鋼框架-填充墻組合墻體研究現狀

李相學，王小平，萬良東

(武漢理工大學土木工程與建筑學院,武漢 430070)

鋼框架是鋼結構中最常見的結構形式，一般由鋼梁、鋼柱在端部剛接而成，具有結構布置靈活、可以獲得大開間、自重輕、安裝方便等優勢。但這種結構形式抗側剛度低，一般用于低多層建筑和層數不超過30層的高層建筑。

目前鋼框架空當常見的填充方式有兩種：輕質混凝土砌塊和輕質條板。

鋼框架中的輕質混凝土砌塊一般采用抗壓強度為3 MPa左右的加氣混凝土砌塊，通過水泥砂漿與周圍鋼梁、鋼柱相連。為增加組合墻體的整體性，鋼柱每隔一定高度有鋼筋深入墻體。

顯然，由輕質混凝土砌塊形成的填充墻不僅能滿足保溫隔熱、防火和維護等功能，更能和鋼框架一起共同承受荷載，形成鋼框架-填充墻組合墻體。

鋼框架-填充墻組合墻體具有如下優勢：

1)組合墻體的水平抗側剛度比鋼框架本身高得多，且其抗側極限承載力也大于單純鋼框架的抗側承載力。

2)相對于混凝土結構，組合墻體延性好、自重輕，有利于抗震。

3)小震動時，組合墻體可抵抗水平地震剪力；中震、大震時，填充墻體會產生裂縫，通過耗能吸收地震能量，從而保護框架，達到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的要求。

為了解鋼框架-填充墻組合墻體的抗側承載力、剛度和簡化計算方法，國內外學者進行了大量的試驗研究和理論分析，取得了豐富的研究成果。

1 國外鋼框架-填充墻組合墻體研究現狀

國外關于鋼框架-填充墻組合墻體的研究相對較早。

早在20世紀60年代， Polyakov等[1]以鋼框架-填充墻組合墻體為研究對象，提出了一種等效支撐斜桿簡化模型，并得到廣泛學者的認同。Holmes等[2,3]在Polyakow研究的基礎上對簡化模型進行改進，重新定義對角支撐有效截面寬度、提出五支桿簡化模型。

EI-Dakhakhni等[4]提出鋼框架中的填充墻對結構有很大的影響，在結構設計中不能忽略填充墻的性能等。

Hajjarb等[5]進行了一組兩層一跨、縮尺比為1/3的鋼框架-鋼筋混凝土填充墻組合墻體水平低周往復試驗。鋼框架內側等間距地焊接抗剪栓釘，然后在框架內部現澆鋼筋混凝土墻體。結果表明，在抗剪栓釘破壞之前，隨著水平荷載的增加，內部鋼筋混凝土填充墻的剪切變形呈線性增加；當水平荷載達到組合墻體設計值時，內部混凝土填充墻大概承擔了80%的水平荷載，外部的鋼框架柱承擔了約80%的傾覆力矩，鋼筋混凝土填充墻的剪切模量大約為混凝土材質剪切模量的60%。

Mohammed M Eladly[6]采用有限元軟件ABAQUS探索不同的梁柱節點形式對鋼框架-混凝土填充墻組合墻體的影響。結果表明，當豎向荷載施加在水平梁上時，增加豎向荷載可以減小不同模型的抗側性能差異，當梁柱節點連接形式采用端部剛接時，鋼框架-混凝土填充墻組合墻體具有更好的抗側性；當豎向荷載施加在兩端的柱上時，增加豎向荷載除了對組合墻體的整體剛度有些影響外，對組合墻體的極限抗側強度和耗能能力沒有任何影響。

Seyed Jafar等[7]設計三組鋼框架-混凝土夾層板組合墻體試件，對其進行水平低周往復荷載試驗研究。三組試件包括一組純鋼框架、一組混凝土夾層板與鋼框架分離的組合墻體(FSI)和一組混凝土夾層板與鋼框架有緊密連接的組合墻體(IFM)。結果表明，兩組組合墻體在水平荷載作用下差別很大，試件FSI除了耗能性能高于純鋼框架結構，其余的抗側性能基本與純鋼框架結構一致，整個試驗過程中，試件FSI的填充墻無裂縫產生；試件IFM比鋼框架具有更好的初始抗側剛度、極限抗側強度以及更好的耗能性能，試件IFM最終破壞形式為內部填充墻體形成對角裂縫。

