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钢板剪力墙结构研究与工程应用概述

     摘要：钢板剪力墙指在钢框架结构基础上为提高结构刚度及抗震性能而在部分框架梁柱间内填钢板的结构。研究学者们普遍认为这是一种抗震性能良好的结构形式。这种结构自重轻，施工速度快，并且经受住了地震的考验。

     关键词：钢板剪力墙结构 应用概述

    （一）引言

     我国是地震多发地区，特别是2023年5月12日发生的汶川地震，给中国带来了巨大的劫难。8.0级的强烈地震导致灾区房屋大量垮塌，很多群众被埋在废墟里，导致了极其严重的人民生命财产的损失。研究发展抗震能力优越，能有效抵御强烈地震的抗侧力结构，使工程结构更加耐震，是非常有实际意义的。

      近年来，在北美和日本开始兴起的钢板剪力墙结构，被研究学者普遍认为是一种抗震性能良好的结构形式。钢板剪力墙结构指在钢框架结构基础上为提高结构刚度及抗震性能而在部分框架梁柱间内填钢板的结构。在过去的几十年中，各国学者对这种结构进行了许多实验与理论方面的研究。这些研究都得到了共同的结论：这种结构弹性初始刚度高、位移延性系数大、滞回性能稳定。近年来得到了诸多研究者的关注，并在北京国贸大厦三期工程，天津市津塔工程等大型项目中得到了应用，有着独特优势并有良好发展前景。这种结构在我国研究与应用均处在起步阶段，其抗震性能尚缺少研究。为推动钢板剪力墙在多高层结构中的应用，需要对其整体抗震性能进行进一步的理论及实验研究。

      加拿大钢结构设计规范CSA S16-01定义：钢板剪力墙是一种有横向加劲的墙板，用以在结构中抵抗侧力。柱子作为墙板的翼缘构件，框架梁作为墙板的横向加劲。薄钢板与其周边的梁柱在各层连接构成内填板构件。内填板周边约束梁柱分别简称为周边柱、周边梁，非内填板约束构件称为框架梁、框架柱。

      其重要分类如下，并如图1.1所示：

1.         无加劲钢板剪力墙；
2.         加劲板钢板剪力墙；
3.         开缝钢板剪力墙；
4.         钢板-混凝土组合剪力墙。

a) 无加劲钢板剪力墙 b) 加劲钢板剪力墙

c) 带缝钢板剪力墙 d) 组合钢板剪力墙

图1.1钢板剪力墙分类
Fig. 1.1 Different types of steel plate shear wall structure

图1.2无加劲钢板剪力墙
Fig. 1.3 Unstiffend steel plate shear wall structure

      在20世纪70年代和80年代，美国大部分采用钢板剪力墙的建筑都在钢板的两侧设立纵向和横向加劲肋。在日本，几乎所有采用钢板剪力墙的建筑也都在钢板两侧设立加劲肋。开缝钢板剪力墙借鉴武藤清专家提出的开缝混凝土剪力墙的概念发展而来，通过激光在钢板上以一定间距割出一系列狭缝的钢板剪力墙。研究表白，通过狭缝的开设将钢板转换为并列壁柱的形式来抵抗剪力，使钢板本来的剪切变形转换成以弯曲变形为主。开设竖缝虽然减少了钢板的初始抗侧刚度，但却可以增强钢板墙的耗能能力。

      然而，在施工过程中，不管是对钢板设立加劲肋还是用激光开狭缝，不仅费时并且不经济。此外近年来的实验和理论研究表白，无加劲钢板剪力墙的性能也非常优越。无加劲钢板墙，如图1.2所示，可以当作是加劲钢板墙当加劲刚度比为零时的特殊情况。无加劲钢板墙在单向受剪情况下，厚壁钢板剪力墙非线性特性重要表征为材料的屈服；薄壁钢板剪力墙非线性特性重要表征为钢板先行屈曲，而后对角线方向拉力带的形成及材料的屈服，具有几何和材料双重非线性。无加劲钢板剪力墙，在水平力的剪切作用下，弹性屈曲强度非常低。

    （二）钢板剪力墙结构的优点

     1. 抗震性能良好：实验和理论分析证明这也许是最有效和经济的一种抗侧力结构，其直接优点就是增强了结构延性，它有稳定的滞回性能，高耗能能力和优良的塑性性能。

     2.  结构自重轻：与钢筋混凝土剪力墙相比，钢板剪力墙最突出的优点是在很大限度上减少了结构自重。如此，可以减小了地震时的不利作用，如减小结构底部的倾覆力矩，减小重力荷载代表值。

