傅文君
浙江振丰建设有限公司
摘要：针对高层建筑结构中应用钢板剪力墙展开研究工作，首先针对现有对于钢板剪力墙的研究现状进行统计与概括，并对钢板剪力墙的实际工作效能以及破坏作用机理作出分析，从理论角度出发剖析其建筑应用能力。并采用有限元建模分析的方式，建立钢板剪力墙应用于钢材建筑的实际分析模型，探究钢板剪力墙在均布分散于高层结构体系中时的内力变化规律与结构整体塑性铰分布桂规律，为钢板剪力墙在高层建筑结构中的应用作出有效的分析指导。
关键词：高层建筑；钢板剪力墙；工作机理；数值分析
Numerical Analysis of Working Mechanism and Bearing Capacity of Steel Plate Shear Wall in High-Rise Building Structure
Abatract：the research on the application of steel plate shear wall in high-rise building structure is carried out. Firstly, the current research status of steel plate shear wall is summarized, and the actual working efficiency and damage mechanism of steel plate shear wall are analyzed, and the architectural application ability of steel plate shear wall is analyzed from the theoretical perspective. And with the method of finite element modeling analysis, build a practical analysis model of steel plate shear walls used steel construction, explore the steel plate shear wall in uniform dispersion in high-rise structure system of the internal force variation law with cassia whole structural plastic hinge distribution rule, for the application of steel plate shear wall in high-rise building structure to make the analysis of the effective guidance.
Keyword：high-rise buildings; steel plate shear wall; working mechanism; numerical analysis
自国家提出第一个五年计划开始，社会经济发展就步入了快速迈进阶段，同时城市化进程也进入了白热化阶段，大型城市朝着超级城市发展，中小型城市也不断吸纳周边的人口进行扩张发展，这就使得城市的规模扩大，城市中的建筑物与人口密度增长使得土地资源越来越紧张与匮乏，尤其是城市繁华中心区域的土地资源更是寸土寸金，这样的发展境况就催生了建筑物面向更高的空域发展，以此获得单位土地面积中的最大空间利用效率。近年，超高层建筑物在数量和高度上不断突破记录，主要由于新型建筑结构新式、高性能材料以及不断创新的施工技术的运用[1]。
对于现有高层建筑结构，主要采用框剪结构，这种结构的好处是可以在一定量的材料用量方面得到较好的抗侧向变形的能力。但是由于传统框剪结构使用的是钢筋混凝土材质，其本身的自重会比较大，同时混凝土的自身延展性会有一定的极限范围，并不能很好的与钢筋在较大变形区间内协调工作，所以钢筋混凝土结构即使在新型的结构基础上，其建筑高度也会存在一定的局限性。所以根据现有混凝土框剪结构的缺点，钢板剪力墙结构逐步应用于高层建筑结构上，相比于传统的混凝土框架剪力墙结构，钢板剪力墙结构拥有更加出色的延性与抗剪强度，在受到地震作用影响时，其结构对于地震效应产生在结构中的能量消耗与阻滞作用更为优异。同时相比较于其他高层建筑中较多采用的结构来讲[2]，钢板剪力墙的自重较轻，在同等结构强度的前提下，钢板剪力墙结构采用更少的原材料，更为节约用材，其经济效益更为突出。
介于钢板剪力墙出色的结构性能与经济优势，本文就高层建筑结构中应用钢板剪力墙展开研究工作，首先针对现有对于钢板剪力墙的研究现状进行统计与概括，并对钢板剪力墙的实际工作效能以及破坏作用机理作出分析，从理论角度出发剖析其建筑应用能力。并采用有限元建模分析的方式，建立钢板剪力墙应用于钢材建筑的实际分析模型，探究钢板剪力墙在均布分散于高层结构体系中时的内力变化规律与结构整体塑性铰分布桂规律，为钢板剪力墙在高层建筑结构中的应用作出有效的分析指导。
1 钢板剪力墙的应用现状与相关研究
钢板剪力墙是应用于高层建筑结构中较为出色的承载力构件，由于高层建筑结构特殊的结构形式，主要受到水平向荷载的作用，随着高度的增加，水平荷载的破坏作用会被放大，而钢板剪力墙的出现很大程度上弥补了传统钢筋混凝土剪力墙在较大荷载作用下易发生脆性破坏的缺点[3-4]。
现有学者对于钢板剪力墙的研究主要集中在现场试验、理论计算与室内试验。
2 钢板剪力墙的工作效能与作用机理
2.1 钢板剪力墙的一般构造
