一种外包多腔压型钢板内填混凝土组合剪力墙.pdf

本发明涉及一种外包多腔压型钢板内填混凝土组合剪力墙，它由混凝土填充于两块相对设置的压型钢板中，该组合剪力墙中间隔焊接有多块与该组合剪力墙等长的薄钢板，压型钢板的两端分别焊接有钢柱，使该组合剪力墙形成周边封闭的结构；所述压型钢板为波形，薄钢板为等间距焊接。本发明的外包多腔压型钢板内填混凝土组合剪力墙，在两片压型钢板的中间焊接薄钢板充当加劲肋和连接件的作用，闭合的压型钢板对混凝土有较强的约束作用，同时加劲肋的存在提高了压型钢板的稳定承载力，在保证组合墙具有较高的抗压承载力的同时，提高了其变形能力，并且简化了抗剪连接件的构造，提高材料利用率。

1.  一种外包多腔压型钢板内填混凝土组合剪力墙，它由混凝土(3)填充于两块相对设置的压型钢板(4)中，其特征在于：该组合剪力墙(1)中间隔焊接有多块与该组合剪力墙(1)等长的薄钢板(2)，压型钢板(4)的两端分别焊接有钢柱(5)，使该组合剪力墙(1)形成周边封闭的结构；所述压型钢板(4)为波形，薄钢板(2)为等间距焊接；
所述混凝土(3)是由以下重量份的成分组成：水泥350～400份、粗骨料1150～1170份、水140～150份、粉煤灰65～70份、硅灰40～50份、高性能减水剂7.5～9.5份、粗纤维0.1～0.2份、纳米纤维0.1～0.2份、纳米二氧化硅15～20份、多孔细骨料150～180份、非多孔细骨料300～320份、吸水树脂0.5～1份、聚合物乳液10～20份、硬脂酸铝2～3份、二水石膏5～8份、1-羟基环己基苯甲酮0.6～2.4份、煤质炭5～12份、硅烷偶联剂1～1.3份、九水偏硅酸钠1.2～2.0份、酒石酸钾钠0.85～1.25份；
所述粗纤维为多角棱柱沿轴向螺旋式扭转后的形状，长度为35mm～55mm，截面直径或等效直径为0.5～1.0mm，相邻的棱之间的表面是内凹的，所述粗纤维的棱宽为粗纤维截面外接圆半径的5～15％，该粗纤维的制备原料选自聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚酯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚碳酸酯或它们的均聚物、共聚物和填充改性物。

2.  根据权利要求1所述的外包多腔压型钢板内填混凝土组合剪力墙，其特征在于：所述组合剪力墙(1)由受约束的混凝土(3)承受竖向荷载，所述组合剪力墙(1)的上下焊接有钢梁(6)。

3.  根据权利要求1或2所述的外包多腔压型钢板内填混凝土组合剪力墙，其特征在于：所述薄钢板(2)为缀板。

4.  根据权利要求1所述的外包多腔压型钢板内填混凝土组合剪力墙，其特征在于：所述组合剪力墙(1)可嵌入其它组合结构中。

5.  根据权利要求1所述的外包多腔压型钢板内填混凝土组合剪力墙，其特征在于：所述多孔细骨料选自页岩陶粒、粉煤灰陶粒和粘土陶粒中的任意一种或几种，所述多孔细骨料的粒径为0.5～2mm。

6.  根据权利要求1所述的外包多腔压型钢板内填混凝土组合剪力墙，其特征在于：所述的非多孔细骨料选自河砂、机制砂和山砂中的一种或几种，含泥量小于1.5％；所述的粗骨料选自卵石或碎石中的任意一种或其组合，粒径为10～15mm，压碎指标为2.5％～3％，粗骨料中针片状颗粒含量为3％～5％；所述的非多孔细骨料的细度模数为2.5～3.0。

