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1、组合剪力墙,MICROWU 2011年07月14日,1、纯钢板剪力墙的分类及性能 2、组合剪力墙的抗震研究与发展 3、中国国家博物馆钢板剪力墙应用简介,主要内容：, 纯钢板剪力墙的分类及性能,非加劲厚钢板墙,最早出现在20世纪70年代的美国，一般按国际通用的正则化宽厚比定义，若钢材取Q235，宽厚比小于或等于100的墙板可避免屈曲先于屈服，被界定为厚板范畴。不足之处是耗钢量太大，调整刚度不变，应用受到限制，现在已很少采用。,非加劲薄钢板墙,若钢材取Q235，则宽度比大于或等于150的墙板被定义为薄板范畴。,问题： 水平荷载作用下，非加劲薄板始终伴随较大的类似击鼓的屈曲声响，同时产生面外变形。这
2、意味着在较大风荷载或地震作用过程中，舒适度不理想，使用性不佳。 实际工程中，剪力墙往往布置在电梯并周围作为内筒墙，电梯的运动容易引起薄钢板墙的振动，另外，与其他所有钢板墙一样，其材料特点要求它有较高的防火措施。,非加劲薄钢板主要依靠屈曲后形成的拉力场来抵抗水平力，锚固在框架上的拉力场对边柱会产生较大的附加弯矩，增加了柱子的稳定负担为保证墙板拉力场得充分发挥，边柱必须有足够的锚固刚度。, 纯钢板剪力墙的分类及性能,加劲钢板墙,出现在20世纪70年代的日本，通过在较薄的钢板上设置适当数量和一定刚度的加劲肋，将薄板分成受力性能类似于厚板的小区格，以提高薄板的屈曲荷载，抑制墙板的屈曲。加劲肋一般为各种
3、截面形式的冷弯薄壁型钢，且通常与墙板用角焊缝连接。 问题： 由于内嵌钢板较薄，施焊起来容易“烧穿”，大量焊接部位不可避免地存在裂纹、夹杂等缺陷，在往复荷载的作用下，裂纹易迅速扩展并很快发生脆性断裂，降低了墙板的延性。 焊接产生的的残余应力和面外变形影响到墙板的力学性能，特别是对抗侧刚度的削弱较大。 加劲肋易发生局部屈曲并降低加劲肋的加劲效率，而且反复局部屈曲加速了加劲肋的断裂，最终失去加劲作用。,（b）采用对角拉压带布置，不仅给薄钢板提供面外约束，且增大了侧向刚度。, 纯钢板剪力墙的分类及性能,两侧开缝钢板墙,钢板只有上、下边与框架梁相连，而在左、右两侧与框架柱之间留出一定的距离，避免了钢板拉
4、力场对柱子的不利影响。 问题： 墙板与柱子脱开后，侧移刚度和承载力都有较大幅度的下降，因为墙板拉力场完全锚固在梁上。, 纯钢板剪力墙的分类及性能,低屈服点钢板墙,采用低屈服点钢材来降低墙板拉力场的强度。一般的，日本把材料屈服强度 fy=100165MPa的钢材定义为低屈服点钢材。此类材料的钢板墙能较早的进入屈服并具有非常强的耗能能力，且其具有更长的低周循环疲劳寿命和更好的可焊性等优点。 Nakashima等的试验表明，低屈服点钢的屈服强度不到Q235钢的一半，而伸长率则是Q235钢的2倍多，其抗剪滞回环也呈饱满的梭形。基于此，在日本，低屈服点钢板墙主要被做成耗能器元件使用。, 纯钢板剪力墙的分
5、类及性能,开洞钢板墙,采用在墙板上开洞削弱墙板拉力带的方式降低拉力场效应，削减拉力场对框架柱产生的不利作用。洞口的布置也有利于设备管线的穿越。此外，梁端截面可处理成犬骨式节点，有意进行削弱，主要考虑实现延性设计，让结构的破坏集中在墙板和梁端，进一步保护柱子。 问题：与两侧开缝及低屈服点钢板墙的原理相同，开洞钢板墙也是以牺牲墙板的承载力、刚度及耗能能力为代价来保护柱子。此外，开洞增加了墙板的制作工序，费用有所增加。, 纯钢板剪力墙的分类及性能,压型钢板墙,与平整的薄板相比，压型钢板能显著增强板的面外刚度，屈曲荷载大为提高。 问题：压型钢板一般较薄，以压型钢板作为墙板，其破坏形式主要表现为折屈破坏