Sidi Shan等[8]為了研究鋼框架-砌塊組合墻體在連續性倒塌時，內部填充砌塊對整體結構力學性能的影響，設計了三組兩層四跨的鋼框架，包含一組純鋼框架，一組鋼框架內部含有砌塊開洞的鋼框架-砌塊組合墻體，一組鋼框架內部含有砌塊但不開洞的鋼框架-砌塊組合墻體。結果表明，內部含有砌塊的鋼框架-砌塊組合墻體比純鋼框架具有更好的極限承載力和初始剛度，加載初期的水平荷載基本由砌塊承擔，但是組合墻體的延性不如純鋼框架，并且組合墻體與純鋼框架的破壞形式不一致。

Reynaud Serrette等[9]對帶X型剪刀撐的鋼框架墻體、覆蓋有石膏板的鋼框架-填充墻組合墻體、既有X型剪刀撐又有石膏板的鋼框架-填充墻組合墻體進行了水平方向的低周往復加載試驗。試驗結果表明，既有X型剪刀撐又有石膏板的鋼框架-填充墻組合墻體可以顯著地降低水平方向的位移，并且增加28%的最大極限承載力。

McCreless等[10]進行了16個石膏板覆面的冷彎薄壁型鋼組合墻體的單調加載試驗，結果表明，高寬比在0.3～2.0范圍變化時，墻體的受剪承載力和抗側剛度無明顯的變化。Serrette[11]的研究得出，當高寬比從2增至4時，OSB板墻體的受剪承載力降低，主要原因為面板的受力形式由剪切變形主導過渡到彎曲變形。

Ruey-ShyangJu[12]設計四組對比試驗，以觀察不同構件在水平循環往復荷載下的結構性能。四組試件中包括一組純鋼框架、一組鋼框架-混凝土填充墻以及兩組在鋼框架與混凝土填充墻體之間設置不同類型灰縫連接的組合墻體。試驗結果表明，不做任何灰縫連接的鋼框架-混凝土組合墻體比純鋼框架具有更好的抗側性能，加載初期的抗側剛度顯著提高(約為純鋼框架的3.78倍)，但當層間位移角到達1.5%左右時，混凝土墻體破壞嚴重；在鋼框架與混凝土墻體間采用灰縫粘結組合墻體的初始抗側剛度與純鋼框架基本一致，但其極限抗側承載力是純鋼框架的1.35倍，抗側性能明顯增強。

Mallick等[13]通過有限元方法分析鋼框架-填充墻結構的受力性能，采用了具有兩個節點自由度的四節點矩形平面應力單元模擬填充墻，并考慮了填充墻的各向異性。接著Thiruveng-adam[14]采用有限元軟件，利用等效單對角支撐模型和等效多對角支撐模型對開洞填充框架的自振頻率進行了研究，結果顯示多重壓桿模型可以預測框架-填充墻的分離部位。

Memari A M[15]等人對六層填充墻鋼框架結構進行了足尺模型的環境振動和強迫振動試驗。環境振動測試分兩個階段進行，第一階段為僅建成框架和樓板時，第二階段則是施工完成了所有墻體。強迫振動試驗在部分墻體施工完成后進行。試驗結果表明，加氣混凝土砌塊對鋼框架有一定的剛度貢獻，但不如磚和混凝土砌塊。

Moghadam H A[16]研究了內填砌塊墻或者混凝土墻鋼框架在水平靜力往復荷載作用下的開裂強度。試驗結果表明，在較低的荷載下，砌塊黏結界面處就出現開裂和相對滑移,且開裂逐漸貫通發展成為對角線開裂形態，而混凝土墻則是在角部壓碎。說明相比于混凝土墻，砌體墻的抗側能力和剛度都較低，塑性和變形能力較好。

