高层建筑钢板-混凝土组合剪力墙研究综述

马海娜 1 楚存周 2

37290119811114**** 山东省聊城市 252000

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摘要：剪力墙作为高层建筑的主要抗侧力构件，具备整体性好、侧向刚度大、抗风性能和防火性能好等优点，在高层建筑中得到了广泛的应用。但随着建筑高度的逐渐增高，其底部剪力墙受到竖向荷载作用也逐步提高，若仍使用传统的剪力墙的结构形式，不仅导致建筑物整体的成本提高和建筑可用范围减小，而且还增加了建筑物整体的自重、降低其延性。

关键词：高层建筑钢板；混凝土组合；剪力墙研究

一、钢板-混凝土组合剪力墙研究进展

钢板-混凝土组合剪力墙的研究可追溯到钢板和混凝土组合构件，考虑到建筑防火的要求，施工过程中对钢梁的外部浇筑混凝土，形成钢板-混凝土组合构件。1973年，工程人员在高层建筑的剪力墙设计中首次使用钢板-混凝土的组合构件设计理念，并进行了一系列试验研究。由于钢板-混凝土组合剪力墙可以将钢板和混凝土有效结合起来并使其共同受力，使其抗震性能、承载能力和耐火性能都得到了一定的提高，因此深入研究钢板-混凝土组合剪力墙具有重要的现实意义。

（一）单侧钢板-混凝土组合剪力墙

1970年，日本钢铁公司Nippoon Steel Building高层建筑中最早应用单侧钢板混凝土组合剪力墙，其墙体厚度更小，并能够有效提高自身的承载能力和延性，在高层建筑的剪力墙工程应用中被广泛使用。

2002年，工程人员对单侧钢板混凝土组合剪力墙进行试验研究分析，并介绍了美国规范中对这种组合剪力墙的设计规定，指出了在此规范中，单侧钢板剪力墙只考虑钢板的贡献，并未考虑混凝土墙板的受力作用，设计方法偏于保守。单侧钢板-混凝土剪力墙具有构造简单、用钢量少、施工简便、成本低等优点，在高层建筑中得到了广泛应用，但外侧钢板长期暴露在外部环境，容易造成钢板的锈蚀，并且发生火灾时钢板承载力会显著降低，严重影响其力学性能，因此在实际应用过程中需要对外侧钢板进行防腐和防火处理。

（二）内嵌钢板-混凝土组合剪力墙

1971年，工程人员提出内嵌钢板-混凝土组合剪力墙，并在日本名古屋的名铁公共车站建设过程中被首次使用。通过设计并加工缩尺内嵌钢板-混凝土组合剪力墙，并在低周往复荷载作用下进行试验分析，试验结果表明两种组合材料能够有效结合起来，产生的滑移量较小，完全符合强度叠加的原理。

1995年，工程人员通过分析内嵌钢板-混凝土组合剪力墙和纯钢板剪力墙在低周往复加载制度下得到的滞回曲线发现，内嵌钢板-混凝土组合剪力墙不仅在刚度和强度方面要优于纯钢板剪力墙，而且在稳定性和延性方面，也同样优于纯钢板剪力墙。

2000年，工程人员设计组合剪力墙-开缝钢板混凝土组合剪力墙。首先在钢板两侧浇筑混凝土，并在内部钢板上开一定数量的竖缝，最后将内部开缝钢板和外部混凝土板用高强螺栓连接起来，使钢板和混凝土板在受力状态下能够共同发挥作用。通过分析发现，剪力墙的水平荷载主要由中部螺栓承担，而竖向荷载和弯矩主要由边部螺栓承担。并且在设置加劲肋后，剪力墙在塑性阶段的强度有很大提高，同时其耗能能力也有明显提高。

2005年，工程人员对3种不同形式的剪力墙进行试验研究。通过分别对3种形式的剪力墙进行往复加载试验，得到试验结果表明相比于其他两种形式的剪力墙，带加劲肋钢板剪力墙在刚度、韧性和耗能能力等方面更具优势，并通过理论分析和软件建模分析对带加劲肋钢板剪力墙的优越性进行了相关验证，模拟结果也验证了其良好的韧性和耗能能力。

