冷彎薄壁型鋼組合墻體抗震性能研究綜述★

王若晨 張秀華 鄂云龍 嚴(yán)一帆 徐境藝

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，但隨之而來的是環(huán)境的大肆破壞與能源的過度消耗。現(xiàn)如今，綠色、環(huán)保、節(jié)能與工業(yè)化成為時代主題，而冷彎薄壁型鋼組合墻體作為冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分，與其他復(fù)合墻體相比，具有較輕的重量、較高的強(qiáng)度以及較小的占地面積，并且構(gòu)配件均為自動化、連續(xù)且高精度的生產(chǎn)，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，在未來將具有廣闊的發(fā)展前景。從“十三五”規(guī)劃中也可以看出，裝配式建筑將是未來發(fā)展的主流，那么針對冷彎薄壁型鋼組合墻體抗震性能的研究將具有重要意義。

1 組合墻體組成

冷彎薄壁型鋼組合墻體主要由型鋼骨架與墻面板組成。型鋼骨架與墻面板通過自攻螺釘連接。墻面板通常有多種材料，常見的有稻草板、OSB板、石膏板、膠合板與鋼板等。型鋼骨架主要由上下導(dǎo)軌、剛性橫撐與墻立柱組成。墻立柱作為結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件，兩側(cè)端均采用背靠背連接，其形式為工字型截面。型鋼的截面形式也多種多樣，主要有U形、C形、T形、管形截面等。同時，為保證墻體的整體穩(wěn)定，上下導(dǎo)軌與樓面或基礎(chǔ)之間均設(shè)置抗剪連接件。以U型鋼與C型鋼組合型鋼骨架為例，圖1為組合墻體構(gòu)造與截面形式示意圖。

2 組合墻體抗震性能研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外學(xué)者已針對該結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了大量的試驗研究，但截至目前，研究依然以模型試驗為主，尚未形成相應(yīng)完善的理論計算方法。

2.1 國外學(xué)者研究現(xiàn)狀

國外針對冷彎薄壁型鋼組合墻體的研究較早，并且美國、加拿大等國在這方面的研究現(xiàn)狀領(lǐng)先于世界。

Fül?p等[1]對冷彎薄壁型鋼組合墻體進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗，對鋪裝不同墻面板時的抗剪承載力進(jìn)行研究，得出結(jié)論：同類墻體開洞后，初始剛度、極限承載力以及延性均有所減少。Fül?p等[2]并在此基礎(chǔ)上建立了剪力墻板滯回性能的數(shù)值等效模型，并使用冷彎型鋼框架結(jié)構(gòu)的三維動力非線性分析。初步分析得出，對輕型剪力墻結(jié)構(gòu)來說，過高的強(qiáng)度和延性可能降低地震作用的影響。Serrette等[3]對單面OSB板組合墻體進(jìn)行了水平低周往復(fù)加載試驗研究，研究結(jié)果表明減小螺釘間距增加了墻面板與型鋼骨架連接緊密性及組合墻體的承載力和剛度，提高了組合墻體抗震性能。S Mohebbi等[4]通過對單雙面覆鋼板的冷彎薄壁型鋼組合墻體進(jìn)行往復(fù)加載試驗，得出結(jié)論：雙面覆板組合墻體與單面覆板組合墻體相比，其耗能、抗剪強(qiáng)度和彈性剛度分別提高70%,63%和115%。

