新建经济适用住房的全生命周期碳评估：案例研究

《Journal of Building Engineering》：Whole Life Carbon Assessment for new-build affordable housing: A Case Study

该研究提出了一种新型复合波纹钢板剪力墙（CCSPSW），通过准静态循环试验和有限元模型验证，揭示了其抗震性能及失效机理，确定了剪切稳定性系数不低于0.95、等效宽厚比80的优化参数，并建立了剪切承载力预测公式。

　　

段胜杰|吴若敏|余超群|童敬中

浙江大学先进工程结构研究所，杭州310058，中国

摘要

为了促进波纹钢板在实际工程中的应用，并解决因添加加强构件以防止整体屈曲而导致的结构复杂性问题，提出了一种新型的复合波纹钢板剪力墙（CCSPSW）。对两个试件进行了准静态循环试验，以研究该剪力墙的抗震性能。试验得到的迟滞曲线呈现出饱满的形状。结合测得的约3.0的延性系数，这些结果表明该剪力墙试件具有优异的延性和能量耗散能力。其破坏模式主要以波纹钢板的剪切破坏为特征，并伴随X形屈曲变形的发生。基于这些发现，开发并验证了精细的有限元（FE）模型。根据波纹钢板剪切稳定性系数不应低于0.95的标准，确定了极限等效宽厚比为80。为确保波纹钢板的充分约束同时防止管材过度变形，建议管材的宽厚比不超过40，以保持其主要弹性。此外，还提出了一种预测剪切承载力的公式，并通过实验和数值结果进行了验证。本研究的结果为这种创新剪力墙系统的进一步发展和实际应用提供了宝贵的见解。

引言

近年来，由于对环境可持续性的需求增加以及工业化施工技术的进步[1]、[2]、[3]、[4]，住宅建筑中钢材和复合结构的使用显著增加。钢板剪力墙（SPSW）因其高承载能力、优异的延性和有效的能量耗散性能而受到认可。然而，传统的板状加强构件通常表现出相对较低的平面外刚度，容易发生过早屈曲，从而影响结构的完整性和功能性。为了减轻施工过程中的屈曲变形，通常的做法是推迟钢板的安装，直到边缘框架和楼板完成之后。然而，这种顺序安排不可避免地延长了施工时间。为了解决这个问题，SPSW通常会用加强构件或屈曲约束装置进行加固，以延缓或防止达到极限状态前的屈曲。

作为进一步的改进，波纹钢板剪力墙（CSPSW）被提出作为一种更有效的解决方案。平面外波纹的引入显著提高了钢板的抗弯刚度，从而增加了剪切弹性屈曲载荷，使填充板能够抵抗更大的侧向力，甚至达到全截面屈服。此外，由于截面积的增大，沿波纹方向的轴向刚度也大幅提高。相反，垂直于波纹方向的轴向刚度和强度降低，形成了“手风琴效应”，减轻了波纹板上的垂直载荷。这种改进的载荷分布使得波纹钢板可以与框架梁和柱同时安装在同一层上，因为它们在来自上部结构的垂直载荷作用下不易发生屈曲。因此，CSPSW在实际工程应用中得到了广泛采用，如图1所示。

由于CSPSW的众多优点，对其力学性能和设计方法进行了大量研究。在理论研究中，郭等人[5]对梯形CSPSW的局部剪切屈曲强度进行了深入分析，将理论方法与有限元模拟相结合。窦等人[6]利用Bergmann和Reissner的方法[7]推导出正弦波形CSPSW的剪切屈曲和局部屈曲载荷公式，并通过数值模拟进行了验证。Hosseinzadeh等人[8]通过数值模拟研究了梯形CSPSW的屈曲行为，并提出了相应的屈曲载荷公式。吴等人[9]基于正交各向异性板理论开发了多加强构件的CSPSW的弹性屈曲载荷公式，验证了加强构件优化布局的准确性，并引入了弹性屈曲公式。

