冷彎薄壁型鋼—稻草板開(kāi)洞組合墻體抗剪性能研究★

李思雨 張秀華 張華鵬 馬彥龍 耿禹坤

(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

冷彎薄壁型鋼組合墻體主要由型鋼骨架和覆面板組成，是冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的重要承重構(gòu)件之一［1，2］。冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系以其綠色環(huán)保、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)而著稱，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛的使用和推廣。組合墻體是冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，實(shí)際工程中為滿足建筑的使用功能，是需要給墻體開(kāi)門窗洞口的，開(kāi)洞口對(duì)組合墻體的承載力和穩(wěn)定性有顯著影響。因此對(duì)冷彎薄壁型鋼—紙面稻草板組合墻體抗剪性能進(jìn)行研究，對(duì)該墻體的工程應(yīng)用有重要意義。

輕鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能優(yōu)良，鋼材可以重復(fù)回收再利用，比傳統(tǒng)的建筑材料更節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，符合國(guó)家對(duì)可持續(xù)發(fā)展理念的倡導(dǎo)，未來(lái)以冷彎薄壁型鋼和墻面板組合的墻體有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 組合墻體抗剪性能研究現(xiàn)狀

組合墻體主要由型鋼骨架和覆面板組成，二者通過(guò)自攻螺釘?shù)确绞竭M(jìn)行連接。

1.1 國(guó)外研究

Serrette［3，4］等對(duì)冷彎薄壁型鋼組合墻體進(jìn)行了單調(diào)加載和往復(fù)加載試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):外圍螺釘間距越小，墻體的抗剪性能越好;往復(fù)荷載下墻體的抗剪強(qiáng)度不如單調(diào)加載下墻體的抗剪強(qiáng)度。

澳大利亞昆士蘭大學(xué)的Ronagh等［5］進(jìn)行了冷彎薄壁型鋼組合墻體往復(fù)加載試驗(yàn)，以研究其力學(xué)性能。試驗(yàn)表明:單面覆板的組合墻體整體性能較差，而雙面覆板的組合墻體表現(xiàn)良好，沒(méi)有發(fā)生脆性破壞。

Baran等人［6］通過(guò)對(duì)足尺寸組合墻體進(jìn)行單調(diào)受剪試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，墻體底部抗拔構(gòu)件和它附近的下導(dǎo)軌型鋼破壞較嚴(yán)重，這表明抗拔件提供的抗力大小對(duì)組合墻體的承載力有很大影響。此外型鋼骨架中對(duì)角支撐的存在，能略微提高組合墻體的承載力和前期剛度。

1.2 國(guó)內(nèi)研究

經(jīng)過(guò)我國(guó)研究人員的不斷努力，在組合墻體抗剪性能方面也已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。

研究學(xué)者有周天華、周緒紅、蘇明周等人［7－10］，研究冷彎薄壁型鋼組合墻體的抗剪性能。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):加載方式和洞口尺寸對(duì)墻體承載力有一定影響;水平單調(diào)加載較往復(fù)加載的墻體抗剪性能要好;采取同樣的構(gòu)造措施，開(kāi)洞口的百分比越大，墻體承載力越差;開(kāi)洞口組合墻體破壞主要在洞口部位，表現(xiàn)為柱子彎曲變形和洞口處覆面板的變形。通過(guò)ANSYS軟件，分析表明墻面板材料、墻體高度、螺釘間距的不同對(duì)組合墻體承載力的影響。

2 冷彎薄壁型鋼—稻草板組合墻體

冷彎薄壁型鋼—稻草板是基于以往類似組合墻體，把覆面板更換成了在建筑工程中較少使用的紙面稻草板。東北林業(yè)大學(xué)的張秀華課題組已經(jīng)對(duì)冷彎薄壁型鋼—稻草板組合墻體進(jìn)行了多方面的深入研究，主要做了相關(guān)力學(xué)性能試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬分析。

楊景程［2］、張義卓［11］、李超然［12］對(duì)該組合墻體的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:該組合墻體具有較大的抗剪承載力，二者具有良好的協(xié)同工作能力;增大型鋼厚度、使用屈服強(qiáng)度更高的鋼、增大立柱截面高度、減小立柱間距、減小外圍自攻螺釘間距等方法都能使墻體的承載力提高。其中李超然研究的開(kāi)洞組合墻體的軸壓力學(xué)性能，對(duì)該墻體的抗剪性能研究方面比較欠缺，因此有必要進(jìn)行更深入的研究。

