外包钢板-混凝土组合剪力墙受力性能研究

随着超高层建筑的发展，对承载能力高、耗能能力强，并且施工方便、构造简单的新型高性能剪力墙结构提出了更大的需求。组合剪力墙相对于钢板剪力墙或钢筋混凝土剪力墙，在承载力、刚度、延性等方面均具有很多优势。组合剪力墙有多种构造形式，其中外包钢板-混凝土组合剪力墙，通过一定的连接构造措施将外侧钢板与内部混凝土组合成整体共同工作，仅在内部设置必要的构造钢筋或不设钢筋。相对于钢板内置的组合剪力墙，外包钢板对内部混凝土具有一定约束作用，便于采用更高强度的混凝土；利用外包钢板作为模板，施工更加方便快速；避免混凝土裂缝外露，可拓展结构正常使用状态的工作范围，有利于发挥结构的承载潜力。针对目前外包钢板-混凝土组合剪力墙研究薄弱但有很强应用需求的现状，本项目计划通过一组大比例模型试验并结合数值计算及理论分析，掌握这种结构的基本受力机理，发展简化的非线性分析模型，并提出相应的设计方法。

剪力墙或由剪力墙组成的筒体是高层建筑主要的抗侧力构件，组合结构在剪力墙中的应用越来越多。外包钢板-混凝土组合剪力墙是一种新型的抗侧墙体，其受力性能及设计方法尚不明确。本项目通过试验研究、数值计算和理论分析，研究外包钢板-混凝土组合剪力墙的受力性能，提出了设计公式和建议。完成的主要工作和取得的成果包括：（1）进行了10个外包钢板-混凝土组合剪力墙和1个普通钢筋混凝土剪力墙试件的低周往复加载试验，研究了剪跨比、轴压比、连接件形式及距厚比等参数对组合剪力墙抗震性能的影响规律，分析了剪力墙的承载力、刚度、延性、耗能能力和破坏模式等。试验结果表明，钢板与钢筋混凝土墙体共同工作良好，滞回曲线饱满，变形能力强，刚度和强度退化稳定，抗震性能好。（2）建立了组合剪力墙精细有限元分析模型。该模型考虑了材料、几何、接触非线性以及钢材焊接残余应力和几何初始缺陷等因素的影响，对外包钢板-混凝土组合剪力墙的受力过程、变形性能等进行了数值模拟，与试验结果符合良好。在此基础上分析了组合剪力墙的工作机理，并对主要参数进行了分析。（3）分析了组合剪力墙的受弯性能。采用数值计算方法研究了组合剪力墙的弯矩-曲率全过程关系曲线，并通过理论分析推导了组合剪力墙的屈服荷载、屈服曲率、极限荷载、极限曲率，提出了组合剪力墙正截面受压承载力计算公式。（4）分析了组合剪力墙的受剪性能。提出了钢板抗剪强度折减系数，研究了钢板对混凝土墙板受剪承载力的影响，提出了组合剪力墙受剪承载力计算公式。（5）提出了组合剪力墙荷载-位移退化四折线恢复力模型，能较好地模拟组合剪力墙的滞回性能，具有较高的计算精度，可为结构体系中组合剪力墙的抗震分析提供参考。（6）在试验研究、数值计算和理论分析的基础上，提出了外包钢板-混凝土组合剪力墙的设计方法。主要包括组合剪力墙一般设计规定、抗弯刚度计算、变形验算、轴压比限值、极限承载力、连接件设计以及构造措施等。设计方法与现行规范紧密结合，可为该类剪力墙的设计提供参考，方便工程师使用。