Dawe等[17]通過大比例模型試驗對填充墻鋼框架的性能進行了研究。單調振動荷載下，對鋼框架-磚塊填充墻結構的動力性能進行試驗，采用單自由度模型、支撐框架模型和等效對角支撐模型分析了試驗的動力反應結果，表明等效對角支撐模型在預測填充框架的動力反應時結果不令人滿意。

2 國內鋼框架-填充墻組合墻體研究現狀

近20年來，國內學者對鋼框架-填充墻組合墻體的承載力和剛度進行了大量的試驗研究和理論分析。

管克儉等[18]提出了一種新型空腔結構復合填充墻-鋼框架結構體系，該填充墻體外部為鋼框架，內部為一種新型空腔結構復合材料。作者將空腔結構復合填充墻體與同尺寸的純鋼框架進行了水平抗側對比試驗。結果表明，空腔結構復合墻體的極限抗側承載力、抗側剛度分別為純鋼框架結構的1.5倍和4.5倍，且空腔結構復合填充墻的延性高于同尺寸純鋼框架。

谷倩[19]以一組1∶2的雙層單跨鋼框架填充墻縮尺模型的試驗研究結果為研究對象，提出一種三支桿簡化力學模型，并對試驗模型進行簡化計算。結果表明，通過該三支桿簡化力學模型所計算出的結果，在剛度、位移以及內力等方面均能夠與試驗結果很好地吻合，該簡化力學模型擁有較好的合理性和實用性。

孫國利等[20]通過Perform-3D非線性分析軟件對框架填充墻組合結構進行抗震分析。結果表明，布置合理的內部填充墻體有利于提高結構整體的抗震性能。

鄒昀等[21]通過ABAQUS有限元軟件對帶填充的鋼框架-填充墻組合墻體進行抗側分析。結果表明，內部填充墻可以明顯提高結構整體的抗側剛度和抗側極限承載力；組合墻體具有較好的滯回性能；填充墻體開洞的大小以及鋼框架的高寬比均會影響組合墻體的抗側性能，底層墻體開洞對整體結構性能的影響比上部結構開洞影響大。

暴偉等[22]研究了半剛性連接的鋼框架-輕鋼龍骨隔墻體系的抗側力性能。結果表明，外部鋼框架與內部的輕鋼龍骨隔墻能夠較好地協同工作；柱腳的節點形式對結構耗能能力影響較大；增加輕鋼龍骨隔墻節點數量，雖不能增加結構的初始剛度，但可以增強結構的滯回性能和延性。

程雅蒙[23]等通過對純輕鋼框架、純加氣混凝土砌塊填充墻體以及輕鋼框架-加氣混凝土組合墻體三組試件進行水平抗側力試驗，以研究三者在水平荷載作用下承載力、剛度等性能。結果表明，純鋼框架和純加氣混凝土砌塊的水平抗側承載力均較低，分別為12 kN和3.7 kN；但將同尺寸的純鋼框架和純加氣混凝土砌塊組合成組合墻體之后，其水平抗側能力達到77 kN。輕鋼框架與加氣混凝土砌塊能共同工作，相互制約，相互協調，共同提高結構的極限承載力。

郭宏超[24]等以四榀單層單跨縮尺比為1∶3的鋼框架-填充墻組合墻體為研究對象，對其進行水平抗側縮尺試驗，四組試件中包含一榀純鋼框架、兩榀鋼框架再生骨料填充墻和一榀鋼框架天然骨料填充墻。結果表明，在純鋼框架內填充再生混凝土骨料之后，結構的初始抗側剛度提高了3.3～3.6倍，水平抗側承載力提高了1.4倍，延性系數提高了2.44～3.28倍；增加了再生骨料后的鋼框架-填充墻組合墻體具有更高的安全儲備。

