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的工程应用。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，会大幅度降低结构的侧向刚度，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的弯曲破坏。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，以 1:3 的比例缩尺制作两个试验构件:其一是带防屈曲支撑的钢桁架剪力墙支撑试件，其二是单独的防屈曲支撑。同课题组李康同学以 1:2的比例缩尺设计制作了两个试验构件：其一是带防屈曲支撑的钢桁架连梁试件，其二是单独的防屈曲支撑。
2.1 钢桁架试验模型的设计与制作
2.1.1 钢桁架试验模型的设计
我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）规定，在多遇地震下的框架-核心筒结构的弹性层间位移角限值规定为1/800，罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角限值规定为 1/100。本次试验采用的试验模型是 1:3 缩尺，层间位移角大小为规范限值的 1/3。根据以上设计要求，利用结构力学求解器里面的位移法对结构进行内力计算，取位移值为 3600/（100×3）=1.2mm，开始对钢桁架进行初步设计，上下弦杆截面类型为 H100×100×6/8，采用 Q345 钢。防屈曲支撑芯材截面类型是一字形，设计思想是防屈曲支撑先屈服，最后弦杆屈服。经过多次试算，最后选取防屈曲支撑芯材截面尺寸为 8×60，采用 Q235 钢。钢桁架试验构件模型（如图2-1）。
2.2 试验方案的制定
2.2.1 试验设备
结合长春工程学院结构实验室现有的条件和试验装置，试验采用美国 MTS 生产的微机控制电液伺服系统，对试件进行拟静力试验，同时，用 DH3816 静态应变测试系统记录钢材的应变。MTS 系统公司在力和位移的精确控制领域有着无与伦比的专业经验。我院结构实验室是吉林省重点实验室，有两个作动器：大的 50吨，小的 45 吨，本试验采用 50吨的作动器；DH3816 静态应变测试系统是独立化模块设计，每个模块可测量 60 个测点，（大于试件上所贴的应变片数量 29 个），具有先进的隔离技术和合理的接地，使系统具有极强的抗干扰能力，适用于各种工程现场的检测。数据采集箱可通过 USB 接口和笔记本计算机通讯，实现了便携式测量系统。
2.2.2 加载制度
结构静载试验[18]的加载程序分为预加载、正式加载、卸载。
（1）预加载
为了使试件的支承约束部位和加载部位接触良好，进入正常工作状态；检查全部试验装置的可靠性及全部测量仪器工作是否正常，发现问题，并及时调整，进行试件的预加载，预加载步骤如下：
① 对支撑施加拉力至预加载值 46kN，然后卸载至零；预加载值取钢桁架结构设计屈服承载力 230kN的 20%，共分为三级施加；记录各应变片、位移计的数据，检查每级荷载下的数据是否与理论计算值相符；
② 在完成以上程序的过程中，需要保证所有位移、应变随着荷载的增加呈线性变化；当卸载为零时，所有读数回到初始读数；所有侧向位移计读数不大于20mm；
③ 如果不满足第②步规定的要求，检查试验装置是否正确安装，位移计是否灵敏，然后重复以上预加载过程，直至满足要求为止。
第3章 剪力墙-支撑结构体系抗震性能分析..................35
3.1 剪力墙-支撑结构体系布置方案......................35
3.2 剪力墙-支撑结构体系抗震性能分析.........................35
第4章 剪力墙-支撑结构体系的工程应用前景评价............47
4.1 剪力墙-支撑结构施工技术分析.....................47
第 5章 研究结论及展望....................56
5.1 结论.......................56
第 4章 剪力墙-支撑结构体系的工程应用前景评价