     3.  施工速度快：使用钢板剪力墙可以大大加快施工进度，使绝大多数结构构件可以组装完毕。并且，钢板剪力墙的施工要比普通钢筋混凝土剪力墙和支撑结构要简朴的多。有助于装配化，构件化，效率高，满足住宅产业化的发展。

     4.经受住了地震的考验：在1995年的神户大地震中，一幢采用了钢板剪力墙的35层建筑物经受了地震的考验。研究人员在震后的调查中发现，该建筑物未出现任何明显的结构破坏，而紧邻的一幢未采用钢板剪力墙的八层建筑却发生了坍塌。

    （三）国内外研究现状

     钢板剪力墙构件性能研究方面，一批美国和日本的学者曾重要致力于厚内填板和加劲板性能的研究，钢板墙被设计成在极限荷载下也不发生屈曲的体系，即以钢板的面外屈曲作为设计极限状态。运用钢板墙屈曲后强度的概念最先由加拿大学者提出[1]，同时给出了无加劲钢板墙的分析模型：铰接斜拉杆模型，并根据最小能量原理给出了计算拉杆倾角的计算公式。Driver和Klark[1]应用此模型对无加劲钢板墙强度、塑性性能和滞回性能进行了研究，揭示了其卓越的延性、良好的耗能能力。1999年Rezai[2-3]对两个四层单跨的无加劲钢板墙模型分别进行了拟动力实验并实现了初次振动台实验。在施加往复荷载前后，进行了小振幅振动测试，以得到结构在破坏前后的动力特性（自振周期、振型和阻尼比）。对钢板墙的屈曲、屈服、焊缝开裂（撕裂）等对内嵌钢板动力特性的影响进行了研究。同时，评价了钢板墙的耗能能力、塑性变形性能、刚度退化、强度退化等对钢板墙抗震性能的影响，得到了一些有益的结论。2023年，Adam等人[4]进行了两个单跨单层和一个单跨四层薄壁钢板墙模型实验研究。研究结果认为，钢板墙具有非常好的承载能力和延性性能，柱子破坏是影响钢板墙极限承载力的重要因素。值得一提的是，加拿大阿尔伯塔大学的研究者们从上世纪60年代就对钢板剪力墙结构进行不懈的研究实验，对钢板剪力墙结构的理论进展起到了巨大的推动作用[5]。加州大学伯克利分校的Astaneh-Asl专家和赵秋红博士[6]对钢管混凝土-钢板剪力墙结构进行了系统的理论与实验研究，研究表白，这种结构具有非常好的延性与抗侧刚度，可以抵御非常强烈的地震作用，钢管混凝土柱抗侧刚度大，可以使内填板的拉力场效应得到充足发挥。国内郭彦林、陈国栋、缪友武等[7]对无加劲板、十字加劲板和交叉加劲板剪力墙结构在单向静力荷载下的抗剪性能和反复荷载下的滞回性能进行了较为进一步的研究，并通过对六个钢板剪力墙模型的低周反复荷载作用实验研究，进一步揭示了钢板墙的极限承载力、延性和滞回性能，为钢板剪力墙规范以屈曲后强度为设计准则提供了理论和实验依据。西安建筑科技大学董子建、侯蕾、曹春华等[8-10]对无加劲和斜加劲钢板剪力墙结构也做了大量实验和理论研究工作，并得出一些有益结论；武汉理工大学苏磊，清华大学赵作周、钱稼茹等[11] 研究了墙板开缝层数、竖缝间板带的高宽比与开缝墙力学性能的关系，并得出结构的荷载-位移曲线呈现三折线的特性；西安建筑科技大学王恒等[12]相应用SAP2023程序对带缝钢板剪力墙进行了弹性范围内的静力分析，研究了开缝参数对钢板剪力墙抗侧刚度和弹性屈曲临界力产生的影响、竖向荷载作用对钢板剪力墙屈曲临界力的减少及随着承受荷载的增大，应力分布的变化，推导提出了对带缝钢板剪力墙抗侧刚度和抗剪极限承载力公式进行修正的方法和修正系数。台湾地震工程研究中心蔡克铨等[13]对LYS（低屈服强度）钢板剪力墙结构进行了系统实验和理论研究，得出用LYS低屈服钢板制成的钢板剪力墙结构抗震性能更加优越的结论。