CSPSW的抗震性能也受到了广泛关注。Berman等人[10]对以45°对角线排列的CSPSW进行了准静态循环试验，发现其侧向承载能力有所提高，但能量耗散能力有限。Emami等人[11]通过准静态循环试验比较了水平和垂直方向波纹的CSPSW的迟滞行为。Vigh等人[12]、[13]对CSPSW的迟滞行为进行了实验研究，并开发了相应的剪力墙本构模型。张等人[14]通过准静态循环试验和数值模拟评估了CSPSW在轴向压力下的抗震性能，提供了实用的设计建议。曹和黄[15]通过实验和数值研究分析了CSPSW的非弹性屈曲能力、破坏模式和迟滞行为，证明了波纹板和框架同时施工的可行性。方等人[16]对CSPSW进行了全尺寸准静态循环试验，评估了其能量耗散能力，并基于叠加原理提出了侧向承载力公式，随后进行了验证。童等人[17]对加强型CSPSW进行了实验和数值研究，分析了其剪切行为和能量耗散能力，并验证了现有的剪切承载力公式。窦等人[18]提出了一种平板波纹钢板剪力墙，并进行了准静态循环试验，评估了其能量耗散能力、破坏模式和约束机制。通过数值模拟，他们探讨了各种参数对迟滞行为的影响，并提出了相关的设计建议。曹等人[19]基于准静态循环试验和广泛的参数分析，开发了一个考虑波纹钢板屈曲和屈服相互作用的迟滞模型。

在实际工程中，观察到波纹钢板容易发生整体剪切屈曲，这通常需要通过螺栓连接或焊接添加加强构件来缓解这一问题。然而，这种方法往往会增加墙体的复杂性并增加施工难度。此外，在高层建筑中，通常使用钢混凝土复合剪力墙系统[20]、[21]、[22]。最近，如图2(a)所示，提出并研究了一种多单元波纹板CFST墙（MCCW）[23]、[24]、[25]，该墙利用全混凝土填充单元来提高截面刚度和抗震性能。然而，这些全填充的复合系统会导致结构自重显著增加，并且需要对所有单元进行复杂的现场混凝土浇筑。此外，内部混凝土不可避免地限制了波纹板的手风琴效应，可能会增加填充板的垂直载荷承载比例。对于中高层住宅建筑，仍然缺乏一种既能实现轻量化设计又能具有高抗屈曲能力的有效结构系统。为了解决这一差距并进一步推进CSPSW的应用，提出了一种新型的复合波纹钢板剪力墙（CCSPSW）系统，如图2(b)所示。在该系统中，CFST柱作为边界元素抵抗轴向载荷并提供分隔作用，而未填充的波纹钢板仅用于抵抗侧向力，其宽度明显减小，整体重量也有所减轻。

在现有研究的基础上，进行了准静态循环试验以评估CCSPSW的抗震性能。通过对试验现象、迟滞曲线、延性和能量耗散的分析，对其抗震性能进行了全面评估。开发并验证了精细的有限元（FE）模型。还进行了数值模拟，以研究关键设计参数的影响。此外，提出了一种剪切承载力计算方法，并通过试验和模拟进行了验证。

试件描述

设计了两块具有全尺寸截面细节的大规模试件，以研究CCSPSW的抗震性能，这些试件代表了中高层建筑中的主要侧向力抵抗构件。虽然CFST柱的截面尺寸和钢板的厚度按1:1的比例设计，以反映实际工程应用并确保稳定的行为，但整体高度设置为1800毫米，以适应几何形状

试验现象

在测试的两个试件中，选取了一个代表性试件（SP-2）进行详细讨论。在加载初期阶段，没有观察到明显的变形。然而，当位移比达到0.375%（第三载荷水平）时，试件进入了其峰值载荷状态，其特征是填充波纹钢板的交互式屈曲。随着侧向位移的增加，屈曲变形沿着板宽方向扩展。

FE模型描述

为了进一步研究CCSPSW的抗震性能，使用ABAQUS软件开发了精细的FE模型。如图12所示，方形钢管和混凝土采用C3D8R实体元素进行建模，而波纹钢板则用S4R壳元素表示[26]、[35]、[36]。进行了网格敏感性分析，以优化计算精度和效率之间的平衡。

波纹板设计

在工程设计中，波纹钢板通常需要在屈服前抵抗屈曲。进行了参数分析，以评估波纹钢板的宽度、厚度和波纹幅度变化的影响。宽度从1000毫米变化到2500毫米，厚度从4毫米变化到6毫米，波纹幅度选择了25毫米和40毫米。为了确保分析结果的一般适用性，采用了理想的弹塑性模型

结论

本研究提出了一种新型的复合波纹钢板剪力墙（CCSPSW），并研究了其抗震性能。主要结论如下：

(1)

试件的破坏过程通常涉及波纹钢板的屈曲变形，这种变形逐渐向两侧扩展，最终形成整体X形屈曲模式。达到峰值载荷后，试件的侧向载荷保持稳定甚至有所增加

作者贡献声明

童敬中：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。吴若敏：软件、形式分析。余超群：验证、软件。段胜杰：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件、研究、形式分析、数据整理

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2025YFF0518800）和国家自然科学基金（项目编号：52522803和52478219）的支持。