钢板组合剪力墙是指把钢板用于结构体系中作为主要抗侧力构件,通过其抗剪抵抗水平荷载,从而增加结构延性和耗能能力的构件 ^[1]。蔡克铨等 ^[2]对纯钢板剪力墙、带加劲肋钢板墙和钢板混凝土组合墙进行了低周反复试验研究,发现组合墙的耗能能力最强。日本学者Emori ^[3]对双层钢板内填混凝土剪力墙进行了轴压性能和抗剪性能的试验研究,经过对比分析发现,双层钢板内填混凝土组合剪力墙的轴压和受剪承载力明显高于混凝土剪力墙和纯钢板剪力墙的承载力之和。聂建国等 ^[4]对钢板剪力墙和钢管混凝土柱组合剪力墙进行低周往复加载抗震试验,结果表明,钢板剪力墙结构具有较高的承载能力和稳定的滞回性能。蒋冬启等 ^[5]通过试验发现钢板的加入可以大幅提高剪力墙试件的抗弯承载力。目前已有的钢板剪力墙大多通过钢板内侧焊接销钉的形式来增强钢板与混凝土的粘结力,但该方式的焊接工作量大。因此,需要寻找一种力学性能良好且施工便利的新型钢板剪力墙形式 ^[6,7,8]。

　　 以广东省广州市白云区的中国南方航空大厦项目(图1)为研究背景,其标准层结构平面布置图见图2。已知该项目场地属岩溶地区,地质情况复杂,为了减轻结构自重,缩短桩基础长度以降低溶洞注浆量,在满足建筑功能和抗震性能要求的同时,以尽可能小的核心筒剪力墙厚度来实现高轴压和高延性的需求,从而实现超高层混合结构体系力学、施工、成本等各方面的综合最优,本文提出了一种装配式新型钢箱混凝土剪力墙的设计思路,通过有限元模拟对钢箱混凝土剪力墙的受力性能进行分析。

　　 钢箱混凝土剪力墙由预制外包钢箱与箱内现浇混凝土组成,钢箱与箱内混凝土通过钢板上焊接的双向加劲肋板实现共同作用。钢箱能够提高墙体的抗剪承载力,同时对混凝土横向膨胀起到约束作用,提高混凝土的强度和延性,改善混凝土的力学性能;钢箱还能防止混凝土裂缝外露,提高混凝土的耐久性。箱内混凝土可以作为外侧钢板的侧向支撑,约束钢板局部屈曲。钢箱混凝土剪力墙大样和现场拼装见图3,4。

　　 本文从工程应用实际出发,通过ABAQUS软件对钢箱混凝土剪力墙构件的轴压性能和压弯性能进行了有限元模拟分析,并与高强钢筋混凝土剪力墙受力性能进行对比,其中高强钢筋为HRB400。通过设置位移加载步和相应的边界条件,模拟构件产生水平位移时的受力状态,以实现位移加载,压弯分析时施加固定轴压力29 000kN,轴压比0.6。分析采用的钢箱混凝土剪力墙和高强钢筋混凝土剪力墙截面及有限元模型分别如图5和图6所示,墙体高度取3.9m。钢箱混凝土剪力墙含钢量为5.6%,高强钢筋混凝土剪力墙对比模型的配筋率为0.4%。

　　 图7为钢箱混凝土剪力墙和高强钢筋混凝土剪力墙的轴压性能对比。可见,在轴压力和水平力作用下,钢箱混凝土剪力墙的承载力明显高于高强钢筋混凝土剪力墙。

　　 由图8和图9可见,钢箱混凝土剪力墙承受轴压力时,钢箱对核心区混凝土提供了有效约束,使得组合剪力墙具有较高的轴压承载力和轴压刚度。由图10和图11可见,轴压破坏时,钢箱受压屈服,局部向外鼓屈,承载力下降平缓,残余承载力高,延性好。

　　 可见在轴向力作用下,钢箱混凝土剪力墙弹性阶段的轴向刚度大,变形小,而在承载力达到峰值进入塑性阶段后,刚度退化,轴向变形明显,说明钢筋混凝土剪力墙具有较强的耗能能力和较高的残余承载力。

