段坤朋 徐 晗 陈慧娜 龚永庆

（1.浙江中天恒筑钢构有限公司，杭州 310008；2.中天建设集团有限公司，杭州 310005）

0 引 言

钢结构住宅是以钢结构作为主要结构的住宅系统，以优异的抗震性能、高度的工业化和集成化等优点而著称，多高层钢结构住宅产业化是今后发展的重要方向［1-2］。

在多高层钢结构住宅项目应用过程中，常用抗侧力体系有组合剪力墙、钢支撑、钢板剪力墙等［3］。组合剪力墙用钢量大、施工工艺复杂，若将钢板设置在混凝土两侧，则混凝土可能造成钢板鼓胀、混凝土灌注不满的隐患。采用钢支撑可降低用钢量［4］，但是钢支撑影响门、窗等洞口的自由设置，并且钢支撑位置需要建筑墙体填充，可能导致墙体超厚，降低得房率。采用钢板剪力墙可以做到与钢支撑用钢量相等或少量的节省［5］，并且洞口可自由设置，但是厚钢板经济性不足，薄钢板的滞回曲线存在捏缩，因此国内常采用加劲钢板剪力墙［6-7］。

位于低烈度地区的多高层钢结构住宅，如果只考虑设计验算，一般选用厚度为4～6 mm的加劲薄钢板剪力墙即可满足设计要求。但是，加劲薄钢板剪力墙的制作难度大，焊接工艺繁琐［8］，并且《钢板剪力墙技术规程》（JGJ/T 380—2015）对钢板剪力墙面外变形的验收要求为h/1000（h为钢板剪力墙高度），而加工完成的钢板剪力墙面外变形高达h/500～h/300，难以满足规范要求。项目应用过程中，只能通过增加钢板剪力墙厚度的方式以降低技术门槛，造成直接成本增加。

杭州某钢结构住宅项目的建筑高度为99.8 m，采用钢框架-钢板剪力墙结构体系，加劲钢板剪力墙厚度为4～6 mm。若采用传统制作工艺，则面外变形高达30 mm，无法满足规范要求。本文结合工程实例提出一种新型制作工艺，通过试验研究新型工艺对加劲薄钢板剪力墙抗剪性能的影响，并对项目应用关键技术进行优化总结，可供同类工程借鉴。

图1 加劲钢板剪力墙Fig.1 Stiffened steel plate shear walls

图2 杭州某钢结构住宅项目Fig.2 A steel structure residential project in Hangzhou

1 工艺改进

常用的平板拼接工艺是对钢板的接缝直接进行坡口熔透焊，当板厚较薄时，拼接处容易出现残余变形大、观感质量差的缺陷。

经过工艺试验改进，提出新型制作工艺：在钢板一端弯折约20 mm形成弯折结构，在钢板另一端根据加劲肋设计尺寸进行3次弯折形成凹形结构，然后将一块钢板的凹形结构与另一块钢板的弯折结构首尾搭接形成加劲肋钢板剪力墙（图4），使加劲肋与钢板剪力墙整体折弯成型。焊缝数量由3道（图3（a））减为2道（图5），钢板自身折弯形成加劲肋，整体性更好，减小焊接残余应力和变形，效果显著。

图3 传统平板拼接工艺与加工效果Fig.3 Traditional plate splicing technology and processing effect

图4 新型制作工艺拼接单元Fig.4 New manufacturing process splicing unit

图5 新型制作工艺焊缝示意图Fig.5 Weld diagram of new manufacturing process

2 试验研究

2.1 焊缝拉伸试验

采用不同焊接方式、不同焊接材料分别制作钢板厚度为3～6 mm的试件，共制作60个试件进行焊缝拉伸试验。试件断裂位置均在焊缝范围以外，且每个试样的抗拉强度值均大于母材的标准抗拉强度下限值370 N/m2。

试验结果表明，新型制作工艺的焊接工艺可行，并确定采用药芯焊丝作为焊接材料。

图6 试件的破坏形态Fig.6 Failure modes of specimens

图7 不同厚度试验构件的抗拉强度值统计Fig.7 Statistics of tensile strength values of test members with different thickness

2.2 抗剪性能试验试件设计

根据焊缝拉伸试验结果，结合项目应用和试验设备情况，设计4个足尺试件进行低周反复荷载试验，主要设计指标和研究目的如下：

（1）焊接工艺：全部采用新焊接工艺，加劲肋尺寸C80×50×4，钢板墙残余变形以实测为准，以研究采用新型制作工艺对钢板墙抗剪性能的影响。

（2）钢板墙尺寸：厚度为4 mm，高度为250 mm，宽度为3 300 mm（SJ-1、SJ-2）、2 500 mm（SJ-3、SJ-4），材料为Q235B，以研究不同宽高比对钢板墙抗剪性能的影响。

（3）框架截面尺寸：框架梁为H400×160×8×10，框架柱为 B400×300×10（SJ-1、SJ-3）、B500×300×16（SJ-2、SJ-4），材质为Q345B，以研究不同框架抗侧刚度对钢板剪力墙抗剪性能的影响。

为更接近工程实际应用状态，在钢板墙底部浇筑120 mm厚的混凝土楼板，钢梁设置面外支撑，钢板墙四边与框架焊接连接，框架梁与框架柱栓焊连接。同时，在试件底部设置地梁，便于锚固于试验室地面，试件设计图如图8所示。

