。根據(jù)鋼板發(fā)生局部屈曲和屈服的順序,雙鋼板組合剪力墻的破壞模式分為兩種情況:第Ⅰ種為鋼板在屈服之前,出現(xiàn)局部橫向貫通屈曲,隨著持續(xù)加載,鋼板和混凝土分離開,最后屈曲位置混凝土壓碎,試件宣布破壞;第Ⅱ種為鋼板首先發(fā)生屈服,隨著不斷加載,鋼板和混凝土壓縮變形增大,混凝土壓碎,試件宣布破壞。在工程中,第Ⅰ種破壞模式需要通過改變距厚比進(jìn)行避免。

1.4 帶新型機(jī)械連接件的雙鋼板組合剪力墻

近些年,在原有雙鋼板組合剪力墻傳統(tǒng)機(jī)械連接件的基礎(chǔ)上,越來越多的新型機(jī)械連接件被提出,專家學(xué)者圍繞其軸壓性能展開相應(yīng)研究。2016 年,Huang 等對(duì) 15 個(gè)“J”型互鎖彎鉤的雙鋼板組合剪力墻進(jìn)行了軸壓性能試驗(yàn),如圖 9 所示。分析了其軸壓荷載下的承載能力和破壞形態(tài)。研究表明,鋼板的屈曲對(duì)承載能力有重大影響。從這一觀點(diǎn)出發(fā),提出了考慮鋼板屈曲的軸向承能力計(jì)算公式。

圖 9 “J 型連接鍵”連接的雙鋼板組合剪力墻設(shè)計(jì)

2019 年,黃真鋒等在帶栓釘連接的雙鋼板組合剪力墻的基礎(chǔ)上,研發(fā)出閉口型壓型鋼板組合剪力墻,由閉口型壓型鋼板﹑內(nèi)填混凝土和邊緣構(gòu)件構(gòu)成,如圖 10 所示。制作了閉口型板肋布置方式和墻體厚度各不相同的 6 個(gè)試件,對(duì)軸壓試驗(yàn)過程中試件的破壞機(jī)理、極限承載力和延性等軸壓性能進(jìn)行探討分析。研究表明,由于閉口型壓型鋼板與混凝土的錨固作用,增強(qiáng)了混凝土和鋼板工作協(xié)同性,從而提高了試件的軸壓承載力和延性性能;在軸壓荷載下,壓型鋼板板帶出現(xiàn)彈性局部屈曲,導(dǎo)致墻體壓潰破壞;構(gòu)件的極限承載力和延性性能受墻體厚度、混凝土強(qiáng)度、壓型鋼板厚度和強(qiáng)度的影響較大,受壓型鋼板板肋布置方式影響較小。

圖 10 雙側(cè)閉口型壓型鋼板組合剪力墻

2020 年,周雄亮和何宇飛等參照鋼筋桁架樓承板提出了桁架式多腔體鋼板組合剪力墻。選取鋼板厚度、鋼筋直徑和鋼筋桁架節(jié)點(diǎn)間距等作為參數(shù)變量,設(shè)計(jì)了 14 個(gè)桁架式多腔體鋼板組合剪力墻試件,如圖 11 所示。對(duì)其展開軸壓試驗(yàn)研究,并在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,利用 ANSYS 有限元軟件進(jìn)行模擬試驗(yàn)。探討試件的破壞機(jī)理、極限承載力和延性的影響因素。研究表明:合理增加鋼板厚度可以延緩鋼板發(fā)生局部屈曲;鋼筋直徑不變,鋼筋桁架節(jié)點(diǎn)間距越小,鋼板與混凝土之間的協(xié)同工作性能越好,從而提高了試件的極限承載力、屈服強(qiáng)度。

圖 11 桁架式多腔體鋼板組合剪力墻

2021 年,馬華等基于對(duì)拉螺栓機(jī)械連接件,研發(fā)了一種啞鈴型機(jī)械連接件,如圖 12 所示。選取連接件形式和布置方式為參數(shù)變量,設(shè)計(jì)了 4 個(gè)的雙鋼板組合剪力墻試件,通過軸壓試驗(yàn),研究試件豎向承載力、破壞模式的影響因素。研究表明:鋼板局部屈曲是導(dǎo)致試件破壞的主要原因之一,機(jī)械連接件的布置方案決定了鋼板臨界屈曲應(yīng)力,臨界屈曲應(yīng)力與連接件間距呈反比關(guān)系;鋼板屈曲臨界應(yīng)力可使用 Eluer 公式進(jìn)行計(jì)算。

