随着我国钢产量的迅速增加，钢结构以其轻质高强、施工周期短、工厂化制作等优点而广泛应用于工业和民用建筑中。

　　 防屈曲钢板剪力墙由内置钢板、预制钢筋混凝土板和连接螺栓组成，其工作机理是通过盖板和内嵌钢板接触面之间相互错动的变形机制，释放盖板的面内受力，使其在大震作用下免遭破坏，预制混凝土板为钢板提供持续的面外约束^[1]。防屈曲钢板剪力墙具有:1)延性及塑性变形好;2)滞回性能稳定;3)发生钢板屈曲时无明显响声，舒适性好;4)布置灵活等特点。

　　 布置少量防屈曲钢板剪力墙能增加结构侧向刚度，有效降低弹性层间位移角，使其满足舒适度和规范的要求。由于防屈曲钢板剪力墙的增加，降低了多遇地震下钢框架所受地震力，从而可以减小结构的梁柱尺寸，降低结构所占空间，满足建筑功能的要求。本文介绍了钢框架-防屈曲钢板剪力墙的结构设计要点和在结构选型和布置上的概念设计，以及防屈曲钢板剪力墙的节点构造和简化计算方法，可供同类工程借鉴参考。

　　 本工程位于北京市，为首钢总公司二通南区棚改定向安置房项目，为推广绿色建筑和建材、消化钢铁过剩产能，本工程采用钢框架-防屈曲钢板剪力墙结构体系，其中柱截面为箱形，截面自下往上为□400×400×36×36～□400×400×10×10，主要梁截面为H600×200×10×20,H500×200×10×20,H400×200×10×20，材质为Q345C。该建筑标准设防类别为丙类，结构设计使用年限为50年，抗震设防烈度为8度(0.2g)，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.4s，基本风压为0.45kN/m²。

　　 该建筑地下2层，地上22层，总建筑面积17 291.45m²，平面尺寸约52.8m×17.9m，建筑总高度64.4m。其中地下2层建筑面积共1 575.56m²，地下二层主要为储藏室，层高3.3m;地下一层主要为自行车库兼设备层，层高3.3m;地上22层均为住宅，层高均为2.9m。标准层平面布置图见图1。

　　 依据《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99—2015)^[2]要求，8度(0.2g)区钢框架结构最大高度为90m，故本工程可以采用钢框架结构。通过对钢框架结构的建模计算分析发现:当钢框架柱截面采用□600×600×20×20时，结构弹性层间位移角限值仍然不能满足规范要求。说明在本工程所处的设计条件下，钢框架结构的侧向刚度不足。如果继续增加梁、柱截面，不仅不经济，而且影响建筑使用功能，从室内看也欠美观。根据以上分析可以看出，该工程采用纯钢框架结构并不合适。

　　 依据《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99—2015)要求，8度(0.2g)钢框架-偏心支撑结构最大高度为200m，故可以采用钢框架-偏心支撑结构体系。建筑立面四周均设有窗户，如在这些位置设置偏心支撑，一来空间不足，需压缩开窗面积;二来建筑立面效果难以保证，故不能在这些位置布置偏心支撑。只能在电梯筒和室内分户墙上布置偏心支撑，但通过建模计算分析发现，结构的侧向刚度不足，弹性层间位移角限值不能满足规范要求。

　　 根据《钢板剪力墙技术规程》(JGJ/T 380—2015)^[3](简称钢板剪力墙规程)可知，由外包钢板和内填混凝土通过连接构造形成钢板组合剪力墙结构。钢框架-钢板组合剪力墙结构布置灵活，钢板组合剪力墙可承受竖向荷载，侧向刚度大。经建模计算分析可知，沿建筑周圈布置钢板组合剪力墙可满足层间位移角限值要求。但考虑到钢板组合剪力墙现场拼接焊缝工作量巨大，需现场浇筑混凝土，构件预制率低，施工周期长，且用钢量大，不满足推进钢结构住宅产业化的要求，故不采用钢框架-钢板组合剪力墙结构体系。

　　 根据钢板剪力墙规程可知，防屈曲钢板剪力墙由内置钢板、预制钢筋混凝土板和连接螺栓组成。内置钢板与钢筋混凝土板之间光滑接触无粘结，以此防止钢板发生屈曲，钢板剪力墙一般不承受竖向荷载。钢板是抗侧力构件，约束盖板起面外约束的作用。由于有面外混凝土板的约束，钢板具有较大的初始刚度，其受力机制以剪切机制为主，大震下钢板先屈服后屈曲，提高了结构体系的抗侧承载力。

　　 钢框架-防屈曲钢板剪力墙结构体系布置灵活，可满足建筑外立面要求，且防屈曲钢板剪力墙可在工厂预制，构件预制率高，施工周期短，每平米用钢量低，满足推进钢结构住宅产业化的要求，故本工程采用钢框架-防屈曲钢板剪力墙结构体系。