      整体结构性能研究方面，KHARRAZI[14]综合考虑了钢板剪力墙结构的弯曲和剪切变形特性，提出了钢板剪力墙结构分析与设计的方法，并对3层、9层、27层的结构进行了实例分析。华南理工大学魏德敏等[25]应用非线性弹簧单元来模拟在整体结构中的带缝钢板剪力墙构件，以实际工程为背景分析了整体结构的地震反映，得出钢板剪力墙构件可以明显提高结构抗侧刚度，并且其布置方式对结构抗震性能影响很大。苏磊[6]提出运用刚度等效的原则，把其转换为工程计算软件可以计算的支撑体系，然后对构件进行单独计算。河海大学邵建华等[15]应用等效拉杆模型并运用有限元分析软件SAP2023进行Pushover分析，得到无加劲钢板剪力墙的水平极限承载力及参数对其影响。河北理工大学苏幼坡等[16]对钢板剪力墙结构在混凝土框架中的应用做了较多的实验研究与数值模拟，得出结论：对于钢筋混凝土框架结构，当设计的钢板长细比适宜时，在框架内填充钢板组成的薄钢板剪力墙，可显著提高结构的刚度、承载力，同时也具有较好的延性及耗能性能。

     （四）国内外工程应用现状

     1970年建于日本京都的NIPPON STEEL BUILDING是世界第一栋钢板剪力墙结构建筑，以后的几十年里，这种抗震性能良好的建筑不断得到应用，特别在日本、北美等高烈度地震区。

     2023年10月29日封顶的北京国贸三期工程，即采用组合钢板剪力墙加强底部核心筒，2023年在天津建设的津塔大厦，也是这种结构在我国的最新应用。世界现有应用钢板剪力墙结构的部分建筑如表1.1所示。

图 1.3 北京国贸三期工程施工及钢板剪力墙布置[2]
Fig. 1.3 Construction and SPSW layout of Beijing International Trade Center

图 1.4天津津塔大厦效果图及分析模型（ABAQUS/EXPLICIT）
Fig. 1.5 Design graph and Analysis Model of Tianjin Tower

       表1.1应用钢板剪力墙结构的部分建筑
      Table. 1.1 Part buildings application of SPSW
名称
层数
竣工日期
建设地点
备注
Nippon
20
1970
日本京都

Shinjuku
53
1978
日本京都

Hyatt Regency Hotel
30
1988
美国达拉斯

Olive View
6
1971
美国加利福尼亚
应用于旧金山地震修复
Kobe Office
35
1988
日本神户
阪神地震后完好
锦江饭店
46
1989
中国上海

Federal Courthouse
24
2023
美国西雅图

北京国贸大厦三期
74
2023
中国北京

津塔大厦
75
在建
中国天津

      （四）目前存在的问题及展望

      世界各国的学者通过数年的理论和实验研究，已经对钢板剪力墙结构有了较为进一步的结识。但是仍然存在很多有待解决的问题。对于一些重要的实际工程结构，由于时间、条件等因素，所有进行实验研究不现实，从而需要有效的分析模拟手段。对于无加劲钢板剪力墙结构，其内填板厚度很小，其平面外大变形问题，后屈曲特性的捕获问题，一直没有得到有效的解决，北美、伊朗、和我国的一些研究者都提出了一些简化分析模型如等效斜撑等，但由于忽略因素过多，难以达成分析精度，工程上难以应用。

     钢板剪力墙结构虽然已经很多投入工程应用，但其结构的整体抗震性能却由于问题的复杂性和分析的困难性，基本没有得到系统研究。虽然研究者们对钢板剪力墙构件的抗震性能及其影响因素研究的较为成熟全面，但对整体结构的动力特性及其在地震作用下的受力与变形特性、水平地震剪力分派特性、结构耗能机理的结识基本上还处在空白状态，需要进行系统研究与总结。

      钢板剪力墙结构有着优越的性能，在钢结构建设大规模发展的今天，必将大有用武之地。

      参考文献

      [1]  RG Driver, GL Kulak, DJL Kennedy, AE Elwi Cyclic Test of Four-Story Steel Plate Shear Wall[J].Journal of Structural Engineering, Vol. 124, No. 2, February 1998:112-130.

       [2]  AS Lubell, HGL Prion, CE Ventura, M Rezai. Unstiffened Steel Plate Shear Wall Performance under Cyclic Loading [J]. Journal of Structural Engineering, Vol. 126, No. 4, April 2023:453-460.

       [3]  M Rezai..Seismic Behavior of Steel Plate Shear Walls by Shake Table Testing [D]. PhD Dissertation. University of British Columbia. Canada: 1999.

       [4]  Sl Adam, Gl Helmut P. Unstiffened steel plate shear wall performance under cyclic loading [J]. Journal of Structural Engineering:2023.

      [5]  Structural Engineering Report No.215[R].University of Alberta Department of Civil & Environmental Engineering.