6、，一旦发生折屈，承载力下降得非常快，不但延性极差，而且荷载反向后，承载力也再难生成；压型钢板墙可大幅提高平板的屈曲荷载，能将薄板的受力特征朝厚板过渡，但鉴于压型板屈曲后不能有效形成拉力带，要想获得较好的力学性能，必须合理地选择钢板厚度。, 纯钢板剪力墙的分类及性能,竖缝钢板墙,采用在两侧开缝钢板墙基础上，把整块钢板分割成一系列柱状板条的关键构造，板条类似受弯小柱一样工作，从而将墙板的变形由剪切转化为弯曲，希望以此提高墙板的延性，且进一步减小对柱子的影响。在小型住宅有所应用（如四川都江堰钢结构住宅小区） 问题：抗侧刚度小，板被分割，拉力场路径不通畅，侧向承载力也不大，无法单独作为结构的主要抗侧力
7、体系工作；且为保持好的延性，必须保证板的整体面外屈曲与弯曲板条和边缘加劲肋的弯扭屈曲、弯曲链杆的端部撕裂不先于弯曲板条屈服，条件苛刻；开竖缝会大量增加制作成本，且使得墙板分析参数繁多，设计中理论预测准确度不高。, 组合剪力墙的抗震研究与发展,组合剪力墙按照组合形式可分为：单一组合剪力墙和双重组合剪力墙。 单一组合剪力墙：指采用一种组合形式的剪力墙，采用和研究最多的是钢-混凝土材料组合剪力墙，主要包括：型钢混凝土剪力墙、带钢管混凝土边框的剪力墙、钢板-混凝土组合的剪力墙。 双重组合剪力墙是指采用两种组合形式的剪力墙，如不同受力体系和不同材料的双重组合。, 组合剪力墙的抗震研究与发展,单一组合剪力
8、墙： 1、型钢混凝土组合剪力墙,型钢混凝土组合结构技术规程（JGJ138-2001）,型钢骨架能够控制剪力墙中裂缝的发展，形成较完备的耗能机制，劲性混凝土边框较钢筋混凝土边框有良好的抗震性能，可以作为抗震的第二道防线。, 组合剪力墙的抗震研究与发展,钢骨混凝土低剪力墙的剪切破坏形态与普通混凝土低剪力墙的破坏形态没有明显区别，但钢骨的存在使得墙体抗剪承载力大大提高，墙体刚度退化趋于平缓，延性也有所提高。, 组合剪力墙的抗震研究与发展, 组合剪力墙的抗震研究与发展,实验结果表明： 型钢混凝土剪力墙的承载机制由混凝土对角受压区组成，初始刚度和极限承载力很高，但是由于混凝土的压坏、变形能力很小。相反，
9、型钢混凝土框架填充钢板剪力墙的承载机制由钢板的对角受拉区组成，初始刚度不高，但是通过对角拉区的变形，极限强度相当高，塑性变形也很大。, 组合剪力墙的抗震研究与发展,填充预制混凝土板的型钢混凝土多层剪力墙结构是一种新结构体系，即使用预制混凝土墙板插入型钢混凝土边界柱。,欧美最初使用钢骨混凝土结构只是为了提高钢结构的耐火性能和抗腐蚀性能，最初其规范计算公式没有考虑混凝土对承载力的贡献。, 组合剪力墙的抗震研究与发展,2、钢管混凝土边框剪力墙,带钢管混凝土边框的组合剪力墙主要有2种形式： 一种是带钢管混凝土边框的钢板剪力墙，即在钢管混凝土框架中内嵌一块钢板； 一种是带钢管混凝土边框的钢筋混凝土组合剪
10、力墙。,带钢管混凝土边框的钢筋混凝土组合剪力墙在我国的工程建设中已经有应用，例如1999年建成的深圳72层赛格广场大厦和2001年建成的杭州瑞丰国际商务大厦；以及福建南安邮电局大楼，该工程采用了圆钢管混凝土柱，剪力墙为现浇钢筋混凝土结构，为了便于与钢管混凝土柱连接，在柱侧向加焊竖向钢板把剪力墙中的钢筋焊在竖板上。, 组合剪力墙的抗震研究与发展,3、钢板混凝土组合剪力墙,钢筋混凝土剪力墙和钢板剪力墙都有各自的优点和缺点，将二者进行合理的优势组合即形成了组合剪力墙。 单侧钢板-混凝土组合剪力墙是将钢板焊接固定在工字钢框架内，再用栓钉将钢板和混凝土墙板锚接。目前的设计中，设计者仅仅考虑钢板承受楼层剪