　　 由图12～16可见,钢箱混凝土剪力墙具有较高的抗侧刚度,压弯破坏时承载力下降平缓,在水平力作用下变形能力强且破坏过程耗能明显。钢箱混凝土剪力墙破坏后,具有很高的残余承载力,在位移角达到1/78时,其残余承载力仍具有峰值承载力的80%以上。说明钢箱混凝土剪力墙的延性好,抗震性能优越,在轴压力和水平力作用下钢箱混凝土组合剪力墙承载力明显高于高强钢筋混凝土剪力墙。

　　 以图6的有限元模型作为基本分析模型,仅改变钢箱横肋间距来分析其对钢箱混凝土剪力墙承载力的影响,钢箱横肋间距分别取870,700,435mm(相当于含钢量6.5%,5.6%,5.4%)。钢箱混凝土剪力墙产生相同轴向压缩变形时,含钢量为6.5%,5.6%,5.4%的钢箱混凝土剪力墙应力分别为34.9,39.0,40.9MPa。结果表明,在相同的轴向压缩变形情况下,钢箱横肋间距越小,越利于发挥混凝土强度。

　　 当轴压比为0.5时,剪跨比为1.5,2.5,3.5的钢箱混凝土剪力墙钢箱应力分别为202.5,183.9,175.3MPa。可见,在相同轴压比时,剪跨比越小,钢箱混凝土剪力墙承载力越低。

　　 当位移角为1/1 000时,轴压比为0.4,0.5和0.6的钢箱混凝土剪力墙钢箱应力分别为270.4,294.0,316.5MPa。可见,在发生相同的位移角时,轴压比越小,钢箱混凝土剪力墙钢箱应力越小。

　　 钢箱采用分块拼装,大量焊接工作可在加工厂完成后运输至现场进行安装。可根据吊机负荷值采用分幅分段的方式安装,如本工程裙楼以两个层高(10m)为一段、塔楼以三个层高(11.7m)为一段进行吊装,提高了构件制作的标准化和机械化程度,加快了施工速度。钢板墙分节安装时,采用卡扣式组合安装连接件做法,安装简便,有效保证了钢板墙水平安装后的垂直度及平整度,且其端部卡扣构造可有效防止薄钢板剪力墙在安装及运输过程中出现因受外力而变形情况。卡扣式组合安装连接示意见图17。

　　 钢箱混凝土剪力墙可与外包U型钢箱-混凝土组合梁(简称U型钢箱梁)连接,U型钢箱梁翼缘板与钢箱混凝土剪力墙的钢箱采用对接焊缝连接,U型钢梁腹板与钢箱混凝土剪力墙的钢箱螺栓连接,形成刚度较大的抗弯组合构件体系,充分发挥钢板抗拉强度与抗剪强度。钢箱混凝土剪力墙与U型钢箱梁连接示意如图18所示。

　　 钢箱混凝土剪力墙通过表层喷涂普通砂浆保护层来防火,砂浆强度为M7.5,厚度为70mm,施工方式采用挂网批荡方式;为了防止砂浆保护层受火开裂,砂浆内设置两层的钢筋网。砂浆与钢板附着力较好,施工简便,且可大量节省后期维护成本。砂浆防火施工顺序和防火层大样分别见图19和图20。

　　 (1)钢箱混凝土剪力墙中,钢箱可提高墙体的抗剪承载力,对混凝土横向膨胀起到约束作用,提高混凝土的强度和延性,并且可以防止混凝土裂缝外露,提高混凝土的耐久性。混凝土作为外侧钢板的侧向支撑,可以约束钢箱的局部屈曲。

　　 (2)钢箱混凝土剪力墙受力性能优于普通的高强钢筋混凝土剪力墙,且延性好,抗震性能优越。

　　 (3)在相同的轴向压缩变形情况下,钢箱横肋间距越小,越利于发挥混凝土强度;在相同轴压比时,剪跨比越小,钢箱混凝土剪力墙承载力越低;在发生相同的位移角时,轴压比越小,钢箱混凝土剪力墙钢箱应力越小。

　　 (4)由于钢箱混凝土剪力墙的受拉、受弯承载力均由外包钢板承受,因此不需要考虑混凝土的开裂,工程设计中可放松对钢箱墙体的轴压比和主体结构位移角的控制,全包钢结构体系可将弹性层间位移角提高至1/500(广东省规范限值为1/800)。