帶預(yù)制墻體的半剛性鋼框架結(jié)構(gòu)體系受力研究綜述

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣東 廣州 510640)

一、引言

“鋼結(jié)構(gòu)+預(yù)制墻體”的結(jié)構(gòu)形式是我國(guó)推行住宅產(chǎn)業(yè)化，響應(yīng)國(guó)家“十三五”期間的國(guó)家有關(guān)去過剩產(chǎn)能、節(jié)能減排與綠色建筑等相關(guān)政策的一種優(yōu)良結(jié)構(gòu)形式。在這種體系中，框架結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、平面布置靈活、易于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)成為目前多高層建筑中倍受青睞的結(jié)構(gòu)形式。預(yù)制墻體施工簡(jiǎn)便，節(jié)約工期，便于震后墻體的修復(fù)與更換，可以進(jìn)一步推進(jìn)建筑的綠色化、工業(yè)化與信息化，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

為了實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)中墻板的快速裝配，外掛式墻板應(yīng)運(yùn)而生，克服了內(nèi)填式墻體的現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，鋼框架在承受水平荷載作用時(shí)，外掛式墻板會(huì)在早期參與結(jié)構(gòu)受荷，共同抵抗水平力，但墻板角部連接處容易過早出現(xiàn)開裂而退出工作，外掛墻板被定位為外圍護(hù)構(gòu)件，而非承重構(gòu)件，將其作為增加結(jié)構(gòu)的冗余度的措施來考慮。因此，傳統(tǒng)的“鋼結(jié)構(gòu)+預(yù)制墻體”結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)中，無論何種預(yù)制墻體往往僅作為外掛式墻體，不參與內(nèi)力計(jì)算。然而，近些年國(guó)外眾多學(xué)者研究表明，不同的預(yù)制墻體設(shè)計(jì)，結(jié)合可靠的連接方式，預(yù)制墻體能發(fā)揮結(jié)構(gòu)功能，成為結(jié)構(gòu)體系中耗能的重要一環(huán)。同時(shí)，半鋼性鋼框架結(jié)構(gòu)體系歷經(jīng)長(zhǎng)久的發(fā)展，已開始應(yīng)用國(guó)內(nèi)外眾多工程中，然而半剛性鋼框架的抗側(cè)剛度較小，在水平荷載作用下層間位移較大，僅限用于中低層建筑，對(duì)與多高層結(jié)構(gòu)抗震而言尤其不利，設(shè)計(jì)中常采用抗側(cè)力單元(中心支撐，偏心支撐與剪力墻)來滿足相關(guān)要求。半剛性鋼框架與預(yù)制輕墻體的協(xié)同受力體系，不僅僅避免額外的抗側(cè)力構(gòu)件，而且設(shè)置了多道抗震防線，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)墻體的輕型化與綠色環(huán)保，但分析墻板連接的力學(xué)性能、理清輕墻體與半剛性鋼框架的共同作用機(jī)理是該結(jié)構(gòu)體系推廣與應(yīng)用的關(guān)鍵。