11、力，忽略混凝土的受剪作用，认为混凝土的作用是防止钢板屈曲，使钢板能够达到受剪屈服极限承载力。, 组合剪力墙的抗震研究与发展,钢板外包混凝土剪力墙 钢板外包混凝土（预制装配式）剪力墙板，是在钢板剪力墙基础上提出的一种用于高层建筑钢结构的新型抗侧力构件。它以普通钢板作为基本支撑板，钢板四边（上、下）分别与钢框架（中的梁）相连，两侧外包混凝土为钢板提供侧向约束，防止钢板过早屈曲失稳，同时，混凝土还起到防火隔热的作用。 钢板外包混凝土剪力墙板受力明确，在混凝土开裂前钢板与混凝土共同工作，有很大的抗侧移刚度，对于提高结构整体在非地震条件或小地震条件下的侧向承载力和抗侧移刚度是非常有利的。 设计建议：为了
12、使钢板与混凝土协调工作，应在钢板上规则地点焊栓钉（钢筋）；从试验现象可知，钢板外包混凝土剪力墙板受力最大处为角部，也最先破坏，故在剪力墙的四个角部应适当地配置加劲肋，以更好地提高其极限承载力和变形能力。, 组合剪力墙的抗震研究与发展,一种改进的措施被提出-开缝剪力墙： 在混凝土墙板和钢框架之间留缝，缝隙可以不填充任何物质或填充一些软性物质（如泡沫聚苯乙烯，如果想要增加结构的耗能能力，也可以填充一些黏弹性材料）。由于缝隙的存在，加载初期钢筋混凝土墙不和框架一起受力（避免过早于框架接触而破坏），相对小的侧移下不承受侧向荷载。只要钢筋混凝土墙板周围的缝隙不闭合，认为钢筋混凝土墙板对于总体承载力、刚度
13、和延性的贡献可以忽略。钢筋混凝土墙板在这一阶段的作用是为钢板提供平面外支撑并阻止屈服前的屈曲。因此，在较小的侧向位移下，这一体系和钢板剪力墙相似，并在受剪屈服前阻止了钢板的屈曲。在较大侧向位移下，钢筋混凝土墙和周边框架的缝隙在角部闭合，这时，混凝土剪力墙开始提供承载力、刚度和延性。 同济大学吕西林提出：填充氯丁橡胶带的带缝剪力墙；东南大学李爱群提出：采用摩阻式控制装置的带缝剪力墙；清华大学叶列平提出：双功能带缝剪力墙；东南大学戴航提出：带水平短逢槽形成X形削弱的低剪力墙等 。 开缝的剪力墙比不开缝的普通剪力墙具有更好的延性，由于缝隙的存在，混凝土墙在位移较大的循环荷载作用下的破坏比不开缝的普通
14、剪力墙要轻得多。,混凝土板几乎成碎石，钢筋网基本自由，改进型组合墙破坏有限，延性和塑性变形能力更好。但由于混凝土与钢板是整浇在一起的，即使留缝，内嵌钢板面内变形也必然引起混凝土参与受力而开裂。在往复荷载作用下剪力钉逐渐被压碎，导致混凝土与钢板不断脱离。, 组合剪力墙的抗震研究与发展,升级改进-防屈曲钢板墙： 特点：内嵌钢板与预制混凝土板之间可以相对滑移；预制混凝土板两侧与梁柱间也留有间隙；在两侧盖板和内嵌钢板的相同位置开孔以便螺栓穿过，螺栓施加一定的预张力，使盖板和内嵌钢板在风荷载和小震作用下协同受力；螺母与盖板间设置垫片；两侧盖板预留孔径要大于螺栓杆直径，孔径大小由大震作用下内嵌钢板和混凝土
15、盖板最大相对滑移量确定。,单层单跨墙板试验表明，直至内嵌钢板四边被完全剪断，两侧盖板仍然基本完好。原理：通过混凝土盖板和内嵌钢板接触面相互错动的机制，释放混凝土盖板的面内受力，使混凝土盖板免遭破坏，为钢板提供持续稳定的面外支撑。, 组合剪力墙的抗震研究与发展,不理想改进-两侧开缝组合钢板墙： 特点：两侧开缝墙与防屈曲墙的结合体。 破坏模态：混凝土板在初期便出现裂缝，此后逐渐损伤，在两侧与柱子脱开的位置，混凝土板损坏严重，未能抑制住相应区域内嵌钢板的面外屈曲。 原因：墙板与柱子脱开的构造使得墙板对平面外整体稳定比较敏感，在其两侧开缝处，内嵌钢板易发生整体失稳。, 组合剪力墙的抗震研究与发展,两片