　　 由于防屈曲钢板剪力墙可提供侧向刚度，其数量和布置的不同对结构整体刚度和刚心位置的影响很大，因此如何合理地布置防屈曲钢板剪力墙是结构设计中的重要问题。首先，防屈曲钢板剪力墙的数量要适当，过少则刚度不足，无法满足规范对弹性层间位移角限值的要求;过多则刚度过大，反而会引起较大的地震作用效应。其次，应通过调整防屈曲钢板剪力墙的数量和布置位置，使结构的刚心尽量与房屋质心重合，以免在地震作用下引起结构过大的扭转效应。

　　 本工程由于地下室外墙采用钢筋混凝土墙体，地下室刚度较大，可将地下一层顶板作为上部结构的嵌固部位。根据钢板剪力墙规程第6.1.6条，防屈曲钢板剪力墙要满足高厚比的构造要求，为了不影响建筑外立面效果，防屈曲钢板剪力墙采用两边连接的结构形式。本工程采用SI设计理念，使住宅具备结构耐久性、室内空间灵活性以及填充体可更新性特质，因而防屈曲钢板剪力墙不可在室内布置。本工程X向两建筑单元拼接在一起，故X向侧向刚度较大，X向防屈曲钢板剪力墙Q1可在建筑外墙窗间插缝布置，共布置8片，墙长L=1 250mm;Y向刚度较弱，故Y向应较多布置防屈曲钢板剪力墙Q2，且布置在建筑外墙窗间和拼接单元的分户墙上，共布置10片，墙长L=1 600mm。防屈曲钢板剪力墙平面布置见图2。

　　 抗震概念设计的基本思想是尽量做到平、立面规则，减小地震扭转效应的影响，结构布置时也要保证平、立面结构杆件的刚度均匀，不出现重大突变。为了发展钢结构住宅产业化，采用了模数化柱网，柱网尺寸为6.6m×5.1m，柱平面上对称布置，立面上杆件连续。

　　 强柱弱梁是抗震设计应把握的一个原则。钢框架柱常用的截面形式有箱形、H型、圆形截面。箱形截面的钢框架柱受弯承载力较强，截面没有强、弱轴之分，截面尺寸可以按照两个方面的刚度、强度要求而定，经济、合理，缺点是需要拼装焊接，焊接工艺要求高，加工量大;轧制宽翼缘H型钢优点是加工、杆件连接容易，但截面有强、弱轴之分;圆形截面没有强、弱轴之分，缺点是节点要设加强环。本工程两个方向受力性能比较接近，且有建筑室内使用要求，在设计中采用箱形钢柱，钢柱截面自下往上为□400×400×36×36～□400×400×10×10。H型钢梁的经济跨度为6～12m，框架梁选用H型钢梁，为了尽量减少房间内露梁，本工程室内不设置次梁。钢结构的楼板宜采用压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板或非组合楼板。本工程由于柱网模数化，为了缩短施工周期，采用可拆模的钢筋桁架楼承板，需在钢梁顶设置圆柱头栓钉，栓钉需焊于钢梁翼缘上，栓钉直径d根据板跨度大小确定为13<d<19mm，垂直于梁轴线方向栓钉间距一般≥4d，沿梁轴线方向栓钉间距一般≥6d，栓钉高度约为100mm，顶面混凝土保护层厚度≥15mm。

　　 多高层钢框架柱脚通常采用埋入式柱脚或外露柱脚，均为刚接柱脚。埋入式柱脚埋入混凝土基础内的深度要求不得小于钢柱截面高度的3倍，埋入式柱脚在钢柱的埋入部分应设置栓钉，栓钉直径不得小于16mm。钢柱翼缘的保护层厚度:对于中间柱不得小于180mm;对于边柱和角柱的外侧不宜小250mm。外露式柱脚宜采用带靴梁的构造，钢柱弯矩由靴梁传递，柱脚由底板、靴梁、锚栓组成。本工程柱脚均采用埋入式柱脚。

　　 梁柱节点设计时满足强节点的抗震概念设计要求。梁柱节点通常为刚性连接，并通常采用栓焊混合连接;梁的上、下翼缘用坡口全熔透焊缝与柱翼缘连接，腹板用摩擦型高强度螺栓与柱翼缘上的剪力板连接，原则上梁端弯矩由梁翼缘承担，梁端剪力由梁腹板承担，在梁的对应位置设置柱的水平加劲肋，梁柱连接节点见图3。次梁与主梁连接通常采用铰接，次梁与主梁的竖向加劲板采用高强度螺栓连接，主梁加劲肋与主梁之间的连接焊缝采用双面直角角焊缝。当柱、梁长度大于10m左右时，不便于运输和装配，需要在工地现场进行拼接。柱接头应位于框架节点塑性区以外，一般宜在框架梁上方1.3m附近，柱接头的设计应满足极限承载力M_a≥1.2M_pc的原则(M_a为极限受弯承载力，M_pc为全塑性受弯承载力)。对于抗震设计的框架梁，在梁可能出现塑性铰处(通常距柱轴线1/10～1/8梁跨处)，梁上下翼缘均应设置侧向隅撑。