7.  根据权利要求1所述的外包多腔压型钢板内填混凝土组合剪力墙，其特征在于：所述水泥选用42.5级硅酸盐水泥，所述粉煤灰选用优质I级粉煤灰，所述硅灰要求SiO₂含量在94％～95％之间，高性能减水剂的减水率为35％～45％，纳米二氧化硅的平均粒径为11～14nm，杂质含量小于0.1％。

一种外包多腔压型钢板内填混凝土组合剪力墙
技术领域
本发明涉及一种新型的组合构件，属于结构工程技术领域，具体涉及一种外包多腔压型钢板内填混凝土组合剪力墙，其适用于多高层建筑结构。
背景技术
在高层建筑的结构设计中，抗侧力体系的选择成为至关重要的因素。剪力墙是建筑中抵抗水平力的高效结构构件。从最早的砖石、砌体剪力墙，到钢筋混凝土剪力墙、钢板剪力墙，是一个结构向着高强、轻质、高延性、高效施工发展的过程，也是满足建筑物日益高、大、复杂的结构功能需求的过程。钢筋混凝土剪力墙以整体性好、刚度大、侧向变形小以及抵抗风荷载及中小级别地震效果好和防火性能好的优点受到广大设计人员的青睐，但是其自身的缺点(比如刚度过大、延性较小、裂缝产生较早、受力后期以剪切破坏为主、震后很难修复等)严重制约了它的应用，同时钢筋混凝土剪力墙的尺寸和自重都比较大，占用了房屋宝贵的使用面积并且增加了结构基础的负担。一般形式的钢板剪力墙具有很多优点：延性和滞回性能均较好，滞回环稳定，耗能能力强，抗震性能优越；与钢筋混凝土剪力墙相比，钢板剪力墙的尺寸和自重都比较小，地震作用也小，节省了结构占用的空间并且降低了基础的负担；另外，钢板剪力墙减少了支模的工序，节省了混凝土凝结的时间，大大缩短了工期，加快了施工速度。但在实际应用中，为了充分发挥钢板的性能，保证滞回环饱满，使钢板剪力墙受力时能够发生纯剪切屈服破坏，通常需要在钢板剪力墙两侧设置足够的横向和纵向加劲肋，以保证钢板在屈服前不发生整体屈曲和局部屈曲，这大大增加了钢板剪力墙设计、制造和施工的复杂程度；此外，钢板剪力墙的耐火性能也相对较差，需要额外的防火措施，这也增加了造价。
在这种情况下，钢板混凝土组合剪力墙就以其自身的优点脱颖而出。组合钢板剪力墙可以弥补钢筋混凝土剪力墙延性差和钢板剪力墙易屈曲的缺点，取两种材料之长，满足建筑、结构功能一体化的需求和结构性能目标多元化的需求。由此可见，组合墙有着广阔的应用前景。
组合钢板剪力墙是由钢板和混凝土板组成的抗侧力构件，与钢板剪力墙相似，组合钢板墙往往比相同抗剪承载力的钢筋混凝土剪力墙抗剪刚度大，而其厚度和重量均有所减小，可以节省使用空间，并降低基础的费用和减小地震作用。组合墙的提出旨在利用钢板承载力高、延性好、施工快捷和混凝土板刚度大、抗火性能好的优点，两种材料取长补短，形成一种综合性能较优的构件形式。不仅如此，与薄钢板剪力墙得益于屈曲后的斜拉场效应相比，组合墙通过抑制钢板屈曲可以获得以下收益：显著提高其抗剪承载力；通过合理设计可以避免钢板和混凝土在小、中地震中受损，从而可以免去小、中地震后的维修成本；可以避免屈曲带来的巨大噪音，而这种噪音往往成为钢板剪力墙工程应用的一大障碍。
压型钢板混凝土组合剪力墙是由压型钢板和混凝土芯板组成的新型构件。压型钢板～混凝土组合剪力墙的使用旨在利用钢板承载力高、延性好、施工快捷和混凝土板刚度大、抗火性能好的优点，两种材料取长补短，形成一种性能较优的构件形式。但在目前的研究中，发现压型钢板的优势没有得以充分发挥。组合墙板中面板采用薄壁钢板，由于厚度较薄，其局部稳定承载能力不高，因此需要设置连接件或其它措施加强面板的约束，防止其发生平面外鼓曲。
