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剪力墙—支撑结构体系抗震性能及工程应用研究

第1章绪论

1.1课题研究的工程背景

钢筋混凝土剪力墙结构20世纪60年代开始出现，以往框架结构中的梁

和柱用钢筋混凝土墙板来代替，可以承担各类荷载引起的内力，能够有效

控制结构的水平力，这种用墙板承受竖向和水平力的结构被称为剪力墙结

构。

剪力墙结构竖向采用钢筋混凝土墙板，水平方向是钢筋混凝土楼板，因此

它是由一系列纵、横向剪力墙及楼盖组成的空间结构，能够承受竖向荷载

和水平荷载。剪力墙结构刚度大、抗侧力能力强，广泛应用于高层建筑结

构，剪力墙类型主要有整体墙、小开洞整体墙、联肢墙和壁式框架。四种

结构类型中，整体墙结构刚度比较大，墙体对楼面、屋面产生的约束也

大，当结构发生收缩变形时会比其它结构易于出现裂缝，施工工艺及管理

也难以得到有效的控制，使混凝土收缩量增大，从而使结构本身产生更大

的约束应力，造成结构出现裂缝的因素增多，因此更不利于整体剪力墙

工程应用。针对整体墙存在的问题，人们采取了开洞的构造措施，来削弱

墙体的刚度，根据洞口的大小分为小开口剪力墙、联肢墙和壁式框架，小

开洞剪力墙中的连梁易发生剪切破坏，剪切破坏属于脆性破坏类型，导致

整体结构承载力的突然降低，表现为明显的剪切破坏模式，同时，在设计

阶段，短跨梁易发生超筋现象，处理起来较复杂。为了提高墙体的延性，

人们提出了联肢墙结构，联肢墙存在剪切破坏和弯曲破坏两种破坏形态。

剪切破坏属于脆性破坏，能够很快导致联肢墙丧失承载能力，甚至能够造

成结构的突然性倒塌。墙肢也存在弯曲破坏形式，虽然也是一种延性破坏

形式，但是墙肢破坏时变形比较小，相对有抗震设防要求的建筑来说，其

吸收地震能量的能力是有限的。后来人们采用了增加箍筋、增加斜撑等构

造措施改善其延性。吸收钢材延性好的优点，又提出了钢骨混凝土结构，

但是这些措施对提高结构延性的幅度有限。同时剪力墙开洞以后也带来了

较多的问题，不仅带来应力集中现象，同时在开洞的位置形成了连梁，在

设计当中连梁超筋超限问题严重，是一种受力较复杂的构件，连梁在协同

墙肢共同作用方面起着至关重要的作用。在地震中连梁易发生脆性破坏，

丧失对各墙肢的约束作用，各墙肢将成为独立墙片，会大幅度降低结构

侧向刚度，增加墙肢弯矩，加大结构变形，最终造成结构的整体倒塌。近

几年来，一些学者在提高连梁的延性方面也做了不少的研究工作，但是也

没有取得较理想的成果。壁式框架结构的受力特性已接近框架，虽然延性

较好，但是适合多层结构，不能满足高层建筑对剪力墙结构性能的要求。

1.2国内外研究现状

为了弥补剪力墙结构抗震性能方面的不足，国内外专家学者先后提出了很

多改进的方法。

1.2.1开缝剪力墙

为了改善墙体的受力状态，提高结构的延性。日本武藤清教授在1965年

提出在整体墙上设置若干条平行的竖向通缝，提出了带竖缝剪力墙(如图

1-1）的概念，墙体缝隙中的钢筋被截断，中间不填充混凝土和其它材

料。这种开缝措施改善了墙体的受力状态和机理，使剪力墙的受力状态由

受剪切为主转变成以受弯为主，改变破坏特征为延性较好的弯曲破坏形

式，大大提高墙体的延性。这种墙体结构形式在弹性状态下其整体刚度较

高，又能适当的降低在强震作用下时的刚度。虽然结构在受反复荷载作用

时，其变形较大，但是这种结构形式的强度比较稳定，表现出了很好的耗

能能力，被认定为是一种抗震性能较好的结构形式。为了进一步了解这种

结构形式，武藤清教授和后期学者对这种开缝剪力墙做了大量的试验研

究，最终得出能够充分发挥开缝剪力墙受力性能的必要条件--墙体的弯曲

极限承载力不能超过其抗剪承载力，以此来保证墙肢能够发生延性较好

弯曲破坏。但是这种结构形式存在较大的缺点是适合高层框剪结构中的低

矮剪力墙，同时这种结构形式延性及耗能能力的提高是在大大削弱墙体结

构的整体刚度和承载力的前提下实现的。

第2章带防屈曲支撑钢桁架的试验及理论分析

本章建立一二十七层的框剪结构，底层高为4.2m，标准层高为3.6m，剪

力墙洞口宽3m，高2.7m。根据模型的洞口尺寸确定了钢桁架的外轮廓尺

寸，钢桁架腹杆布置形式有多种，考虑到杆件的优化布置，使各杆件受到

的内力更加合理，节约用料，充分发挥其材料强度，做到经济合理，方便

施工，综合考虑以上因素，计算模型采用的钢桁架的斜撑为单斜式。带防

屈曲支撑的钢桁架是剪力墙-支撑结构体系中的关键构件，本课题组取剪

力墙-支撑结构体系中的钢桁架部分，运用拟静力试验来模拟地震作用，

对其抗震性能进行研究。在试验构件设计方面，课题组考虑经济性及试验

结果差异不大原则，