　　 钢板剪力墙规程规定防屈曲钢板剪力墙只提供侧向刚度，不承受竖向荷载，因而需要通过构造措施来满足规范要求。

　　 主体框架先施工，与防屈曲钢板剪力墙相连钢梁预先起拱以保证钢梁使用阶段不下挠，防屈曲钢板剪力墙上端通过鱼尾板与上端钢梁全熔透等强焊接;待主体框架施工完成后，结构自重变形已经释放，此时防屈曲钢板剪力墙下端再与下端钢梁焊接，焊接节点采用双夹板，可以保证防屈曲钢板剪力墙不承受自重恒载;防屈曲钢板剪力墙上、下端与钢梁之间填充100mm厚弹性隔声材料，防屈曲钢板墙现场安装见图4。

　　 钢结构的设计包括三个层次:第一层次是安全度的考虑，包括荷载组合;第二层次是内力分析;第三层次是具体钢构件、连接等设计。

　　 第二层次的结构内力分析分为如下两个步骤:1)按钢框架结构进行施工阶段计算;2)按钢框架-防屈曲钢板剪力墙结构进行多遇地震下弹性计算。

　　 防屈曲钢板剪力墙不承受竖向荷载，其施工顺序在钢框架之后，因此需对钢框架进行施工阶段计算。计算不考虑地震作用，基本风压按50年一遇风压选取，取值为0.45kN/m²，地面粗糙度类别为B类，恒载和活载均不进行折减，考虑施工阶段安全度可适当降低，各荷载分项系数均取为1.0。

　　 施工阶段计算主要有如下两个目的:1)保证钢框架结构有一定的抗侧刚度;2)与防屈曲钢板剪力墙相连的钢梁，在不考虑防屈曲钢板剪力墙的有利作用后，仍具有一定的承载能力。

　　 钢框架结构的施工阶段计算有如下依据:1)《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)^[4](简称抗规)第5.5.1条规定，在风荷载作用下，钢框架位移角不宜大于1/250;2)钢框架抗震等级取为一级，各构件满足长细比、轴压比、应力比相应要求。

　　 采用SATWE对该结构进行计算分析，计算结果满足规范的规定。

　　 计算参数:抗震设防烈度8度(0.2g)，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.4s，基本风压为0.45kN/m²。考虑双向地震作用，采用楼层剪力差方法(规范方法)计算。

　　 本项目防屈曲钢板剪力墙与框架为两边连接，故根据钢板剪力墙规程第D.0.4条，两边连接防屈曲钢板剪力墙可简化为等效交叉杆模型，模型中杆件为拉压杆。两边连接防屈曲钢板剪力墙交叉杆模型见图5。

　　 1 600mm跨度剪力墙的换算拉压杆取外圆直径195mm，内圆直径175mm;1 250mm跨度剪力墙的换算拉压杆取外圆直径197mm，内圆直径177mm。

　　 钢框架-防屈曲钢板剪力墙结构的计算有如下依据:

　　 (1)钢板剪力墙规程第3.4.1条规定，在风荷载和多遇地震下，防屈曲钢板剪力墙位移角不宜大于1/250，本工程偏于安全，按1/300考虑。

　　 (2)抗规第3.4.3条规定，结构需满足周期比、位移比、层刚度比及楼层受剪承载力比的要求。

　　 (3)参照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)^[5]第5.3.7条规定，高层建筑结构计算中，当地下室的顶板作为上部结构嵌固端时，地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。

　　 (4)钢框架抗震等级取为一级，各构件长细比、轴压比、应力比应满足相应要求。

　　 (5)防屈曲钢板剪力墙满足钢板剪力墙规程中抗剪验算和相应构造要求。

　　 采用软件SATWE和SAP2000对结构进行计算分析，结构前3阶周期计算结果对比见表1，可见，计算结果满足规范的要求。

　　 采用动力弹塑性分析软件YJK计算钢框架-防屈曲钢板剪力墙结构在大震时的弹塑性层间位移角，结果见图6，为了方面对比，将大震弹性时程结果绘于图6中。图6表明，弹性层间位移角:X向最大值为1/58,Y向最大值为1/68;弹塑性层间位移角:X向最大值为1/59,Y向最大值为1/69。大震下结构损伤的分布、钢板墙的受力机理和破坏机制参见文献[1]。

　　 由图6可知，大震时钢框架-防屈曲钢板剪力墙结构的弹塑性层间位移角小于1/50，符合抗规第5.5.5条规定，该结构有足够安全度，可以满足大震不倒的设计理念。

　　 (1)高层钢结构住宅可采用钢框架-防屈曲钢板剪力墙结构体系，防屈曲钢板剪力墙布置灵活且具有较大的平面内刚度。

　　 (2)通过合理布置防屈曲钢板剪力墙可以在满足建筑使用功能和立面效果的同时满足结构整体刚度要求，减小结构梁柱截面尺寸。

　　 (3)通过计算分析，本工程采用钢框架-防屈曲钢板剪力墙结构，可以满足小震下层间位移角和应力比的要求，大震下弹塑性层间位移角要求，本工程有足够安全度。