发明内容
针对上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是，提供一种外包多腔压型钢板内填混凝土组合剪力墙，保证组合墙具有较高的抗压承载力的同时，提高了其变形能力，并且简化了抗剪连接件的构造，提高材料利用率。
本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：一种外包多腔压型钢板内填混凝土组合剪力墙，它由混凝土填充于两块相对设置的压型钢板中，该组合剪力墙中间隔焊接有多块与该组合剪力墙等长的薄钢板，压型钢板的两端分别焊接有钢柱，使该组合剪力墙形成周边封闭的结构；所述压型钢板为波形，薄钢板为等间距焊接；
所述混凝土中的组分重量份为：水泥350～400份、粗骨料1150～1170份、水140～150份、粉煤灰65～70份、硅灰40～50份、高性能减水剂7.5～9.5 份、粗纤维0.1～0.2份、纳米纤维0.1～0.2份、纳米二氧化硅15～20份、多孔细骨料150～180份、非多孔细骨料300～320份、吸水树脂0.5～1份、聚合物乳液10～20份、硬脂酸铝2～3份、二水石膏5～8份、1-羟基环己基苯甲酮0.6～2.4份、煤质炭5～12份、硅烷偶联剂1～1.3份、九水偏硅酸钠1.2～2.0份、酒石酸钾钠0.85～1.25份；
所述粗纤维为多角棱柱沿轴向螺旋式扭转后的形状，长度为35mm～55mm，截面的直径或等效直径为0.5～1.0mm，相邻的棱之间的表面是内凹的，所述粗纤维的棱宽为粗纤维截面外接圆半径的5～15％，该粗纤维的制备原料选自聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚酯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚碳酸酯及其它们的均聚物、共聚物和填充改性物。
进一步地，所述组合剪力墙由受约束的混凝土承受竖向荷载，所述组合剪力墙的上下焊接有钢梁。
进一步地，所述薄钢板为缀板，充当加劲肋和连接件的作用，可以承受横向剪力作用。
进一步地，所述组合剪力墙可嵌入其它组合结构中，组合形式多样，应用范围广。
进一步地，所述多孔细骨料选自页岩陶粒、粉煤灰陶粒和粘土陶粒中的任意一种或几种，所述多孔细骨料的粒径为0.5～2mm，多孔细骨料密度小、质轻，能保温、隔热，吸水率低，不仅耐火、抗震性能好，而且抗冻性能和耐久性能也很好。
进一步地，所述的非多孔细骨料选自河砂、机制砂和山砂中的任意一种或几种，含泥量小于1.5％；所述的粗骨料选自卵石和碎石中的任意一种或其组合，粒径为10～15mm，压碎指标为2.5％～3％，粗骨料中针片状颗粒含量为3％～5％；所述的非多孔细骨料的细度模数为2.5～3.0。
进一步地，所述水泥选用42.5级硅酸盐水泥，所述粉煤灰选用优质I级粉煤灰，所述硅灰要求SiO₂含量在94％～95％之间，所述高性能减水剂的减水率为35％～45％，所述纳米二氧化硅的平均粒径11～14nm，杂质含量小于0.1％。
本发明的有益效果：
1.在两片压型钢板的中间焊接薄钢板充当加劲肋和连接件的作用。闭合的压型钢板对混凝土有较强的约束作用，同时加劲肋的存在提高了压型钢板的稳定承载力。在保证组合墙具有较高的抗压承载力的同时，提高了其变形能力。并且简化了抗剪连接件的构造，提高材料利用率。
2.采用的混凝土材料改善了纤维～基材的界面性能，避免使用化学改性手段，工艺流程具有方便可行的优点。