2.2 國內(nèi)學(xué)者研究現(xiàn)狀

由于十三五規(guī)劃中提到大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)，冷彎薄壁型鋼組合墻體將是未來的發(fā)展主流，因此，我國針對該墻體的研究從未間斷。石宇、周天華、趙根田等[5-7]通過對冷彎薄壁型鋼組合墻體進(jìn)行單調(diào)以及往復(fù)加載試驗，研究分析OSB板、石膏板、水泥纖維板等對組合墻體的影響，結(jié)果表明：不同墻面板對組合墻體的受剪承載力有較大影響，施加豎向荷載可以改善組合墻體的承載力。彭林等[8]針對新型冷彎薄壁型鋼組合墻體進(jìn)行了彈塑性時程分析，比較了在罕遇地震下，不同結(jié)構(gòu)組合墻體的位移和內(nèi)力反應(yīng)，結(jié)果表明：新型組合墻體的抗震性能較好。李玉順、郭鵬等[9,10]研究了竹膠板和交叉扁鋼對冷彎薄壁型鋼組合墻體抗震性能的影響，并在此基礎(chǔ)上，建立了相應(yīng)的組合墻體最大抗剪承載力計算模型，并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，得出結(jié)論：組合墻體組合效果顯著，延性以及耗能能力較好，承載力計算模型合理。劉欣等[11]通過對冷彎薄壁型鋼雙層組合墻體的有限元模型進(jìn)行分析，得出結(jié)論：軸壓增加，組合墻體抗剪承載力降低；型鋼骨架截面尺寸變大，組合墻體的抗剪承載力增加；增加加勁件，有助于提高組合墻體的抗剪承載力；并證明了在組合墻體中，墻面板具有明顯的蒙皮效應(yīng)。張秀華等[12]針對鋼—稻草板組合墻體進(jìn)行有限元分析，得出結(jié)論：開洞高度不影響組合墻體穩(wěn)定承載力，但改變開洞率與開洞高度，組合墻體承載力變化明顯。

3 組合墻體抗震性能影響因素

冷彎薄壁型鋼組合墻體因其強(qiáng)度高，自重輕等優(yōu)點，作為住宅的主要承重部分，其地震作用主要由冷彎薄壁型鋼組合墻體來承擔(dān)。因此，在試驗中，其受力體系主要由豎向荷載以及水平荷載組成，并為防止墻體扭轉(zhuǎn)，需提供足夠的側(cè)向支撐。本文通過總結(jié)前人對冷彎薄壁型鋼組合墻體進(jìn)行的試驗研究，分析得出影響組合墻體抗震性能的關(guān)鍵因素包括：

1)墻面板材料以及單雙面覆板；2)墻面板鋪裝方向；3)墻面板是否開洞；4)立柱間距；5)型鋼截面尺寸；6)螺釘間距；7)墻體高寬比；8)荷載類型；9)型鋼骨架形式。

4 組合墻體承載力計算

由于冷彎薄壁型鋼組合墻體結(jié)構(gòu)多樣化，其抗震性能受到多種因素的影響，使其理論計算相當(dāng)困難。國內(nèi)針對其進(jìn)行了大量試驗，并對試驗結(jié)果進(jìn)行了分析研究，得出承載力計算模型：

1)寧波大學(xué)李玉順通過對鋼—竹組合墻體進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗，并通過彈性階段所表現(xiàn)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，結(jié)合力的平衡關(guān)系等多個條件建立了組合墻體承載力計算模型：

其中，fy為型鋼的屈服應(yīng)力；r為組合效應(yīng)系數(shù)；H為試件計算高度。

2)劉斌等[13]通過試驗結(jié)果對組合墻體抗剪承載力設(shè)計值進(jìn)行分析，得到組合墻體在水平地震作用下的抗剪承載力的計算表達(dá)式：

3)郭鵬等通過對組合墻體在水平低周往復(fù)荷載作用下的可能破壞模式進(jìn)行研究，提出了相應(yīng)的最大抗剪承載力的計算模型：

Pmax={P3,P4,P5}；

其中，L為墻體寬度；H為墻體高度。

其中，Vb為一個螺釘?shù)目辜舫休d力；n為自攻螺釘個數(shù)。

其中，fy為斜拉條鋼材屈服強(qiáng)度；A為其橫截面面積；n為單側(cè)斜拉條底部同一橫截面自攻螺釘最大個數(shù)；df為螺釘直徑；t為鋼板厚度。

5 結(jié)語

目前，國內(nèi)學(xué)者對于冷彎薄壁型鋼組合墻體的抗震性能已進(jìn)行了大量的試驗研究并取得了階段性的成果，但由于其覆板材料的多樣性，我國規(guī)范尚未對冷彎薄壁型鋼組合墻體的抗剪承載力有統(tǒng)一的計算方法，但針對各類墻體已有了各自的計算模型。隨著冷彎薄壁型鋼組合墻體的廣泛應(yīng)用，針對冷彎薄壁型鋼組合墻體抗震性能的研究還應(yīng)繼續(xù)探索。