1. 引言
随着建筑行业的发展，对结构的抗灾性能要求也越来越高。钢板剪力墙是主要的抗侧力构件之一，尽管这种构件有较好的抗震性能、较小的自重等优点，但是它的抗爆性能差，在发生多重灾害时不能达到较好的性能效果。引入负泊松比的概念能更好地实现钢板剪力墙的整体性能，在保证较好的抗震性能的同时增强钢板剪力墙的抗爆能力。本文在介绍了钢板剪力墙之后对钢板剪力墙结构中存在的问题以及如何提高钢板剪力墙的强度和抗爆性能做了简单的分析，利用负泊松比模型开展负泊松比钢板剪力墙的研究工作，不仅能优化钢筋混凝土的力学性能，还能同时保证其具有优越的抗震性能，故研究负泊松比钢板剪力墙意义重大。
2. 负泊松比材料特性
(一) 基本概念
泊松比定义为负的横向收缩应变与纵向伸长应变之比，通常材料泊松比值为正，约为1/3，如橡胶类材料为1/2，金属铝为0.33，铜为0.27，典型的聚合物泡沫为0.11~0.14等。而负泊松比效应指材料受拉伸时，在弹性范围内横向发生膨胀；受压缩时，横向反而发生收缩。
(二) 常见构型
负泊松比材料典型的结构形式有：多孔结构、负泊松比复合材料及分子级负泊松比材料。多孔结构主要包括：内部凹陷泡孔单元组成的二维蜂窝状固体材料、热机械处理后得到的普通泡沫材料(例如聚氨酯泡沫)；负泊松比复合材料：一般地，作为各向异性材料的一种，某些纤维填充复合材料可以通过在宏观、微观尺度上合理安排复合材料不同的叠层排列顺序或组分尺寸实现负泊松比效果；分子级负泊松比材料：如具有特殊微观结构的高分子材料和某些晶体材料，比如某些条件下能够发生相变的聚合物凝胶，某些特定条件下的二维结晶膜等等。当钢板用于钢板剪力墙时，为保证钢板剪力墙的空间稳定性和一定的刚度要求，经常使用的是具有椭圆穿孔、正交花生型等负泊松比构型的钢板，也即是在钢板上设置穿孔使其构型形成某种负泊松比结构。
(三) 特异性能
具有负泊松比性质的材料既具有轻质、强度高的特点，同时还具有强度高、刚度大的特点；既能有效的避免发生局部凹陷或断裂情况，又有很强的能量耗散能力，在受载的过程中可以很好的吸收并散发能量。相比于具有正泊松比的材料，当其受到拉伸荷载作用时，负泊松比材料能够增加材料内部约束程度，增大其承载能力；而当受剪切荷载作用时，负泊松比材料由于有特殊的变形机理导致其具有较高的剪切模量，能更好地抵抗剪切变形。如在遭受爆炸荷载冲击后，负泊松比材料具有更好的能量消散能力，可有效防止局部应力过于集中而导致结构的破损。
3. 负泊松比钢板剪力墙力学性能分析
(一) 受力机制
负泊松比钢板剪力墙受力时，负泊松比构件与边缘构件协同工作。负泊松比构件的夹芯层和外侧钢板在承受水平剪力时，由于负泊松比特性，其变形机制与传统钢板剪力墙不同。当受水平拉力时，负泊松比钢板条带横截面方向向外伸展，使钢板墙另一对角的压杆压力作用需先抵消侧向膨胀变形，再使结构产生屈曲折叠，这增加了结构抵抗变形能力；负泊松比超材料蜂窝夹芯层能使爆炸冲击波引起的应力波在结构内部更大范围传播，受冲击荷载时局部受压处侧向收缩变形，呈现密实化趋势，提高结构抗冲击能力。在低周循环往复荷载作用下，负泊松比钢板剪力墙通过负泊松比构件的特殊变形和耗能机制，有效耗散能量，减小结构损伤。同时，凌翔宇[1]发现负泊松比蜂窝结构凭借其独特的内部构造和超常的力学特性，在降低冲击荷载和能量吸收方面展现出显著优势。
(二) 抗震性能