16、钢板-内嵌混凝土组合剪力墙 两片钢板-内嵌混凝土剪力墙是在钢框架中焊接2块钢板并内填混凝土，同时，在钢板边缘用栓钉加强连接，也可以在钢板中设置竖向加劲肋 。 混凝土能够防止钢板的局部屈曲，同时混凝土受到周围钢板的约束，使得这种组合剪力墙具有较高的承载力和延性。建议：工程实际中采用高厚度比为100的钢板。 优点：钢板可以省去施工临时模板，减少人工等。, 组合剪力墙的抗震研究与发展,双重组合剪力墙：,型钢桁架剪力墙（专利）：内藏钢桁架混凝土剪力墙，它首次使用两种不同组合方式联合应用不同受力体系组合（剪力墙与桁架）及不同材料组合（型钢与混凝土）。 优点：结构体系具有良好的抗震耗能机制，与普通剪力墙结
17、构相比，具有承载力高、抗侧移刚度退化慢、延性好的特点，抗震能力有较大的提高。应用：北京新保利大厦等。, 组合剪力墙的抗震研究与发展,内嵌钢板与边缘框架连接 均由鱼尾板过渡，内嵌钢板与鱼尾板的连接方式为全栓接或全焊接，栓焊混合一般不考虑。 比较：栓接受力不均声响大；栓接加工误差会引起安装困难，且大量高强螺栓终拧费工，并不比焊接节约时间；大震下，螺栓之间摩擦能消耗部分地震输入能量，但相对栓接的高昂代价得不偿失；一般认为栓接延性高于焊接，但迄今为止试验资料显示，焊接墙板自身延性就足够好（延性系数达813），已经高于一般延性框架，考虑到与框架延性的匹配度，通过栓接进一步提高延性不必要；焊接撕裂一般只发
18、生在墙板角部，可通过在钢板角部开圆弧解决。 结论：焊接优于栓接。, 中国国家博物馆钢板剪力墙应用,中央大厅限制条件： 大空间，墙不能落地；两层大跨刚桁架机构支座，竖向荷载大且中震弹性；中震下墙第每段承受水平剪力达76000kN，且建筑功能需要墙厚限制在600mm等。 初探：普通混凝土墙需1100厚，远超建筑限制条件，且自重加大，加剧不利因素；墙体内设置暗桁架，但墙厚限制在600mm，且两边提供支撑的落地混凝土筒体墙厚仅为500mm，暗桁架断面宽度限制在200300mm，无法提供足够承载力，且构造和施工上难于实现。,中央大厅 +4.350m标高结构平面图,中央大厅剖面图, 中国国家博物馆钢板剪力
19、墙应用,实施： 底层（-0.90013.350m标高）采用钢板混凝土剪力墙，墙厚600mm,钢板厚度25mm。,中央大厅轴 A24 立面图, 中国国家博物馆钢板剪力墙应用,入口大厅限制条件： 大空间，仅四组混凝土筒体支承整个刚桁架屋盖；建筑功能对墙厚也有限制。 筒体部分墙肢剪力承受的水平剪力很大，普通混凝土墙体无法满足。 实施： 采用钢板混凝土剪力墙，墙厚600mm,钢板厚度35mm。,入口大厅+41.900m标高（钢桁架下弦）结构平面图,入口大厅剖面, 中国国家博物馆钢板剪力墙应用,考虑了端部暗柱中型钢及剪力墙中钢板的贡献。, 中国国家博物馆钢板剪力墙应用,钢板与周围构件连接关系系数，全焊接
20、时=1.0；不连续连接板连接=0.7+0.2，为连接板面积百分比。, 中国国家博物馆钢板剪力墙应用, 中国国家博物馆钢板剪力墙应用, 中国国家博物馆钢板剪力墙应用,暗柱、暗梁设置： 钢板墙四周设置带型钢暗柱、暗梁，对钢板墙形成约束，型钢腹板与墙内钢板对齐。箍筋：暗柱箍筋分为若干小箍筋；箍筋部分穿越钢板，部分分为若干小箍筋；箍筋断开与钢板焊接。, 中国国家博物馆钢板剪力墙应用,分布筋、拉筋设置： 常规：1.拉筋穿过钢板拉住两侧分布筋，钢板上需留穿筋孔，数量多、施工难度大、钢板截面削弱。2.拉筋在钢板两侧分成两部分，靠钢板侧无分布筋，拉筋与钢板焊接，现场焊接量大、钢板会产生焊接变形、焊后矫正施工量