郭彥利[25]等通過SAP2000有限元軟件，對鋼框架-內填冷彎型鋼組合墻體進行分析。結果表明，外部的鋼框架與內部的填充冷彎型鋼能較好的協同作用，并且符合剛度分配原則；同時作者在研究的基礎上提出了一種便于在工程抗剪設計時使用的剪力分配計算簡化公式。

侯瑩瑩等[26]根據組合墻鋼板的剪切破壞先于屈曲變形發生的原則，提出了新型鋼框架-組合墻結構的設計方法，提出了基于塑性理論的側向極限承載力的計算方法，并通過ANSYS建立非線性有限元模型。結果表明，塑性分析方法可用于預測結構側向極限承載力，安全儲備為9.4%。

張文瑩等[27]對內填冷彎薄壁型鋼組合墻體鋼框架體系進行了數值模擬，通過兩種不同連接方式試件的比較，分析冷彎薄壁型鋼組合墻體與鋼框架之間的協同工作性能和剪力分配關系。結果表明，填充墻鋼框架屈服荷載、最大荷載均大于單純鋼框架和墻體相應值之和。

袁昌魯等[28]闡述了鋼框架-填充墻結構的受力特性和簡化計算模型，系統回顧和總結了其理論分析、試驗研究和數值模擬等多方面發展和研究狀況，最后針對這種結構的研究不足，指出今后應對鋼框架與填充墻連接方式和填充墻開洞情況對結構性能影響開展系統研究。

鄒昀等[29]為了分析填充墻對鋼框架結構抗震性能的影響,利用大型非線性有限元軟件ABAQUS對帶填充墻鋼框架進行了計算分析,主要研究了填充墻鋼框架體系在單調荷載、循環荷載作用下的受力性能。研究結果表明:在水平荷載作用下,填充墻能夠提高鋼框架的剛度和承載力;在循環荷載作用下,結構整體的耗能性能較好。填充墻開洞大小和框架高寬比均對結構整體的承載力和滯回曲線有影響。

李國華[30]對鋼框架-內填混凝土墻體進行了非線性有限元分析，在豎向和水平荷載作用下，若鋼框架與內填混凝土墻體間的連接不切實可靠，內填混凝土墻體與鋼框架之間會出現分離現象，這種現象往往是由于鋼框架與組合墻體在外力作用下變形不一致造成的，使得鋼框架-內填混凝土墻體不能聯成整體發揮作用，關于組合墻與鋼框架間的連接需要進一步的研究。

萬良東[31]研究了一種新型的輕鋼框架-輕混凝土組合墻體，輕鋼框架梁由標準U型沖壓件和方矩形鋼管通過自攻螺絲連接而成，框架柱采用方鋼管，輕鋼框架空當則由輕質加氣混凝土砌塊墻填充。通過低周往復加載試驗和有限元分析，研究組合墻體的抗側性能，并與單層輕鋼框架進行比較。結果表明，組合墻體試件的極限承載力是輕鋼框架試件的3～4倍；組合墻體試件的抗側剛度是輕鋼框架試件的26倍；組合墻體試件的延性系數約為3.0，是輕鋼框架的1.6倍。

3 結 論

a.與鋼框架相比，鋼框架-填充墻組合墻體的抗側承載力和抗側剛度都有較大的提高。輕鋼框架的提升更為明顯。

b.鋼框架-填充墻組合墻體一般做法為：鋼框架為由H型鋼梁柱剛接而成的普通框架或由輕型桁架梁和桁架柱(或冷彎薄壁鋼管柱)剛結而成的輕鋼框架；填充墻采用的材料為：輕混凝土砌塊、混凝土墻板、現澆混凝土墻或輕鋼龍骨。

c.鋼框架-填充墻組合墻體抗側性能的研究方法為：足尺或縮尺模型的水平荷載擬靜力試驗或震動試驗；采用ABAQUS、ANSYS、SAP2000或其它軟件進行有限元分析及比較。

d.鋼框架-填充墻組合墻體抗側性能一般采用三支桿簡化力學模型進行計算，該簡化力學模型所計算出的結果，在剛度、位移以及內力等方面均能夠與試驗結果很好地吻合，擁有較好的合理性和實用性。