现有使用较多的钢板剪力墙主要是通过多种连接件（栓钉，如图1、对焊钢板、T型加劲肋、对拉螺栓等）将外侧的钢板与内部的混凝土连接成为一个整体，通过上述的连接构建使得混凝土与钢板之间不产生滑移变动，这样的构造使得钢板在受到较大的挤压外力时，内部的混凝土可以提供足够的抗压强度，当内侧的混凝土受到较大的拉力时，外侧的钢板可以提供足够的抗拉强度，尤其是在受到横向剪力作用时，当外侧的钢板受剪变形时，内部的混凝土受到挤压力，而混凝土优异的抗挤压变形能力可以保证外侧钢板不会由于过大变形而屈服。对于钢板剪力墙外侧采用的钢板，其厚度根据相关规范至少要大于1cm，同时剪力墙的整体厚度也不宜超过80cm，由于剪力墙厚度较厚的话，内部混凝土与外侧钢板的协调变形就会大打折扣，若必须达到指定厚度，就需要再剪力墙外侧布置纵横向的钢筋保证钢板剪力墙的整体安全与稳定。
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图1 钢板剪力墙内部栓钉
对于钢板剪力墙外侧钢板的厚度与内部混凝土的厚度也有一定的要求，两者的比值需要保证在25~100之间，这样才能充分发挥两种材料在此种结构形式下的材料性能；
对于内部的对拉螺栓与栓钉等连接构建之间的间距与内部混凝土的厚度也需要满足一定的比值关系[5]，具体可参见钢板剪力墙规范。
1.2 钢板剪力墙工作机理
钢板剪力墙的作用机理与钢筋混凝土结构的作用机理类似，都是钢筋与混凝土之间的相互协调变形来抵抗外力作用。
钢板剪力墙主要通过内部的栓钉与对拉钢筋等连接构件来达到协调变形的目的。因为外侧的钢板具有较高的强度和可塑性，当内部的混凝土在受到外力作用时达到变形屈服时，外侧的钢板可以利用自身良好的柔性变形能力增大钢板剪力墙的抗侧力峰值，也就是当钢板剪力墙发生开裂的外力值要明显高于传统混凝土剪力墙。钢板、混凝土、内部连接件三者保持较好的协调变形效果，可以大幅度提升局部构件和整体结构的承载能力[6]。
假设结构受到的外界荷载的大小呈现线性增长的趋势，当荷载达到一定数值时，内部混凝土就会发生开裂现象，此时外部的钢板就承担了大部分的荷载作用，当裂缝越大，钢板承受的力就越大，此时大面积的外包钢形式就发挥出强度优势，而钢材优异的受力特性就大幅度提高了构件整体的承载能力。
3 钢板剪力墙承载力数值分析
本部分采用MIDAS Gen三维有限元软件模拟加劲肋的钢板剪力墙在高层建筑结构中的实际受力特性以及结构塑性铰的生成规律。
3.1 数值建模
采用的工程案例为一栋多层住宅公寓楼，除去底层与顶层，其余都为标准层结构，每层高度假定为3m，钢板剪力墙的钢板厚度底层为最厚18mm，依次往上逐步递减，8层以上均为8mm。标准层的平面布置如下图所示
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图4 钢板剪力墙位置示意
3.2 录入荷载
在软件中通过定义反应谱与反应谱工况的方式将地震荷载作用施加于主体结构上，如图5。
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图5 地震荷载定义示意图
完成荷载录入工作后整体的高层建筑结构钢板剪力墙建模工作完成[7-8]，后续可以直接交由软件进行地震荷载加的结构物变形分析。
3.3 结果导出
以下导出的结果图为钢板剪力墙普通位置的正应力云图与钢板剪力墙加劲肋位置的正应力云图。可以明显地看出在加劲肋的位置应力得到区块化分摊，在加劲肋的部位出现应力集中的现象。
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4 结论
文中就高层建筑结构中应用钢板剪力墙展开研究工作，首先针对现有对于钢板剪力墙的研究现状进行统计与概括，并对钢板剪力墙的实际工作效能以及破坏作用机理作出分析，从理论角度出发剖析其建筑应用能力。并采用有限元建模分析的方式，建立钢板剪力墙应用于钢材建筑的实际分析模型，探究钢板剪力墙在均布分散于高层结构体系中时的内力变化规律与结构整体塑性铰分布桂规律，为钢板剪力墙在高层建筑结构中的应用作出有效的分析指导。
参考文献
[1] 朱立猛, 周德源. 钢板混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究及有限元分析[J]. 结构工程师, 2013, 29(4): 153-158.
[2] 朱秀云, 林皋, 潘蓉, 等. 基于荷载时程分析法的钢板混凝土结构墙的抗冲击性能敏感性分析[J]. 爆炸与冲击, 2016, 36(5): 670-679.
[3] 朱秀云, 潘蓉, 林皋, 等. 基于荷载时程分析法的钢筋混凝土与钢板混凝土墙冲击响应对比分析[J]. 振动与冲击, 2014, 33(22): 172-177.
[4] 彭辉, 裴晓阳, 陈实, 等. 延性金属动态拉伸断裂的损伤演化研究[J]. 中国科学: 物理学力学天文学, 2017, 47(7): 8-18.
[5] 赵唯以, 郭全全. 低速冲击下双钢板混凝土组合墙的力学性能研究[J]. 土木工程学报，2018, 51(11): 88-94.
[6] 谭平, 林裕辉, 周福霖. 开菱形孔钢板剪力墙受力性能研究[J]. 建筑结构学报, 2016, 37(9): 117-125.
[7] 钢及钢产品力学性能试验的取样位置及试样制备: GB/T 2975—2018[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2018.
[8] 林裕辉. 开菱形孔钢板墙力学性能研究[D]. 广州: 广州大学, 2017.