改革开放发展以来，随着科技水平的不断提升及新型建材的不断涌现，土建工程施工技术水平也得到了很大的提升，特别是近些年国内建筑业的迅速发展，也给土建工程的施工技术带来了新的发展。
4.1 剪力墙-支撑结构施工技术分析
(1) 施工的可行性
防屈曲支撑在我国已经有了较成熟的研究理论，并且已经有了不少专门加工制作这构件的工厂，其加工技术已经相当成熟。我国的钢结构设计及施工技术也取得显著地成就，如08年北京奥运会鸟巢的设计及施工安装，这么庞大的复杂结构，我国利用先进的施工技术克服种种困难，最终完成施工任务。所以对于剪力墙-支撑结构中的钢桁架的施工是不存在问题的。对于钢桁架端部与剪力墙的锚固处理上，我国早有前人研究，在钢梁与混凝土剪力墙的节点中,埋入墙中的钢梁长度决定了节点的力学性能和破坏形式。中南大学土木建筑学院阎奇武教授结合国外钢连梁与剪力墙节点的研究现状，提出钢连梁不仅要有必要的埋入长度，同时在埋入部分还要采取措施来加强节点的强度，这样做更有利于抗震，如焊接栓钉、水平钢筋、箍筋加密。
施工过程中，当剪力墙侧模支好后，纵横筋布置好后，把钢桁架的上下弦杆定位放入模型中，埋入部分如果有剪力墙的纵向或横向钢筋有冲突时，在不削弱埋入端部强度的前提下，采取一些措施，如弯曲纵向钢筋绕过埋入部分或者截断纵向钢筋焊接在端部。埋入长度要准确，定位后固定好，不让其走位，然后安装中间的腹杆即防屈曲支撑。另一做法就是设预埋件，此做法同上，区别在于只有当混凝土凝固后，上下弦杆焊接在预埋件上，然后螺栓连接中间防屈曲支撑。施工的又一难点就是端部的混凝土浇筑，如果浇筑不密实，节点强度就会大大削弱，造成节点的提前破坏，达不到设计预期目的。不过我国组合结构设计及施工也有了相当的成熟理论，组合结构剪力墙中预埋钢板，钢骨的施工等，都可以为这种新型结构的施工提供借鉴。如今我国的混凝土的拌制已经商业化，企业间的竞争，促使了商业砼性能不断的提高，如今我国不仅有高型号的砼，同时它们也具备较好的流动性，这一点也为剪力墙-支撑结构的施工带来了便利性。
第5 章 研究结论及展望
5.1 结论
本文总共对两个试件进行了试验研究，其一为单独的防屈曲支撑的拟静力试验；其二为带有防屈曲支撑的钢桁架的拟静力试验。另外课题组李康研究的带防屈曲支撑的钢桁架连梁，与带防屈曲支撑的钢桁架剪力墙支撑结构形式类似，也进行了两个试件的拟静力试验，其一为单独的防屈曲支撑的拟静力试验；其二是带有防屈曲支撑的钢桁架连梁的拟静力试验。该组试验结果可以作为类似结构形式带防屈曲支撑的钢桁架的剪力墙支撑试验结果的一种参考。对剪力墙-支撑结构体系进行了弹塑性动力时程分析，对不同结构形式的剪力墙-支撑结构体系进行抗震性能分析，与普通剪力墙结构进行对比分析。最后，对剪力墙-支撑结构体系的工程应用前景进行了评价。最终得出如下结论：
（1）从试验数据得出钢桁架的强度退化系数、延性系数、等效粘滞阻尼系数，对比分析后，试验过程及数据验证了钢桁架具有较好的抗震性能，同时课题组李康的带防屈曲支撑的钢桁架连梁也进行了相似的抗震性能分析，也得出了钢桁架具有较好的抗震性能的试验结果，因而为这种带防屈曲支撑的钢桁架具有较好的抗震性能的理论性提供了更为有利的依据。同时也验证了所采用有限元建模方法的正确性。
（2) 从动力时程分析结果可以看出，剪力墙-支撑结构体系与普通钢筋混凝土连梁结构方案比较，剪力墙-支撑结构体系在楼层位移、速度、加速度和基底总剪力等方面的地震反应都得到了有效的控制。通过对不同结构形式的剪力墙-支撑结构体系进行抗震性能对比分析，得出一种更为科学合理的布置形式，即带防屈曲支撑的钢桁架只有布置在层间位移较大的楼层才能发挥其减震耗能的功能，在层间位移较小的楼层布置支撑，支撑始终处于弹性阶段，相当于普通的支撑结构，发挥不出该种结构形式所具有的耗能减震的功能。广西大学邓志恒教授研究的新型组合连梁控制结构，类似与本文研究的剪力墙-支撑结构体系，其论文也总结出增加新型组合连梁控制结构(类似支撑）的数量对减震效果影响不大，但对保证剪力墙的整体刚度不被削弱有贡献，与本文理论分析结论相符。因此，在剪力墙结构中布置钢桁架，形成剪力墙-支撑结构，不只是减小整体结构地震反应，还解决了采用钢筋混凝土连梁超筋及易发生剪切破坏的问题。
参考文献（略）