图8 试验试件设计图Fig.8 Design drawing of test specimen

各试件的焊接残余变形实测最大值分别为8 mm、8 mm、7 mm、8 mm。

2.3 抗剪性能试验结果

2.3.1 试件破坏形态简述

在低周反复荷载下，4个试件均未发现新型制作工艺焊接位置的破坏。试件破坏过程基本相似：钢板墙屈服→钢梁端部屈服→钢柱柱脚屈服→钢板墙撕裂。其中，首次试验的SJ-2试件因钢梁面外支撑设置不合理，导致钢梁提前破坏，其余试件均调整钢梁面外支撑措施，避免对试验的影响。试验照片如图9所示。

图9 试件加载过程与破坏形态Fig.9 Loading process and failure mode of specimen

2.3.2 滞回曲线

循环荷载作用下结构抗力和变形之间的关系曲线称为滞回曲线，可反映结构在循环荷载下的刚度、延性、耗能能力等力学性能。

如图10所示，SJ-2试件由于钢梁提前破坏，滞回曲线与其他试件有明显不同，不作为判断依据。其余试件的滞回环饱满，表明加劲薄钢板剪力墙承载能力高、耗能能力强，材料强度得到充分利用。

图10 各试件滞回曲线Fig.10 Hysteretic curve of each specimen

2.3.3 骨架曲线

骨架曲线是每级荷载作用下构件滞回曲线的峰值点连接而成的包络线，能反映结构在各阶段的屈服强度、极限承载力等［9］。

如图11所示，从骨架曲线可以看出：各试件在屈服荷载之前，荷载与位移成线性增长关系；屈服荷载之后表现出明显的弹塑性特征；达到极限荷载之后，钢板墙开裂，荷载降低。

图11 各试件骨架曲线Fig.11 Skeleton curve of each specimen

SJ-1与SJ-2、SJ-3与SJ-4的极限荷载对比，说明框架抗侧刚度加大，极限承载力增加。SJ-1与SJ-3、SJ-2与SJ-4的极限荷载对比，说明宽高比增加可提高极限承载力。

2.3.4 承载能力

根据试验结果提取各试件的屈服荷载分别为1 607 kN、1 608 kN、1 304 kN、1 309 kN。

SJ-1与SJ-2的屈服荷载对比，说明框架抗侧刚度对屈服荷载影响较小。SJ-1与SJ-3、SJ-2与SJ-4的屈服荷载对比，说明钢板墙的宽高比增加可提高屈服荷载。

依据设计要求和试件尺寸，计算各试件的抗剪承载力设计值分别为515 kN、515 kN、390 kN、390 kN。

试验屈服荷载与抗剪承载力设计值对比，说明采用新工艺制作的加劲薄钢板剪力墙，即使存在一定的初始变形，其抗剪性能可以满足设计要求。

3 项目应用关键技术

3.1 钢板墙模块的制作与转运

在前文所述新型制作工艺的基础上，改进钢板墙模块，在工厂完成钢板墙与上部H形钢梁的拼接，利用钢梁的刚度减少钢板墙加工变形。改进的剪力墙模块可以减少现场安装吊次，减少现场焊接量，提高焊缝质量。

经过工艺试验和面外变形测量统计，确定钢板墙模块整体焊接顺序为：一个面的拼接焊缝→焊缝自然冷却→角焊缝→钢板与梁焊缝→钢板墙翻身→另一个面的拼接焊缝→焊缝自然冷却→角焊缝→钢板与梁焊缝。焊接采用断续焊，焊缝长度每400 mm间隔200 mm，最后补齐满焊。

图12 钢板墙模块Fig.12 Steel plate wall module

由于钢板厚度较小，在转运、堆放等过程容易因碰撞、挤压等外界因素造成面外变形的增加。因此，剪力墙模块的转运、堆放均采用转运架，使剪力墙模块支撑在转运架，且互相不接触。每个转运架与多个剪力墙模块整体转运，起到成品保护的作用。

图13 整体运输Fig.13 Integrated transportation

3.2 建筑构造

钢结构住宅的保温、隔音、防渗、防裂等使用功能的体验很大程度上取决于建筑围护体系［10-12］。

根据钢板剪力墙室内、室外位置，分别采取干挂幕墙体系与装配式装修体系，以确保钢板剪力墙位置的使用功能，建筑构造如图14所示。

图14 建筑构造图Fig.14 Architectural structural drawing

钢板剪力墙室内一侧采用装配式内装，以干式施工工艺为主。内装及管线等填充体与钢结构分离，降低开裂、渗水风险，提高钢结构住宅综合品质。

钢板剪力墙外立面以多道设防的原则设置防水构造，包括：

（1）幕墙铝板——自身防水，板块拼接位置具有防水对接节点，并涂装防水胶。

（2）落水空间——幕墙铝板与岩棉板之间的空间，水因重力作用在该空间下落，减少到达防水透气膜的雨水量。

（3）防水透气膜——减少墙体表面水的渗透。

（4）防水材料——钢构件过焊孔等位置封堵。

（5）单钢板剪力墙——无缝，自身防水。

图15 装配式内装Fig.15 Prefabricated decoration

4 结语

结合工程实例，提出了一种加劲薄钢板剪力墙的制作工艺，使加劲肋与钢板剪力墙整体折弯成型，焊缝数量由3道减为2道，有效减小面外变形，减少制作工艺对加劲钢板剪力墙厚度的限制，从而降低用钢量和直接成本。

图16 钢板墙外立面建筑构造Fig.16 Steel plate wall facade construction

经过工艺试验和抗剪性能试验研究，表明新工艺制作的加劲薄钢板剪力墙的承载能力高、耗能能力强，抗剪性能可以满足设计要求。框架刚度的增加可提高其极限承载力，但对屈服荷载影响较小，高宽比的增加可提高钢板墙的屈服荷载和极限承载力。

在新工艺的基础上，对钢结构住宅项目应用过程中的钢板墙模块制作与转运、建筑构造等关键技术进行优化、改进，可供同类工程借鉴。