舒海港[2]等学者研究表明，负泊松比钢板剪力墙在抗震性能方面具有明显优势。与传统钢板剪力墙相比，在相同用钢量前提下，负泊松比SPSW滞回环面积更大，表现出更大初始刚度和承载力以及更好延性。例如，对正交椭圆型负泊松比钢板剪力墙，减小胞体间距与椭圆长径比值(t/d)可增大孔隙率，但承载力和耗能能力会降低；保持t/d不变，增大椭圆短径与长径比值(d/d)，不仅能增加开孔率，且承载能力和耗能能力未明显降低。负泊松比特性使压杆轴向刚度增大，SPSW整体刚度增大，压杆作用下钢板各条带之间屈曲折叠量(平面外变形)减小，可减小循环往复加载下屈曲后SPSW的褶皱，延缓其撕裂和承载力退化，对SPSW滞回性能增益作用显著。
(三) 抗爆性能
负泊松比钢板剪力墙抗爆性能也得到显著提升。对比爆炸荷载作用下常规蜂窝夹芯层和内凹蜂窝型负泊松比夹芯层结构，负泊松比超材料蜂窝结构爆炸吸能能力比同等质量普通钢板有较大提升，比传统蜂窝结构多吸收17%的爆炸能量，且负泊松比核心层吸能比例相较传统蜂窝结构中的核心层有较大幅度提高。在爆炸荷载下，普通钢板易出现应力、应变局部化现象，影响能量吸收，而负泊松比结构能使应力波更均匀传播，提高能量吸收效率，有效抵抗冲击爆炸荷载。
4. 负泊松比钢板剪力墙耗能机制
(一) 塑性耗能
地震、爆炸等荷载作用下，负泊松比钢板剪力墙的钢板进入塑性阶段后，可通过钢板塑性变形实现耗能的目的。负泊松比钢板在受力过程中通过特殊的变形方式使得塑性变形更加均匀合理，相较于普通钢板更能充分发挥材料的塑性耗能作用。比如在循环荷载下，负泊松比钢板具有横向膨胀与收缩特性，可使其始终保持较好的塑性变形能力，在加载过程中起到更好的塑性耗能效果。
(二) 摩擦耗能
构件之间、负泊松比夹芯层和外侧钢板之间可能产生相对位移从而有摩擦力产生，消耗能量，故可以通过合理地设置连接方式和界面处的措施来利用摩擦耗能的作用，来提高结构的总体耗能能力，例如：对于螺栓连接以及采用摩擦型连接件等，在结构变形过程可以增加耗能。
(三) 变形耗能
在负泊松比材料结构中，当其受到拉伸力作用时会产生横向膨胀效应，受压作用时会产生横向收缩效应，在结构变形时也会耗散结构能量。而该耗能也与结构刚度和结构形状有关，通过负泊松比构件的构型优化和结构参数优化，能够进一步提高变形耗能效率，从而更好地提升结构的耗能能力。
5. 负泊松比钢板剪力墙设计方法
(一) 设计原则
在设计负泊松比钢板剪力墙时，要充分考虑地震及抗爆要求。既要在符合抗震设防规范中关于结构刚度、承载力以及延性的基础上保证结构的抗震性能，又要能够承受爆炸荷载引起的冲击力的作用，保证结构在遭受爆炸时的安全性和可靠性。同时也要满足合理利用材料性能的原则，在负泊松比材料的特点的基础上确定结构的型式、大小等，让材料性能发挥出最大的功效。如图1所示是设计的负泊松比胞元开孔剪力墙。
图中：1、构件本体；2、第一吸能胞元；3、第二吸能胞元；4、扣接头；5、卡块；6、横梁；7、立柱；8、混凝土预埋件；9、整平板。
Figure 1. Internal example of negative Poisson’s ratio steel plate shear wall
图1. 负泊松比钢板剪力墙内部示例图
(二) 计算模型
目前，常用有限元分析软件建立负泊松比钢板剪力墙计算模型，模拟其在不同荷载作用下力学性能和变形行为。在模型中，需准确定义负泊松比材料本构关系和结构几何参数，考虑材料非线性和几何非线性影响。姚青芬[3]提出阶节段连接，按照先竖向再横向的顺序依次连接，内部钢板剪力墙竖向用螺栓连接，外围竖向及横向的连接均采用焊接工艺，简化过程，提高设计效率。Jianian He等[4]指出对于开槽钢板剪力墙，板厚减小(范围为0.75~1.25 mm)的两侧连接配置比较厚的替代方案在机械上更有利。在纵横比低于2:1的框架中，嵌入式开槽钢板应占总横向刚度的30%~40%，特别强调通过适当的槽几何形状优化来保持这一比例。