       [6]   Astaneh-Asl, A. and Zhao, Q, (2023). Cyclic Tests of Steel Shear Walls[R]. Volume I-Final Report. Final Report to the Sponsors, Report Number UCB/CEE-STEEL-01/01, Dept. Of Civil and Env. Engineering, Univ. of California, Berkeley, July.

       [7]  陈国栋，郭彦林，范珍等.钢板剪力墙低周反复荷载实验研究[J].建筑结构学报，2023，25(2):19-26，38.

       [8]  侯蕾，郝际平，董子建等.十字加劲肋钢板剪力墙低周反复荷载的实验[J].钢结构，2023，21(2):12-16.

       [9]  王迎春，郝际平，李峰等.钢板剪力墙力学性能研究[J].西安建筑科技大学学报，2023，39(2):181-186.

       [10]  曹春华，郝际平，王迎春等.开缝薄钢板剪力墙低周反复荷载实验研究[J].西安建筑科技大学学报，2023，40(1):46-52.

        [11]          赵作周，肖明，钱稼茹等.开缝钢板墙抗震性能的实验研究.建筑结构，2023，（12）：105-109.

        [12]          王恒，带缝钢板剪力墙性能研究[D] ：[硕士学位论文].西安：西安建筑科技大学，2023.

        [13]          蔡克铨，林盈成等.钢板剪力墙抗震行为与设计.建筑钢结构进展[J]，2023，10：20-25.

        [14]          Karim Kharrazi. Rational Method for Analysis and Design of Steel Plate Walls [D]. PhD Dissertation. University of British Columbia. Canada: 2023.

        [15]          邵建华，顾强，申永康.钢板剪力墙的弹-塑性抗剪承载力分析[J].河海大学学报：自然科学版，2023，34(5):537-541.

        [16]          苏幼坡， 刘英利.薄钢板剪力墙抗震性能实验研究[J].地震工程与工程振动，2023，22 (4):81-84.

“超高层钢管混凝土柱及纯钢板剪力墙结构施工技术研究与应用”科技成果鉴定会在津塔召开（图）
建设发展公司　魏健　2023-04-25

2023年4月14日，中国建筑工程总公司在天津津塔主持召开了“超高层钢管混凝土柱及纯钢板剪力墙施工技术研究与应用”科技成果鉴定会。由北京建工集团路克宽、中国建筑科学研究院韩素芳、中冶集团建筑研究总院贺贤娟和周文瑛以及天津大学程万海、天津市质量监督管理总站张中一、北京城建集团杨庆德等七位专家组成的鉴定委员会，参观施工现场，听取了课题组的研究报告。中国建筑工程总公司科技部总经理助理张津波主持了会议，中国建筑一局集团副总工程师薛刚、公司总工程师高俊峰以及公司技术专家委员会主任张瑾孝等领导参与了本次会议。
通过专家组认真讨论，一致认为津塔主塔楼结构设计采用钢管混凝土柱框架、纯钢板剪力墙、外伸刚臂及带状桁架抗侧力体系，为目前世界上初次采用纯钢板剪力墙结构的超高层建筑。课题组针对津塔工程特点和难点，通过反复的实验和研究，取得了如下创新成果：
1、312.8米高钢管混凝土柱泵送顶升施工技术：
超高层钢管混凝土柱顶升浇筑模拟实验（最复杂节点柱的浇筑全过程模拟）；高强度、高流动性、和易性好、收缩率低、500米以上超长泵送顶升混凝土配比设计；钢管柱顶升可调接口及钢管柱复杂纵横向隔板的顶升预留孔设计；超高钢管混凝土柱内混凝土顶升泵压拟定；钢管柱混凝土顶升施工过程质量控制。
2、超高层纯钢板剪力墙结构施工技术：
封闭框架内全焊接纯钢板剪力墙焊接过程应力和残余应力检测与控制；带十字纵横向隔板钢管柱及纯钢板剪力墙分段分块加工详图优化；带钢板剪力墙的伸臂桁架安装精度控制。
3、该成果在天津津塔工程得到成功应用，保证了质量、安全，缩短了工期，取得了显著的社会效益和经济效益。形成了以下工法：《超高层钢管混凝土泵送顶升施工工法》、《超高层钢结构纯钢板剪力墙焊接工法》、《超高层钢结构带钢板墙的伸臂桁架施工工法》和《超高层钢板剪力墙结构测量工法》，为此后类似工程施工提供了借鉴和指导。
鉴定委员会一致认为，该成果总体达成了国际先进水平，其中纯钢板剪力墙施工技术达成了国际领先水平。