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钢板剪力墙的原理和性能

已有 633 次阅读 2020-1-7 11:53 |个人分类:科学书摘|系统分类:科研笔记| 郝际平, 科学出版社, 钢板剪力墙, 抗侧力结构, 建筑

​抗侧力结构在建筑中起到抵抗风荷载和地震荷载等水平荷载的作用,是保证整个结构安全可靠的关键。目前,在多高层钢结构建筑中使用的抗侧力结构主要有支撑和钢板剪力墙两类,支撑结构已有非常广泛的应用,但钢板剪力墙的实际工程还十分有限。


造成这种情况的原因有很多,既有市场因素,也有技术因素。在技术层面,研究的相对滞后以及设计方法的不成熟是制约钢板剪力墙应用的重要原因。事实上,钢板剪力墙和支撑结构相比是具有明显优势的,既具有布置灵活、占用空间小、易与维护墙体配合使用的建筑特点,又具备自重轻、承载力高、抗震性能好的结构优点,适合在对抗震性能有较高要求的多高层建筑中使用,尤其适用于对空间布局具有更高要求的装配式住宅建筑。


“十三五” 以来,我国进入了 “绿色发展” 的快车道,而钢板剪力墙易加工,易拼装,轻质高强,十分适合建筑的模块化、标准化、工厂化和信息化发展,契合 “创新、协调、绿色、开放、共享” 的发展理念。因此,在我国社会主义建设的新时期,钢板剪力墙应该受到更多的重视并发挥更大的作用。



钢板剪力墙的应用



钢板剪力墙的实际工程始于 20 世纪 70 年代,目前主要分布在日本和北美地区。近年来,随着我国经济及科学实力的迅速发展,以钢板剪力墙为主要抗侧力结构的多高层和超高层建筑逐渐增多。

 

日本东京 1970 年建成的 Nippon Steel Building 和 Shinjuku Nomura Building是两栋世界上最早应用了钢板剪力墙的建筑。Nippon Steel Building 共 20 层,在 4 层以上采用了加劲钢板剪力墙作为抗侧力结构,4 层以下则采用了组合剪力墙。墙板的典型尺寸约为 2.7m × 3.7m,板厚有 4.5mm,6.0mm,9.0mm 和 12.0mm四种规格,均进行了纵、横向加劲。Shinjuku Nomura Building 共 51 层,211m 高,同样采用了加劲钢板剪力墙作为抗侧力结构,是当时东京的第三高建筑。其墙板典型尺寸约为 5.0m × 3.0m,在板两侧分别布置了横向和纵向加劲肋进行加劲,墙板与边框架采用了螺栓连接。

 

1989 年,地下 3 层,地上 30 层,总高度为 132m 的日本神户市政厅塔楼 (Kobe City Hall Tall) 建成。该建筑自 3 层以上采用了加劲钢板剪力墙,基础采用了钢筋混凝土剪力墙,1 层和 2 层采用了组合剪力墙进行过渡。在 1995 年的阪神大地震中,仅在第 26 层的钢板剪力墙上出现了轻微的局部屈曲,震后建筑顶部的西和北方向的残余变形分别为 35mm 和 225mm (图 1(a));而与其紧邻的采用型钢混凝土框架的 8 层综合体 Kobe City Hall Complex 则发生了上部 3 层整体坍塌的破坏,发生破坏的正好是结构从型钢混凝土框架向钢筋混凝土框架过渡的区域 (图 1(b))。



1 Kobe City Hall Tall

 

随着低屈服强度钢材的发明,日本琦玉县建造了两栋应用低屈服点钢板剪力墙的建筑 —— Saitama Wide 和 Area Joint Agency Buildings。两栋建筑分别为 31层和 26 层,采用了加劲型低屈服点钢板剪力墙,墙板材料为 LYS100 钢 (名义屈服强度为 100MPa),钢板剪力墙沿着楼梯间周边呈棋盘状布置,典型墙板尺寸为4.5m × 3.0m,板厚沿着高度从 25mm 到 6mm 逐渐减小。这是世界上最早的低屈服点钢板剪力墙的工程应用,而当时北美地区尚未发明低屈服点钢材。

 

北美也是应用钢板剪力墙较多的地区之一,实际工程稍晚于日本,但数量要略多,且大部分应用在了对抗震要求较高的医疗建筑中。1977 年,美国旧金山医疗中心 H. C. Moffitt Hospital 进行扩建,新建项目为一栋 16 层的医疗大楼,要求其在大震时可充分保护医疗系统和震后正常使用,楼层高度受到相邻建筑的限定。由于抗震要求和建筑条件严苛,设计极为困难,若采用钢筋混凝土剪力墙结构,墙体厚度需要高达 1.2m,不具备实施条件。在诸多结构形式的对比中,加劲钢板剪力墙最终被选定为最佳方案并历时 5 年完成了项目建设。同一时期的美国圣费尔南多谷的 New Sylmar Hospital 也是标志性的钢板剪力墙建筑。原医院采用了钢筋混凝土结构,在 1971 年的圣费尔南多地震中损毁。New Sylmar Hospital 共 6 层,底部 2 层采用钢筋混凝土剪力墙,上部 4 层采用加劲钢板剪力墙。墙板厚度沿层高 从 19mm 变化到 16mm,开有多个洞口。在 1994 年的北岭地震中测得该医院地面峰值加速度为 0.91g,屋面峰值加速度为 2.31g,未发生结构性破坏,但大量附属设施如管线、天花板、喷淋系统等发生了较严重的损坏。