綜上所述,帶新型機(jī)械連接件的雙鋼板組合剪力墻設(shè)計(jì)過程中,根據(jù)機(jī)械連接件的不同,選取了不同的參數(shù)變量,布置方式也各不相同。觀察試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn),試件的主要破壞模式為:鋼板首先發(fā)生局部屈曲,隨著荷載不斷加大,屈曲沿水平方向增大至貫通,最終屈曲處混凝土壓碎,試件破壞。機(jī)械連接件之間的距離較小時(shí),可以減弱局部屈曲的發(fā)展。對(duì)比區(qū)分可知,黃真鋒提出的閉口型壓型鋼板組合剪力墻和周雄亮提出的桁架式多腔體鋼板組合剪力墻,由于連接件呈帶狀分布,相比栓釘和約束拉桿,可將局部屈曲限制在兩組帶狀連接件之間,避免貫通鼓曲的產(chǎn)生。

圖 12 鋼板與連接件組裝示意

2 雙鋼板組合剪力墻軸壓性能公式

上述文獻(xiàn)中,許多專家學(xué)者提到了雙鋼板組合剪力墻的軸壓性能公式,但大多數(shù)是根據(jù)自己試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出來的,通用性不強(qiáng)。通過大量數(shù)據(jù)驗(yàn)證對(duì)比,發(fā)現(xiàn)張有佳提出的初始剛度計(jì)算公式、劉陽冰提出的距厚比限值公式和郝婷玥提出的軸壓承載力計(jì)算公式,較符合實(shí)際且具有廣泛應(yīng)用性,可作為設(shè)計(jì)依據(jù),下文將進(jìn)行列舉。

2.1 初始剛度計(jì)算公式

初始剛度作為軸壓性能的一部分,也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不可或缺的參數(shù)。張有佳通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知,雙鋼板組合剪力墻的初始剛度,可由試件在彈性加載范圍內(nèi)的鋼板和混凝土軸壓剛度組合而成,由此提出了雙鋼板組合剪力墻的初始剛度計(jì)算公式:

式中: KSC 為計(jì)算初始剛度; EC 為混凝土彈性模量;ES1 為鋼板彈性模量; ES2 為側(cè)面鋼板彈性模量; AC為混凝土水平截面面積; AS1 為鋼板水平截面面積;AS2 為側(cè)面鋼板水平截面面積; h 為墻體豎向有效高度。

2.2 防止鋼板發(fā)生局部彈性屈曲破壞的距厚比限值公式

對(duì)于軸心受壓構(gòu)件,只有同時(shí)整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定要求,才能達(dá)到其極限承載力。劉陽冰結(jié)合軸心受壓構(gòu)件的 Eluer 公式和單向受壓四邊簡支板2 種不同的理論計(jì)算方法對(duì)外鋼板局部屈曲的臨界應(yīng)力和臨界應(yīng)變進(jìn)行理論研究,得到保證軸心受壓構(gòu)件鋼板屈服先于屈曲發(fā)生的距厚比限值公式如下:

式中: s 為栓釘間距; t 為鋼板厚度; Es為鋼材的彈性模量; fy 為鋼材的屈服強(qiáng)度。

2.3 雙鋼板組合剪力墻軸壓承載力計(jì)算公式

郝婷玥等綜合考慮鋼板對(duì)混凝土的約束作用以及鋼板屈曲對(duì)鋼板軸壓承載力的影響,推導(dǎo)得到其軸壓承載力計(jì)算公式:

式中: Ac為受約束的核心混凝土的橫截面面積, fcc為受約束的核心混凝土軸心抗壓強(qiáng)度 fy1 為外側(cè)鋼板的屈服強(qiáng)度, fy2 為內(nèi)部豎向隔板或螺栓的屈服強(qiáng)度, b 為鋼板寬度, ts 為鋼板厚度, As2 為內(nèi)部各豎向隔板或螺栓的橫截面面積之和。η 為鋼板屈曲影響系數(shù),應(yīng)該按照沿試件長邊和短邊方向鋼板是否發(fā)生屈曲分別進(jìn)行計(jì)算。