3.通过螺旋型棱线(4)来增大纤维在载荷条件下的拔出阻力，并通过棱线之间的内凹面来增大纤维与基体的接触面积，从而更好地发挥粗纤维的增强增韧作用。
4.将纳米纤维和纳米二氧化硅与其他材料复合应用于混凝土材料中，将大幅度提升混凝土的力学性能和耐久性，具有重大的工程实用价值和显著的技术经济意义。
5.本发明的外包多腔压型钢板内填混凝土组合剪力墙消除了已有压型钢板组合墙缺点，改善了结构的延性，此种组合墙本质上是一种减震措施，在吸收地震能量输入的同时，让组合墙先于柱屈服，将塑性变形限制在组合墙内，从而保证了上部结构的安全，是一种先进的设计理念；它能有效地减震，并且有稳定地滞回耗能性能，避免上部结构和基础破坏的同时，有效地减低了上部结构和下部基础的造价。
附图说明
图1是本发明的结构剖视图；
图2是本发明的整体示意图。
其中，1-组合剪力墙、2-薄钢板、3-混凝土、4-压型钢板、5-钢柱、6-钢梁。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述。
河北省某市的写字楼，核心结构拟采用本发明的外包多腔压型钢板内填混凝土组合剪力墙，墙厚2m，墙长11m。该外包多腔压型钢板内填混凝土组合剪力墙1，它由混凝土3填充于两块相对设置的压型钢板4中，该组合剪力墙1中间隔焊接有多块与该组合剪力墙等长的薄钢板2，压型钢板4的两端分别焊接有钢柱5，使该组合剪力墙1形成周边封闭的结构；所述压型钢板4为波形，薄钢板2为等间距焊接；所述混凝土3中的组分重量份为：水泥350～400份、粗骨料1150～1170份、水140～150份、粉煤灰65～70份、硅灰40～50份、高性能减水剂7.5～9.5份、粗纤维0.1～0.2份、纳米纤维0.1～0.2份、纳米二氧化硅15～20份、多孔细骨料150～180份、非多孔细骨料300～320份、吸水树脂0.5～1份、聚合物乳液10～20份、硬脂酸铝2～3份、二水石膏5～8份、1-羟基环己基苯甲酮0.6～2.4份、煤质炭5～12份、硅烷偶联剂1～1.3份、九水偏硅酸钠1.2～2.0份、酒石酸钾钠0.85～1.25份；所述粗纤维为多角棱柱沿轴向螺旋式扭转后的形状，长度为35mm～55mm，截面的直径或等效直径为0.5～1.0mm，相邻的棱之间的表面是内凹的，所述粗纤维的棱宽为粗纤维截面外接圆半径的5～15％，该粗纤维的制备原料选自聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚酯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚碳酸酯及其它们的均聚物、共聚物和填充改性物。
其中，所述组合剪力墙1中有受约束的混凝土3承受竖向荷载，所述组合剪力墙的1上下焊接有钢梁6；所述薄钢板2为缀板，充当加劲肋和连接件的作用，可以承受横向剪力作用；所述组合剪力墙1可嵌入其它组合结构中，组合形式多样，应用范围广；多孔细骨料选自页岩陶粒、粉煤灰陶粒和粘土陶粒中的任意一种或几种，所述多孔细骨料的粒径为0.5～2mm，多孔细骨料密度小、质轻，能保温、隔热，吸水率低，不仅耐火、抗震性能好，而且抗冻性能和耐久性能也很好；所述的非多孔细骨料选自河砂、机制砂和山砂中的任意一种或几种，含泥量小于1.5％；所述的粗骨料选自卵石和碎石中的任意一种或其组合，粒径为10～15mm，压碎指标为2.5％～3％，粗骨料中针片状颗粒含量为3％～5％；所述的非多孔细骨料的细度模数为2.5～3.0；所述水泥选用42.5级硅酸盐水泥，所述粉煤灰选用优质I级粉煤灰，所述硅灰要求SiO2含量在94％～95％之 间，高性能减水剂的减水率为35％～45％，纳米二氧化硅的平均粒径为11～14nm，杂质含量小于0.1％。
