陈曦

摘 要： 高层建筑是近现代经济发展和科学进步的产物。由于高层建筑需要有较大的侧向刚度， 因此设计中， 抗侧力结构的设计是关键。基本的抗侧力结构体系有以下三种：梁柱刚接的纯框架结构、框架-支撑结构和框架-剪力墙结构。在过去30多年， 关于钢板剪力墙的试验研究和分析都表明钢板剪力墙有较大的弹性初始刚度、大变形能力和良好的塑性性能、稳定的滞回特性等特点。钢板剪力墙已成为一种非常具有发展前景的高层抗侧力体系，已经在全球范围内的高设防烈度区建筑上得到广泛应用。

关键词： 钢板剪力墙；抗侧力；抗震；屈曲耗能；发展

一、钢板剪力墙技术概述

钢板剪力墙是以钢框架为基础内嵌钢板的结构体系，主要用于抵抗风或横向地震力等侧向力产生的层间剪力和倾覆弯矩，可以有效控制结构的水平侧移。钢板剪力墙本身只承受水平作用，并为整个结构体系的侧向刚度提供部分抗剪刚度，竖向力作用完全由周边的框架柱承担，并且钢框架承担水平荷载引起的部倾覆力矩和部分水平剪力，在整个结构体系的抗推刚度中，钢框架提供部分抗剪刚度和全部整体抗弯刚度，钢板剪力墙结构是非常理想的抗侧力构件。钢板剪力墙可视为一个竖向放置底端固支的悬臂薄腹板梁结构，框架柱相当于梁的翼缘，框架梁相当于板梁的横向水平加劲肋，内填板相当于梁腹板，但钢板剪力墙周边框架的刚度远大于梁翼缘的抗弯刚度如图1示，为充分利用周边框架对内填板的嵌固作用，通常将内填钢板水平向满跨布置，竖向通高布置。

二、钢板剪力墙技术发展历程

自20世纪80年代以来，钢板用于剪力墙结构最早出现在美国。钢板作为剪力墙的加强构造来提高剪力墙的强度性能。钢板剪力墙起步的时间点较晚，在经历了30多年的发展，钢板剪力墙也经历了从无到有，结构上从简单到复杂的发展过程。钢板剪力墙的发展，也代表了现代剪力墙技术发展的过程，成为了现代剪力墙抗侧体系和抗震技术的十分重要的标志性技术。

1、国外发展历程

20世纪80年代以前，剪力墙普遍采用钢筋混凝土结构或者各类砌块构成的剪力墙结构，由于钢筋混凝土和砌体结构的延性较差，在较大的风荷载或地震荷载下，剪力墙结构因缺少有效的抵抗能力，因此很容易发生坍塌现象，造成人员以及财产的严重损失。尤其在较高层建筑结构中，这种现象尤为突出。而钢板有较大的弹性初始刚度、大变形能力和良好的塑性性能、稳定的滞回特性等特点，钢板运用于剪力墙结构也成为人们解决上述问题努力尝试的途径。

1971年8月，美国惠灵匹兹堡钢铁公司申请了一份关于钢板运用于剪力墙的发明申请，其将钢板设置在墙体表面的一侧，作为墙体壁的骨架结构，使钢板构件与混凝土剪力墙结合一体，以达到增加混凝土剪力墙强度等性能，为后来的钢板剪力墙发展奠定了基础。（图2）

1995年日本开始提出了竖缝钢板剪力墙，其关键构造是在两侧开缝钢板剪力墙的基础上，把整块钢板分割成一系列柱状板条，板条类似受弯小柱一样工作，从而将墙板的变形由剪切转化为弯曲，希望以此提高墙板的延性。这种结构抗侧刚度很小，侧向承载力也不大。

随着钢板剪力墙的发展，组合钢板剪力墙也应运而生。组合式钢板剪力墙是在钢板一侧或两侧现浇钢筋混凝土， 两种材料通过内嵌钢板上预置的剪力钉组成一体，钢板外包混凝土墙板，可以起到防火、保温、隔声等作用，减少了后续工作量，降低了工程造价。所谓传统组合墙，是指混凝土墙板与周边框架紧密接触，不留缝隙，不足之处在于混凝土墙板刚度大，侧移很小时角部就与框架相互挤压，从而开裂或压溃，由此过早破坏并退出工作。改进型组合墙的特点在于，根据结构在大震下的侧移，现浇混凝土墙板与周边梁、柱间预留适当的间隙，避免过早与框架接触而损坏。

图3是全球历年来钢板剪力墙专利申请量，其可以分成四个阶段。第一阶段是钢板剪力墙起步阶段（1970-1982年），钢板剪力墙处于研究、试用阶段。最早的钢板剪力墙专利申请出现在1970年。但之后12年里，每年的申请量不超过10件。第二阶段是稳步发展阶段（1982-1998年），专利申请保持着稳步的增长，从1982年的1件增长到1998年53件。第三阶段是缓慢发展阶段（1998-2003年），这期间由于受材料及理论研究的限制，钢板剪力墙发展较为缓慢。第四阶段是快速发展阶段，新的理论研究及材料的运用同时高层建筑的广泛建设使得钢板剪力墙快速发展起来。自2004年起钢板剪力墙技术专利申请呈现良好的增长趋势，至2012年高达136件（数据可能与实际存在差距）。