鋼—稻草板組合墻體使得二者的優(yōu)勢(shì)得到了充分發(fā)揮，該組合結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、力學(xué)性能優(yōu)良和整體性好等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際建筑工程當(dāng)中可進(jìn)行推廣應(yīng)用。

3 鋼—稻草板開(kāi)洞組合墻體抗剪性能影響因素

在冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系中，“墻”作為建筑八大構(gòu)件之一，在實(shí)際應(yīng)用中需要承受風(fēng)荷載、地震荷載等。因此研究冷彎薄壁型鋼組合墻體的抗剪和抗震性能，一直是國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。目前，美國(guó)等歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)對(duì)型鋼組合墻體進(jìn)行了大量研究，并取得了初步成就。我國(guó)在該方面也取得了一定的成果，為國(guó)家制定相關(guān)規(guī)范提供了依據(jù)。本文中冷彎薄壁型鋼—稻草板組合墻體和傳統(tǒng)組合墻體的構(gòu)成類似，只是把覆面板材換成紙面稻草板，東北林業(yè)大學(xué)的張秀華課題組已經(jīng)對(duì)該組合墻體進(jìn)行了多項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)，主要有軸壓和抗剪性能試驗(yàn)，并取得了相關(guān)研究成果，獲得了部分結(jié)論，是為了能在實(shí)際工程中推廣此類結(jié)構(gòu)的使用，繼續(xù)開(kāi)展對(duì)冷彎薄壁型鋼—稻草板開(kāi)洞口組合墻體的相關(guān)理論分析，為這種組合墻體的應(yīng)用提供更多依據(jù)。

本文通過(guò)閱讀大量參考文獻(xiàn)，得出影響開(kāi)洞組合墻體性能的主要因素:

1)型鋼截面尺寸;

2)洞口大小、開(kāi)洞位置、開(kāi)洞率;

3)洞口上方是否設(shè)置過(guò)梁;

4)蒙皮效應(yīng);

5)支撐等加固措施。

冷彎薄壁型鋼—稻草板組合墻體的力學(xué)性能已經(jīng)得到相關(guān)試驗(yàn)的驗(yàn)證，李超然對(duì)開(kāi)洞口組合墻體軸壓力學(xué)性能進(jìn)行探究，目前還未對(duì)該組合結(jié)構(gòu)的抗剪性能開(kāi)展深入研究。試驗(yàn)把所有類型的墻體都做一遍有一定的難度，試件數(shù)量、人力和科研經(jīng)費(fèi)等的限制，對(duì)于試驗(yàn)考慮到的墻體類型，用有限元程序模擬分析估計(jì)其承載力的范圍。因此有必要在課題組試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行更深入的理論發(fā)掘，從分析結(jié)果當(dāng)中總結(jié)變化規(guī)律。筆者建議主要對(duì)以上影響因素開(kāi)展相關(guān)研究，為該墻體在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

考慮到冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)建筑可以很好地應(yīng)用到村鎮(zhèn)和低層建筑使用中，以及紙面稻草板相比于其他覆面板材的優(yōu)越性，本文以紙面稻草板作為墻體覆面板的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象。采用這種結(jié)構(gòu)的建筑，空間利用率較大，施工效率高、隔音降噪等優(yōu)點(diǎn)，符合我國(guó)相關(guān)政策的規(guī)定和提倡。

目前，冷彎薄壁型鋼—稻草板組合結(jié)構(gòu)是一種新型建筑結(jié)構(gòu)，綠色環(huán)保的建筑材料與安全穩(wěn)定的建筑結(jié)構(gòu)是國(guó)家極力提倡的，針對(duì)冷彎薄壁型鋼—稻草板組合墻體開(kāi)洞口時(shí)抗剪性能的研究還沒(méi)有深入開(kāi)展，特別是常見(jiàn)洞口尺寸組合墻體的設(shè)計(jì)思路，因此需要進(jìn)行多方面的研究，為該組合結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用提供更多依據(jù)。