所述的纳米纤维可通过以下方法制得：
1)纳米二氧化钛的选择与改性；纳米二氧化钛为金红石型和锐钛矿型按30∶50的重量比例相混合；纳米二氧化钛的粒径在10～20纳米之间，对纳米二氧化钛粉料进行热处理，在450～500℃下煅烧1.5h，添加非金属离子N改性二氧化钛，得到改性纳米二氧化钛粉料；
2)纳米二氧化钛的分散；首先，热处理后的改性纳米二氧化钛以氧化锆球作为研磨介质，通过球磨进行一级分散，得到纳米二氧化钛浆料；
3)将经过球磨后的二氧化钛浆料进行高温烘干，得到改性纳米二氧化钛光催化剂粉料；
4)将干燥后的改性纳米二氧化钛光催化剂粉料、质量百分比在0.5～1％分散剂混合并采用球磨法进行二次分散，使纳米二氧化钛均匀分布，得到纳米纤维。
组合墙弹塑性有限元模拟分析研究：
压型钢板组合墙在整个受力过程中钢板可能发生屈曲，从而和混凝土分离，这一问题的准确模拟在很大程度上决定了有限元分析结果的精确度。
本发明拟采用通用有限元分析软件ANSYSV10建模分析，为准确模拟组合墙的复杂的非线性受力性能：混凝土拟全部采用SOLID65三维实体单元；压型钢板采用SHELL181单元；抗剪连接件采用八节点六面体单元SOLID45建模分析。钢板和混凝土之间的各个接触面采用接触单元CONTA173来模拟。
关于组合墙的承载力简化计算方法研究：
对压型钢组合剪力墙结构进行弹塑性时程分析，为了能够模拟墙体在弹塑性工作状态下的滞变规则，并且能在计算机程序中得以应用，需要选取一种简便易行的墙单元模型来模拟墙体进入塑性工作阶段的滞回性能，建立组合墙承 载力简化计算方法并选取恢复力模型。拟引用一种可以进行组合墙弹塑性时程分析的宏观墙单元，并分析组成墙单元的各个组件的工作性能，通过试验拟合来建立墙单元内各个组件的恢复力曲线的数学模型模型；并和有限元分析结果、试验结果及采用Hossain方法计算的结果进行对比，验证该简化方法的正确性并加以改进。
本发明在两片压型钢板的中间焊接薄钢板充当加劲肋和连接件的作用。闭合的压型钢板对混凝土有较强的约束作用，同时加劲肋的存在提高了压型钢板的稳定承载力。在保证组合墙具有较高的抗压承载力的同时，提高了其变形能力。并且简化了抗剪连接件的构造，提高材料利用率。采用的混凝土材料改善了纤维～基材的界面性能，避免使用化学改性手段，工艺流程具有方便可行的优点。通过螺旋型棱线来增大纤维在载荷条件下的拔出阻力，并通过棱线之间的内凹面来增大纤维与基体的接触面积，从而更好地发挥粗纤维的增强增韧作用。
将纳米纤维和纳米二氧化硅与其他材料复合应用于混凝土材料中，将大幅度提升混凝土的力学性能和耐久性，具有重大的工程实用价值和显著的技术经济意义。本发明的外包多腔压型钢板内填混凝土组合剪力墙消除了已有压型钢板组合墙缺点，改善了结构的延性，此种组合墙本质上是一种减震措施，在吸收地震能量输入的同时，让组合墙先于柱屈服，将塑性变形限制在组合墙内，从而保证了上部结构的安全，是一种先进的设计理念；它能有效地减震，并且有稳定地滞回耗能性能，避免上部结构和基础破坏的同时，有效地减低了上部结构和下部基础的造价。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。