21、大。 实施：钢板两侧增设分布筋，间距同外侧筋，直径外侧分布筋，且分布筋靠近钢板并与钢板上栓钉垂直相交，拉筋于钢板两侧设置。满足受力及构造要求，且施工方便。,水平分布筋连接锚固： 内排分布筋伸至型钢边，另附加水平分布筋与之搭接并绕过型钢柱，避免型钢打孔。个别型钢截面大，分布筋保持沿钢板两侧布置，另附加水平分布筋与之搭接。, 中国国家博物馆钢板剪力墙应用,构造：栓钉间距不大于300mm，实际采用19200。角部混凝土应力集中，容易脱落导致钢板局部屈曲变形严重墙身分布筋及钢板抗剪连接件在角部（1/5板跨且不小于1000mm）加密。,栓钉计算及构造要求： 计算：按钢结构设计规程11.3节关于组合梁抗剪
22、连接件相关部分。钢板与混凝土协同工作，因此，连接件需要承受的总剪力Nf按推荐公式（钢板和钢筋混凝土两部分受剪承载力）取小值。, 中国国家博物馆钢板剪力墙应用,建议：钢板厚度与混凝土墙厚度之比宜小于1/15。,钢板厚度要求： 原因：钢板外侧钢筋混凝土墙应具有足够的刚度对墙身钢板形成有效侧向约束，即是对钢与钢筋混凝土的相对刚度作出限制。可要求钢筋混凝土墙与钢板的抗弯刚度比不小于10，即Dp/Ds10。考虑开裂损伤退出工作等因素，混凝土后期弹性模量取Ec=0.2Ec，Ec为初模。一般情况下Ep=6Ec，钢和混凝土的泊松比分别为vp=0.4，vc=0.2。（D公式来源钢结构稳定理论与设计，陈骥）, 中
23、国国家博物馆钢板剪力墙应用,墙厚度要求： 建议：钢板组合剪力墙的墙体厚度一般不宜小于500mm，这样中间设置钢板后，两侧混凝土部分均略大于200mm，可以合理的布置墙体分布筋，也能满足施工振捣要求，墙内型钢宜采用窄翼缘，以便于两侧分布筋通过。,施工要求： 1、钢结构深化设计，需考虑受运输及现场吊装能力的限制，根据条件考虑钢板的分割、加工、现场拼装、焊接，焊角坡口应在工厂完成。 2、栓钉工厂焊接完成，钢板加工及运输应保证其平整度，固定模板对拉螺栓工厂预先打孔，间距600mm。 3、钢板将墙体分为两部分，混凝土浇筑需注意，两侧分别浇筑均匀下料，两侧混凝土高度差不能过大，保证钢板稳定及定位准确；如布
24、料管只能布一侧，则需在钢板上开若干可穿越布料管的孔洞，以保证两侧同步浇筑。建议对角线一定宽度范围内不要开浇筑孔。, 中国国家博物馆钢板剪力墙应用,4、拆模后，固定模板的对拉螺栓保留在墙体中，作为一个加强混凝土和钢板整体性的有利因素，同时，布料孔的设置也可以加强两侧混凝土整体性。 5、现场焊接量大，焊接质量至关重要，为防止钢板焊接变形，减少焊后矫正工作，焊前及焊中采取以下控制措施：钢板安装前，先检查钢板平整度，若不符，先矫正再安装；三面焊钢板，上部自由端还需连接上部板，或者四面焊接钢板墙，焊接顺序：钢板墙宽高比1.5时，先焊宽度向焊缝，后焊高度向；宽高比1.5时正相反。不管横或立焊缝，均分段打底、分段焊接，横焊缝由中间往两边分段；立焊缝由下往上。 6、上端自由钢板墙，为增加钢板上部自由段刚性，减少因焊接引起的弯曲变形，上端采用加固处理措施。或两侧通长设置角钢100x10断续焊接，隔600mm焊接150mm；或在最上端往下150mm处通长设置一块板条（100x30）。 7、防止焊接引起钢柱变形，焊前应先对钢柱适当加固。,