(三) 关键参数影响及安装流程参考
负泊松比钢板剪力墙的控制性参数是泊松比大小、开孔率及夹芯层厚度。泊松比的大小对结构力学性能产生重要影响。通常情况下，泊松比的绝对值越大，则结构剪切模量越大，抗剪能力越强，但也会引起结构脆性的增大，因此需要结合实际工程进行合理的选取。开孔率将对结构的刚度和耗能能力产生显著影响，开孔率越大，结构的刚度越小，但是却有利于提高结构的耗能能力，在满足结构整体稳定性的前提下，可以通过优化开孔率来达到使结构的性能最优的目的。夹芯层厚度对于提高结构抗爆性能及抗御地震作用能力均具有重要的意义，增加夹芯层厚度可以提高结构抗爆能力和耗能能力，但是随着其厚度的增大，会使得结构自重和造价有所上升，所以应综合考虑确定其合理的厚度。
具体安装流程可参考闫志皓[5]提出的以下步骤，构件进场验收→辅材准备→钢板剪力墙吊装→钢板剪力墙安装→钢板剪力墙焊接→验收。
6. 研究现状与挑战
(一) 已有研究成果总结
目前，有关负泊松比钢板剪力墙的力学性能分析、耗能机理研究及设计方法的研究已有一定的成果；明确负泊松比钢板剪力墙的抗震抗爆性能优势，并解释了负泊松比钢板剪力墙的受力机理及耗能机理，同时提出相应的计算模型和设计方法。此外，一些试验验证了负泊松比钢板剪力墙的可行性和适用性，为其在工程上的应用打下了理论基础。
(二) 存在的问题与挑战
研究多集中在理论分析和数值模拟，试验研究相对较少，缺乏足够试验数据验证理论和模拟结果准确性；在低周循环往复荷载与高应变率荷载耦合作用下钢材的非线性损伤累积方面研究较少，地震损伤对结构抗爆性能影响机制尚不明确；负泊松比钢板剪力墙设计方法还不够完善，缺乏统一设计标准和规范，工程应用受到一定限制；负泊松比材料制备工艺和成本问题也制约其大规模应用。
7. 发展趋势与展望
(一) 多学科交叉融合
未来负泊松比钢板剪力墙的研究会加强对材料科学、物理学等多门学科的交叉结合；研发更多新的负泊松比材料并改进制备工艺、降低成本、提高性能稳定性和可靠性，利用多学科的知识，更加深入研究结构受复杂荷载作用时的力学行为及破坏机理，以期能为结构设计提供更多的理论依据。
(二) 新型结构体系研发
基于负泊松比钢板剪力墙，研究一种新结构体系，充分发挥各种结构的特点，相互结合后，提高整个结构系统的性能；同时可以考虑将负泊松比的技术运用于大跨度结构或超高层建筑中。比如范重等[6]采用竖向分块盖板代替整块混凝土盖板所形成的分块屈曲约束钢板剪力墙。
(三) 完善设计理论与规范
深化研究并持续完善负泊松比钢板剪力墙的设计理论与方法，并按照需求尽快建立相应的设计标准与规程；结合大量试验与工程应用得到的大量数据，通过大量数据进行工程实操校核和优化设计，给工程设计人员提供更加准确、可靠的计算依据，并应用于实际工程中。
8. 结论
作为一种抗侧力结构的新型钢板剪力墙，在存在多灾异条件下有着极其广阔的使用空间，现阶段取得了一定的研究成果，但还有较多的问题亟待解决，今后还需对其不同学科之间的交叉融合，加深对结构力学性能及耗能机理的理解，进一步完善负泊松比钢板剪力墙的设计理论及规范，使之不断完善、不断地向前发展，给我国建筑结构的安全及可持续发展提供强大的保障。通过不断地研究和改进，可以很好地解决问题，可以使负泊松比钢板剪力墙广泛地运用到工程中去，对建筑行业的发展有一定的影响作用。