余晓云，叶剑标

(亳州职业技术学院，安徽 亳州 236800)

0 引 言

随着中国经济的不断发展，建筑行业的不断兴起，建筑行业用超高层建筑逐渐替代了低层建筑，用增加高度的方法来扩大居民使用面积[1]。超高层建筑指的是40层以上、高度100 m以上的建筑物，超高层建筑工程在施工过程中存在着较大的难度，同时对其质量的要求也更加严苛[2]。

相对于低层建筑，超高层建筑所承受的风力、压力等都会更大，因此超高层建筑工程中所用到的材料就要具有较强的抗压性和抗弯性，所以大多数的超高层建筑工程中选用的是剪力墙[3-4]。剪力墙由于具有较强的抗风性和抗震性，也被称为抗震墙或抗风墙，按照剪力墙的结构将其分为平面剪力墙和筒体剪力墙[5]。平面剪力墙一般用在钢筋混凝土的框架结构当中，通过增加结构的刚度和强度来达到抗倒塌的目的。然而这种剪力墙虽然拥有抗震力和抗压力强的特点，但存在着抗弯性差的问题。当强大的外界压力作用在抗弯性差的剪力墙上时，剪力墙会发生墙体弯曲现象，当弯曲达到一定程度，就会使墙体产生裂缝，甚至断裂。为了改善超高建筑工程当中存在的此类问题，需要从根本上对其进行控制。长时间的研究发现，传统的剪力墙抗弯控制方法存在着效率低、效果不明显等问题，因此需要在传统控制方法的基础上对其进行优化，以此来提高超高层建筑工程中剪力墙的抗弯性。

1 剪力墙原材料配比

制作剪力墙的主要成分为混凝土和钢板，因此在制作剪力墙时为了达到一定程度的抗弯性，需要对原材料的配比进行整改。所用混凝土的原材料、规格以及数量见表1。

表1 剪力墙混凝土原材料参数

通过表1中混凝土的原料使用数据可以推断出混凝土原料的使用配比为水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶矿粉∶外加剂=20∶12∶6∶2∶15∶0.7。接着需要对剪力墙当中钢含量的配比进行计算，将剪力墙中的总含钢量用公式(1)来表示。

M=∑mn+∑m′n+∑mm+M0

(1)

由于剪力墙的抗弯强度受到多个因素的影响，所以在计算钢含量的配比时，需要将影响因素考虑其中，因此在公式(1)当中加入影响比率，则可以将公式(1)转换为公式(2)来表示。

(2)

mm=m′s×m′h

(3)

针对非对称性的超高层建筑，其含钢量的配比可以通过公式(4)来计算。

(4)

式中m′s为非对称性超高层建筑的含钢量配比净增价值，N′s为建筑非对称性级别， 若超高层建筑工程的建筑使用完全对称的结构， 则其剪力墙N′s的值取为0， 较小非对称性建筑N′s的值为l， 而一般非对称性建筑N′s的值为2， 严重非对称性建筑值为3。 公式(4)中β代表的是单位增加含钢量。除此之外，超高层建筑的高度同样也会决定含钢量的含量配比，建筑高度含钢量的计算，如公式(5)所示。

(5)

将公式(4)和公式(5)代入公式(3)当中，并与公式(2)联合求解，即可得到剪力墙含钢量的配比。

2 剪力墙结构控制

超高层建筑工程剪力墙的内部结构如图1所示。

图1 剪力墙内部结构

在此结构上，以内嵌钢板作为纵方向，鱼尾板作为横方向，建立坐标系，以此作为剪力墙结构控制的基础。在坐标系上对剪力墙进行受力分析[7-8]。从图1可以看出，混凝土墙板可以通过耗能承力钢板传递竖向力和侧向力，剪力墙多承担的作用力首先从边缘约束梁柱传递到角钢的位置，再由角钢通过高强承压型螺栓和焊缝传递至耗能承力钢板，最后由耗能承力钢板传递至预制混凝土墙板。从这样的受力传递机制可以看出，剪力墙抗弯的承载力是由边缘梁柱、内嵌钢板和混凝土墙板3个部分提供的，超高层建筑工程中的剪力墙抗弯力用公式(6)来表示。

F=Fz+Fs+Fc

(6)

式中Fz、Fs和Fc分别表示的是3个结构承担的抗弯力，其中内嵌钢板的抗弯承载力可以表示为

Fs=λFtwbw

(7)

公式(7)中λF为钢材的抗弯强度，tw为内嵌钢板厚度，bw为内嵌钢板宽度[9-10]。剪力墙柱子抗弯承载力计算公式为

(8)

同时

(9)