二、建筑鋼結(jié)構(gòu)的預(yù)制墻體研究

墻體類型種類繁多，連接方式多樣。目前我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑的外墻根據(jù)墻體自身結(jié)構(gòu)分為：鋼板剪力墻、鋼筋混凝土剪力墻、砌塊填充墻、薄壁鋼骨架外墻板、蒸壓加氣混凝土板與復(fù)合夾層墻板等。此外根據(jù)墻板與鋼框架連接形式的不同。帶墻板的鋼框架結(jié)構(gòu)一般分為三種：一種是墻體通過現(xiàn)澆的方式內(nèi)填在鋼框架內(nèi)，通過預(yù)埋的剪力鍵與鋼框架成為一體共同抵抗水平與豎向荷載，內(nèi)填式墻體鋼結(jié)構(gòu)的需要現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，施工速度較慢，該類型結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度與承載力較大，研究表明過剛的內(nèi)填墻體雖然可以滿足大多靜力荷載的需求。第二種是墻板通過連接件掛接于鋼框架上，墻體的構(gòu)造與建筑性能上能夠?qū)崿F(xiàn)多樣性與輕型化，且便于快速安裝，但外掛式墻板容易在四角連接處出現(xiàn)過早的破壞，無法達(dá)到理想的協(xié)同作用效應(yīng)。第三種是抗側(cè)力墻板通過預(yù)留鋼板或套筒與主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行螺栓連接內(nèi)嵌，該種連接方式需要特殊的處理才能避免出現(xiàn)預(yù)埋鋼板與混凝土連接界面處首先出現(xiàn)破壞。后兩種連接方式為目前研究中預(yù)制墻體主要的連接的基本形式。

為了更加準(zhǔn)確的獲取墻體受力性能，部分學(xué)者對(duì)獨(dú)立的墻體單元進(jìn)了一系列研究，其中代表性的研究有：李升才等[1]進(jìn)行了14塊CL復(fù)合墻板抗剪性能試驗(yàn)和12塊復(fù)合墻板軸壓性能試驗(yàn)。田海等[2]通過拼接ALC墻體的抗剪試驗(yàn)認(rèn)為：墻體的自身的抗剪性能的因素為拼合界面的粘結(jié)性能、連接方法等，協(xié)同作用下底層墻板側(cè)向剛度貢獻(xiàn)率為21%。侯和濤等[3]進(jìn)行了5塊復(fù)合墻板的抗彎試驗(yàn)和有限元參數(shù)分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)塊復(fù)合墻板的振動(dòng)特性展開試驗(yàn)研究，探究了鋼絲布置對(duì)復(fù)合墻板的抗彎性能與阻尼比的影響。Gara等[4]對(duì)夾層墻體在面內(nèi)壓力、對(duì)角壓力下的受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)與數(shù)值模擬的研究，Ehab[5]進(jìn)行內(nèi)桁架式剪力鍵的夾層混凝土墻板的試驗(yàn)研究，并建立了理論計(jì)算模型與分析方法，Douglas[6]等建立部分組合效應(yīng)的夾層墻板承壓數(shù)值分析模型。預(yù)制墻板的抗剪、軸壓與抗彎試驗(yàn)表明，墻板自身具備一定的能力承受外部荷載，能夠參與結(jié)構(gòu)共同受力。

三、帶預(yù)制墻體鋼框架結(jié)構(gòu)研究

關(guān)于預(yù)制墻板與框架協(xié)同受力結(jié)構(gòu)體系的國(guó)外學(xué)者開展研究較早，相對(duì)于當(dāng)前國(guó)內(nèi)全方面開展裝配式結(jié)構(gòu)的研究與工程實(shí)踐，國(guó)外的相關(guān)研究進(jìn)展緩慢，且熱點(diǎn)集中在材料層面上創(chuàng)新與應(yīng)用。大量的試驗(yàn)與多次的震害表明多道抗側(cè)設(shè)防結(jié)構(gòu)中，首道抗震設(shè)防容易產(chǎn)生變形集中和能量聚集，預(yù)制墻與鋼框架共同作用結(jié)構(gòu)體系中墻板會(huì)首先受損，對(duì)帶預(yù)制輕墻的半剛性鋼框架結(jié)構(gòu)的地震損傷性能清晰、準(zhǔn)確、量化的把握是保證該類結(jié)構(gòu)抗震可靠性的關(guān)鍵。