2、国内发展历程

我国钢板剪力墙的发展，至今已有接近二十年的历史。我国从20世纪90年代初开始研制将钢板运用于剪力墙结构构件中，经过近20年的快速发展，我国的钢板剪力墙技术水平已经达到国际先进水准。

1999年， 由北京华洋建设开发有限公司申请了我国第一个将钢质连接件预埋于剪力墙中的中高层抗震结构体系专利申请（CN1260436A）。这标志着钢质板状结构正式运用于剪力墙结构，同时增加剪力墙结构的抗震性能，提高中高层建筑结构的稳定性。这种预埋的钢质连接件的剪力墙是钢板剪力墙的雏形形式，并起到了一定的抗震和稳定的性能。

2005年，清华大学在经过大量的钢板剪力墙的試验和理论研究的基础上申请了我国重要的钢板剪力墙技术专利——防屈曲耗能钢板剪力墙（CN1603539A）。这表明我国正式开始钢板剪力墙技术领域的实际运用。该技术方案对国外传统的钢板剪力墙进行改进，其加入了我国建筑专家对钢板剪力墙的灵活运用，也为新型钢板剪力墙的发展奠定了基础。

清华大学 钢板剪力墙（CN1603539A）

清华大学在国外钢板剪力墙先进技术的基础上进行进一步改进，形成我国现代新型的组合型钢板剪力墙。这也表明我国的钢板剪力墙技术虽然起步较晚，但发展迅速，技术革新程度较高，由理论研究指导实践也成为我国钢板剪力墙领域的一大特点。

通过钢板剪力墙的技术改进和迅速发展，大大提高了国内钢板剪力墙的生产制造和建筑实际运用，缩小了我国钢板剪力墙生产制造与国际先进技术的差距，提高了我国钢板剪力墙的设计和实际施工技术，极大地促进了国内钢板剪力墙整体水平的提高。

3、发展历程及结论

随着高层钢结构的广泛应用，钢板剪力墙良好的抗剪与抗震能力将得到研究人员以及工程师的广泛认识。钢板剪力墙领域缺乏统一的标准准则，我国多高层钢板剪力墙体系的研究时间短、深度不够，还需要在试验和研究方面做大量的工作，尤其针对我国抗震设防高烈度地区，以指导我国相应规范的制订和完善。

三、钢板剪力墙技术发展方向

钢板剪力墙技术的飞速发展大大促进了建筑结构体系抗震技术的进步，钢板剪力墙技术的運用也在不断推广和创新，并且随着理论研究的不断深入，钢板剪力墙的抗侧体系仍在不断地采用新理论、新技术、新工艺、新材料，以改进结构，提高性能，例如组合式钢板剪力墙、钢箱型钢板剪力墙等新结构的不断出现，使钢板剪力墙在中高层建筑结构体系中的应用前景不断扩大。目前，钢板剪力墙的技术发展的趋势是向组合式、轻量化、环保安全等方向发展

a.组合式钢板剪力墙

为满足建筑形式的多样化以及高层和超高层建筑的日益增加，建筑对抗地震、抗风荷载的要求也越来越高。钢板剪力墙的抗侧力性能直接影响其应用和实践的效果，为了满足更大的抗侧力需要，从而提高钢板剪力墙的抗侧力性能，钢板剪力墙也逐渐发展出组合式钢板剪力墙的形式。组合式钢板剪力墙抗震和抗风荷载性能相较之下更稳定，更能满足超高层建筑的抗震需求。这也是钢板剪力墙今后一段时间发展的重要方向，其相应的试验研究也是各个高校和研究所重点的研究方向。

b.轻量化

钢板剪力墙虽然有着较大的弹性初始刚度、大变形能力和良好的塑性性能、稳定的延性特性等特点，能为建筑结构提供抗侧力，在建筑结构承受水平向荷载的情况下，内嵌钢板利用其强度提供给结构水平向的抗侧力，同时当水平向荷载超过钢板的屈服强度时，钢板良好的塑性性能、稳定的延性特性可继续为建筑结构提供耗能，保证建筑结构在较大的水平向荷载中保持良好的稳定性能，但是其较大的自重，施工、安装、焊接的较为困难也阻碍了钢板剪力墙的推广应用。因此，钢板材料的轻量化以及合金材料的运用是钢板剪力墙的另一个发展的方向，在轻量化的钢板材料应用下，钢板剪力墙可以更加方便施工、安装等工艺步骤，为建筑的修建带来重大的影响。

c.安全环保

随着钢板剪力墙越来越多的运用于建筑结构体系中，安全环保的问题也越来越多的被人们关注。钢板材料的耐火性较差，而钢板焊接安装的过程中会产生大量的热量，而且钢板按照设计安装时会切割而产生大量的小块废弃钢材，同时也造成了环保问题。因此，耐火材料的运用以及其影响也是今后钢板剪力墙的发展研究方向。同时，减少钢板材料的浪费以及统一的设计规范也是钢板剪力墙实际应用的重要环节。■

参考文献

[1]浅析钢板剪力墙的几种分类及特点， 罗伟华，《建筑工程》.

[2]组合钢板剪力墙的发展与研究现状， 彭晓彤，《济南大学学报》，2012年第26卷第1期.

[3]钢板剪力墙的发展及应用范围， 曹旭东，《辽宁建材》，2011年第10期.