内嵌钢板-混凝土组合剪力墙通过将钢板内嵌到混凝土中，能够有效提高剪力墙整体的承载能力，而钢板的良好的塑性性能可以有效提高剪力墙的延性，并且钢板外部包裹混凝土能够减轻钢板的锈蚀，并有效解决钢板耐火能力差的问题。

（三）双钢板-混凝土组合剪力墙

1990年，工程人员将侧向荷载和面向荷载两种不同的荷载进行组合，并对两组双钢板混凝土组合防护墙进行试验，对两种不同荷载组合作用下双钢板混凝土组合防护墙的破坏过程进行了分析总结，结果发现双钢板混凝土组合防护墙在其承载能力和延性方面具备良好的性能，并且两组组合墙都是钢板先进行屈服，后发生局部弯曲，最终混凝土被压碎，二者具有相似的破坏规律，并且双钢板混凝土组合剪力墙的抗剪能力要远高于传统的混凝土剪力墙。

1995年，工程人员设计了压型钢板混凝土组合剪力墙。通过分析使用阶段和施工阶段抗剪性能，得到剪力墙的耗能能力、受力性能会受两侧钢板之间不同的连接构造的影响，呈现出不同的力学性能。因此在压型钢板混凝土组合剪力墙构造和连接方式设计过程中，选择合适的形式和连接能够使其具有良好的抗震性能。

双钢板剪力墙将混凝土填充在外侧钢板之内，能够有效约束钢板的屈服，外侧钢板也对内填的混凝土同样起到约束作用，更好地发挥二者的性能，提高剪力墙整体的延性和耗能能力；并且两侧钢板在施工阶段可充当混凝土浇筑模板，提高施工效率。但由于其用钢量比较大，导致其造价较高，并且外侧钢板在施工过程中需要进行钢板防火和防腐处理。

二、研究不足及展望

钢板-混凝土组合剪力墙是由钢板和混凝土组合而成，两者的组合作用使其具有良好的抗震性能，并且也能在不增加墙体厚度的条件下大大提高剪力墙的承载能力。国内外学者针对不同形式的钢板-混凝土组合剪力墙进行了大量的有限元分析和试验研究，并取得一系列成果。但就目前国内外相关研究来看，尚存在一些不足，同时也提出对于未来的展望：

（一）一缺少通用的设计规范

目前钢板-混凝土组合剪力墙现有的承载能力设计方法并未对混凝土的约束作用进行考虑，往往仅考虑钢板的作用。这种设计方法考虑比较片面，不能有效反映出两种材料组合后共同承受外部荷载的作用，因此需要对钢板-混凝土组合剪力墙的设计方法进行深入的分析。

（二）缺乏相关抗震性能试验分析

目前钢板-混凝土组合剪力墙的试验研究分析对拟动力加载制度的试验较少，并且遭受火灾后，钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能会发生变化，因此需要深入分析钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能。

（三）钢板-混凝土组合剪力墙结构形式较为复杂，钢板与混凝土难以有效进行连接，并共同受力，缺少合适的简化恢复力模型

由于大多数钢板-混凝土组合剪力墙在受到外部荷载作用下，混凝土和钢板都共同发挥作用，因此其力学模型十分复杂，而目前组合剪力墙的形式复杂多样，国内外学者并未提出合适的恢复力模型。

结束语

综上所述，随着国家经济的迅猛发展和城市建设的快速推进，建筑物的高度越来越高，其底部剪力墙承受的竖向荷载也越来越大，为了顺应高层建筑物的发展进程，钢板-混凝土组合剪力墙的研究和应用引起了广泛关注。国内外学者对剪力墙的结构形式进行了大量优化设计和试验分析，提出了钢板-混凝土组合剪力墙结构，相比传统的混凝土剪力墙能够有效提高其自身的的延性和承载能力，对提升高层建筑物整体的抗震性能和力学性能具有重要意义。

参考文献

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