國(guó)內(nèi)早期有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)中的預(yù)制墻板研究以外掛式墻板為主，李國(guó)強(qiáng)等[7]較早的開展了鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的外掛墻板足尺模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),表明該結(jié)構(gòu)具備8度抗震能力，墻板對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的地震作用及抗震性能有較大的影響，其中墻板連接節(jié)點(diǎn)的處理尤為關(guān)鍵。王靜峰等[8]進(jìn)行了一系列復(fù)合墻板與半剛性組合鋼框架的試驗(yàn)，考察該結(jié)構(gòu)體系的破壞模式與耗能機(jī)制，并進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，探究了墻板的開洞的影響。郭宏超等[9]從材料層面上采用再生塊體外掛混凝土墻板，并進(jìn)行了鋼框架試驗(yàn)，相對(duì)于純框架結(jié)構(gòu)，其承載力、耗能、剛度均有提升，其極限承載力提高20%；另外梁柱節(jié)點(diǎn)的剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性能影響較大，并建議梁柱采用半剛性連接。國(guó)外方面代表性研究：Wright和Gallocher[10]進(jìn)行了4榀外掛復(fù)合墻板型鋼框架試驗(yàn)，分別研究在施工階段和正常使用階段的結(jié)構(gòu)受力性能，Hanaor[11]進(jìn)行了內(nèi)嵌復(fù)合墻板型鋼框架擬靜力試，Kwon[12]等采用玻璃纖維聚合物來修復(fù)墻板與鋼框架的設(shè)計(jì)流程與方法。綜合上述研究發(fā)現(xiàn)外掛式墻板在容易在受荷早期開裂，對(duì)結(jié)構(gòu)在彈塑性階段提供的作用有限，在實(shí)際工程中將其設(shè)計(jì)為外圍護(hù)構(gòu)件，不參與結(jié)構(gòu)受力，但可提高結(jié)構(gòu)的冗余度。

為了實(shí)現(xiàn)預(yù)制墻板與鋼框架的協(xié)同作用，曹萬林等[13]提出了一系列的輕墻體、暗支撐、裝配式單層鋼筋骨架等構(gòu)造措施，研究得出輕墻能夠?qū)崿F(xiàn)多道抗震的效果。吳函恒等[14]提出了幾種新型構(gòu)造的預(yù)制抗側(cè)力墻板，研究了預(yù)制墻板與剛接鋼框架的連接效應(yīng)、傳力機(jī)制與協(xié)同作用計(jì)算模型。江力強(qiáng)等[15]對(duì)幾種不同構(gòu)造的裝配式深梁內(nèi)填式墻板的抗側(cè)力性能進(jìn)行了試驗(yàn)與數(shù)值分析，并進(jìn)行了地震的易損性分析。研究結(jié)果表明預(yù)制墻板與鋼框架是可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同作用，并能實(shí)現(xiàn)多道抗震的設(shè)計(jì)目標(biāo)，仍需進(jìn)一步的深入研究。

四、結(jié)論

綜上所述，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)半剛性鋼框架力學(xué)性能、預(yù)制墻體與鋼框架協(xié)同作用進(jìn)行大量分析和研究，得到一些有益建議和結(jié)論。但有關(guān)帶預(yù)制墻體鋼框架類結(jié)構(gòu)的研究較少，更多的集中于鋼框架本身或者預(yù)制墻體本身，未能將其充分結(jié)合作為進(jìn)行充分考慮其結(jié)構(gòu)性能，而有關(guān)影響這類結(jié)構(gòu)性能的墻體布置優(yōu)化理論更少。再者，在預(yù)制墻體與鋼框架連接構(gòu)造的研究也較少。因此，需在尋求可靠的輕型預(yù)制墻體與框架的連接構(gòu)造基礎(chǔ)上，研究預(yù)制墻體與框架結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用機(jī)理，提出能表征不同類型的半剛性鋼框架-輕型預(yù)制墻體協(xié)同計(jì)算模型，并探究不同建筑功能、結(jié)構(gòu)功能需求的輕型預(yù)制墻體優(yōu)化方法，便可以得到能實(shí)現(xiàn)半剛性鋼框架結(jié)構(gòu)中輕型預(yù)制墻體“構(gòu)件-結(jié)構(gòu)-體系”最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。