(8)式和(9)式中Mx表示的是边缘约束柱子的抗弯承载力，λF为钢材的抗弯强度，γx为塑性发展系数， 另外2个参数Wx和Hz分别表示的是钢截面的面积和计算的高度。在剪力墙的弹性范围内，混凝土墙板的变形集中在耗能承力钢板开孔薄弱的位置，因此耗能承力钢板开孔的部位首先进入抗弯耗能，作为建筑工程当中抗弯的第一个直接结构[11]。耗能承力钢板的薄弱位置会因结构变形程度的提升而产生大变形屈服耗能，此时内嵌钢板达到剪切屈服强度变形，共同构成抗弯第二结构。使边缘约束梁柱达到塑性变形，由此完成超高层建筑工程剪力墙的多道抗弯防线。

3 极限弯矩承载力计算

通过对极限弯矩承载力的计算来控制剪力墙抗弯的范围，首先对剪力墙板弯曲开裂强度进行计算，计算方法如公式(10)所示。

(10)

式中ρt表示的是墙身垂直配筋率，ρc为边柱或端柱纵筋配筋率，N表示的是墙的横截面惯性弯矩，n为钢筋与混凝土弹性模量之比[12-13]。α1和α2为系数常量，hw为剪力墙面的高度。计算得到各剪力墙的弯曲开裂强度进而可得剪力墙的弯曲开裂荷载值。

4 实验分析

4.1 实验目的

为了验证此剪力墙抗弯控制方法的效果进行实验，在同样的尺寸、配筋率、原材料配比的条件下，使用不同的方法来控制剪力墙的抗弯能力，并对制作出的剪力墙进行抗弯实验。

4.2 实验数据来源

此次实验所用到的实验数据来源于中建自产的某个超高层建筑工程的项目数据，按照该工程当中的项目数据制作相关的实验对象。

实验对象分为3种不同厚度的剪力墙，第一组MSFRC层厚度为0，编号为1，将其作为基本参照。第二组MSFRC剪力墙层厚度为50 mm，从边裂纹转变为内部偏心裂纹的角度，MSFRC只需要布置在受拉区边缘有一定的厚度即可。为了保证该剪力墙的使用寿命，钢筋与混凝土之间应保证有足够的有效锚固范围。第三组的实验对象设定的厚度为1/3的墙高。除剪力墙的厚度外，其他数据设定如表2和表3所示。

表2 剪力墙混凝土参数

表3 剪力墙钢筋参数

4.3 实验对象制作

根据现行的混凝土结构设计规范和结构设计原理相关内容，按照项目数据中的尺寸制作实验对象，为了保证实验顺利进行，需要在剪力墙的钢筋上设置保护层，其厚度为25 mm。首先对构成剪力墙的钢筋骨架和模板进行制作，为避免实验中的高温对B500C高强钢筋有影响，钢筋的切割方式选择机械切割，在实验所用的剪力墙模板上的三分点处施加横向钢丝，避免浇筑混凝土后侧模因刚度不足而发生变形、爆模。按照控制方法中原材料的配比制作混凝土材料，按照控制方法当中的结构，生成所需的实验对象。

4.4 抗弯实验对比过程

分别使用传统的剪力墙抗弯控制方法和设计完成的剪力墙抗弯控制方法制作不同的实验对象，实验当中除了控制方法不同外，其他参数保证一致。为了验证剪力墙的抗弯能力，对制作出的实验对象施加外界压力，将施加的压力数值与剪力墙的变化情况记录下来，并进行对比得出实验结果。

4.5 实验结果及分析

对比两种控制方法对承载能力与变形性能的统计结果，得出实验对比曲线(图2)。

图2 实验结果对比

从图2可以看出，在同样的外界压力下，传统方法控制下的剪力墙变形程度更高，且在压力为400 mm时就已经出现了变形现象，而优化的控制方法在压力为600 mm时，才开始出现剪力墙变形情况，且变形程度相比于传统控制方法更小。因此本文设计的剪力墙抗弯控制方法在超高层建筑工程当中制作的剪力墙的变形情况不明显，且承重能力和抗弯能力更强。

5 结论与讨论

超高层建筑作为现阶段中国使用率最高的建筑类型，在性能方面受到了极大关注，中国的建筑行业为了能够提高建筑中剪力墙的应用性能，从抗震性、抗弯性等多个方面进行研究，经过长时间的实验验证与分析，发现优化的剪力墙抗弯控制方法可以有效地解决此类问题，并具有较高的使用性能。另外，有效控制剪力墙的抗弯能力，不仅需要考虑设计方面，更要对超高建筑工程施工的过程进行控制，控制施工工人制作剪力墙的技术和工艺，做好剪力墙的养护工作也可以在一定程度上提高剪力墙的抗弯能力。