3  研究不足及建議

雙鋼板組合剪力墻作為一種新型抗側(cè)力構(gòu)件,由兩側(cè)鋼板、內(nèi)填混凝土以及機(jī)械連接件組成,合理的強(qiáng)度搭配,可充分發(fā)揮兩者的材料優(yōu)勢(shì),具有自重輕、高軸壓、高延性、薄墻體、抗震性能好等諸多優(yōu)勢(shì),有較好的應(yīng)用前景。因此研發(fā)出新型雙鋼板組合剪力墻體系,以適應(yīng)現(xiàn)代建筑發(fā)展需要,同時(shí)克服現(xiàn)有雙鋼板組合剪力墻形式在工程應(yīng)用中所存在的不足之處,顯得尤為重要。

根據(jù)已有文獻(xiàn)研究中的不足,現(xiàn)提出以下幾點(diǎn)建議: 

1) 理論研究方面。加強(qiáng)雙鋼板組合剪力墻在理論方面的研究,基于已有的初始剛度、距厚比限值、承載力等計(jì)算公式,給出統(tǒng)一的解析公式,對(duì)構(gòu)件最佳尺寸及鋼材、混凝土強(qiáng)度的選取提出相關(guān)建議,健全相應(yīng)規(guī)范和規(guī)定。

2) 機(jī)械連接件方面。隨著學(xué)者對(duì)雙鋼板組合剪力墻研究的不斷深入,機(jī)械連接件的種類也是越來越多,但至今為止沒有學(xué)者將眾多機(jī)械連接件進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),研究哪個(gè)機(jī)械連接件在雙鋼板組合剪力墻的實(shí)際應(yīng)用中,不僅滿足受力設(shè)計(jì)要求,而且施工更加方便。這將是未來的研究需要。

3) 連接節(jié)點(diǎn)方面。目前有關(guān)雙鋼板組合剪力墻的研究集中于構(gòu)件力學(xué)性能方面,而雙鋼板組合剪力墻與其他構(gòu)件連接的研究較少。因此,有必要研發(fā)一種適用于雙鋼板組合剪力墻體系和其他建筑構(gòu)件之間的新型連接方式,并進(jìn)一步研究該新節(jié)點(diǎn)域的強(qiáng)度、剛度、延性等力學(xué)性能指標(biāo),構(gòu)建完整的節(jié)點(diǎn)域力學(xué)性能理論體系。

4) 施工應(yīng)用方面。理論研究的最終目標(biāo)是實(shí)際應(yīng)用,這需要一個(gè)復(fù)雜的過程,目前關(guān)于這方面的研究較少,嚴(yán)重限制了雙鋼板組合剪力墻在高層建筑中的發(fā)展。需加強(qiáng)此方面的研究,考慮到經(jīng)濟(jì)方面限制,建議采用 BIM 技術(shù),對(duì)雙鋼板組合剪力墻的施工過程進(jìn)行 5D 模擬,發(fā)現(xiàn)問題并提出切實(shí)可行的解決方案。

5) 耐久性方面。目前缺乏雙鋼板組合剪力墻耐久性方面的研究,雙鋼板組合剪力墻銹蝕后的受力性能是亟待解決的問題。

4 結(jié)論與展望

文中根據(jù)不同機(jī)械連接件的雙鋼板組合剪力墻,介紹了其在軸壓性能方面的主要研究成果,對(duì)研究過程中存在的問題進(jìn)行評(píng)述。隨著針對(duì)雙鋼板組合剪力墻力學(xué)性能的系統(tǒng)深入研究,研究人員將研發(fā)出適應(yīng)現(xiàn)代建筑應(yīng)用發(fā)展的雙鋼板組合剪力墻體系,完善相應(yīng)的規(guī)定和規(guī)范,為雙鋼板組合剪力墻在實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)方面提供理論依據(jù)。

（責(zé)任編輯：何雯麗）

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[責(zé)任編輯：Susan]