 

加拿大最早在实际工程中应用了非加劲钢板剪力墙,但大多是多层建筑。20世纪 80 年代早期,温哥华就建造了第一栋 8 层的非加劲钢板剪力墙大楼,该大楼在长方向采用了中心支撑作为抗侧力构件,而在短方向由于建筑条件制约采用了非加劲钢板剪力墙。随着 2001 年 CAN/CSA—S16—01 规范的颁布,一大批非加劲钢板剪力墙工程相继出现。魁北克圣乔治市所建的 3700m2 的 6 层 Canam Manac Group 总部大楼,由非加劲钢板剪力墙在电梯间位置形成核心筒进行抗侧, 钢板剪力墙尺寸为 2.6m × 22.0m,厚度仅为 4.8mm;圣亚森特市所建的 7 层 ING大厦同样采用了由非加劲钢板剪力墙组成的核心筒进行抗侧;蒙特利尔市 ICRM所建的一座 2 层建筑也使用了非加劲钢板剪力墙。美国西雅图联邦法院大楼是较为典型的非加劲钢板剪力墙高层建筑,该大楼共 23 层,高107m,核心筒由南北方向的钢板剪力墙和东西向的支撑框架构成。选用钢板剪力墙是由于与混凝土结构方案相比,钢板剪力墙可以增加约 2%的建筑面积,减轻约 18%的自重并大大缩短施工周期,显著提高结构的延性。和中心支撑方案相比,钢板剪力墙的安装施工难度也大大降低。由于薄钢板剪力墙优秀的力学性能和良好的经济性,近十年来在北美地区的许多低层和多层住宅中也已使用了薄钢板剪力墙作为抗侧力构件。

 

近年来,随着我国综合国力的不断增强,应用钢板剪力墙的实际工程也逐渐增多,但总体数量还较少。1989 年建成的 43 层、高 154m 的上海锦江饭店是我国第一个采用钢板剪力墙的建筑,核心筒 22 层以上采用了 K 型支撑,22 层以下采用了厚钢板剪力墙。1998 年投入使用的昆明世纪大厦总高 188m,地上48 层,核心筒采用了加劲钢板剪力墙,设计时遵循了钢板剪力墙的弹塑性屈曲应力不小于剪切屈服强度的原则。2010 年建成的天津津塔是目前世界上应用钢板剪力墙的最高建筑,该建筑地上 75 层,高336.9m,采用了“钢板剪力墙核心筒 + 钢管混凝土框架” 抗侧力体系,墙板为非加劲钢板剪力墙,厚度由底部的 25mm 向上逐渐减小到 18mm,设计时采用了薄钢板剪力墙的设计理念,允许墙板发生屈曲并利用屈曲后强度。此外,钢板剪力墙在住宅项目中也逐渐开始应用,如在四川都江堰灾后重建项目 “兴堰逸苑” 小区的 11 层和 6 层的住宅中就采用了开缝钢板剪力墙。







经过 40 余年的研究,钢板剪力墙的相关知识内容得到了极大的丰富,同时也发展出了多种新的结构形式。这些钢板剪力墙的力学特点和抗震性能具有很大的差异,适用对象也不尽相同,很有必要做一个系统的梳理和全面的总结以适应新时期的需要。


《钢板剪力墙的原理和性能》书中作者对非加劲钢板剪力墙、加劲钢板剪力墙、半刚性–框架钢板剪力墙、屈曲约束钢板剪力墙、低屈服点钢板剪力墙和铝合金板剪力墙等多种钢板剪力墙进行了系统的理论分析和大量的试验研究,本书是作者多年来研究成果的总结。



本文内容摘编自郝际平著《钢板剪力墙的原理和性能》前言及第一章部分内容,略有改动。

《钢板剪力墙的原理和性能》

郝际平 著

责任编辑:赵敬伟,孔晓慧

北京:科学出版社,2020.1

ISBN:978-7-03-063065-0


本书系统梳理和阐述了钢板剪力墙的基本原理、力学性能、设计方法和发展历程,详细总结和介绍了作者对各类钢板剪力墙所做的研究工作和创新成果。内容主要包括:非加劲钢板剪力墙的力学性能;斜加劲钢板剪力墙的力学性能;半刚性框架-钢板剪力墙的力学性能;密肋网格钢板剪力墙的力学性能;低屈服点钢板剪力墙的力学性能;密肋网格低屈服点钢板剪力墙的振动台试验;钢板剪力墙的性能化设计方法。


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