裝配式鋼框架-泡沫混凝土墻板結構力學性能

鮑 超，郭耀杰，李 旋

(武漢大學土木建筑工程學院，武漢 430072)

在“可持續發展戰略”指導下，國家住房與城鄉建設部將綠色、節能等納入建筑規劃中，鼓勵研究和推廣應用新型建筑材料及裝配式建筑體系，促進國家住宅建筑產業的進步與轉型。近年來，裝配式結構體系依靠其材料性能、結構布局、施工操作性等優點在住宅建筑行業得到了廣泛的應用[1]。然而，依照中國鋼框架住宅設計原則，鋼框架承擔全部荷載，忽略墻體受力貢獻，僅起建筑分隔和維護作用[2]。實際中，墻體會協同鋼框架受荷。從經濟上分析，傳統的設計方法會增大鋼框架的截面，造成材料浪費；另一方面，墻體可能會先于鋼框架發生破壞，引發生命和財產損失[3]。綜合理論與實踐可知，墻體充當著受力貢獻者的角色，需對帶墻體的鋼框架進行有關研究，完善現有設計方法。

Karaduman等[4]研究發現，內填砌體墻有提高外部結構承壓能力的作用，結構設計中應予以重視；Balik等[5]針對填充墻與框架結構的協同受力性能進行了研究，結果表明，合理的構造措施可以增強填充墻與框架結構間的協同變形能力，改善結構的受力性能；鐘亞曦[6]通過有限元軟件，分析了鋼框架內嵌填充墻結構的協同工作原理，研究表明，單層單跨滿填充組合墻的承載能力和初始剛度值分別為純鋼框架結構的3.51倍和8.4倍。劉杰[7]根據水平荷載下組合墻的破壞現象及曲線，研究結構的傳力機理和變形原因，并通過參數化分析，總結鋼框架截面、墻板材料對結構抗側移能力的影響；郝進鋒等[8]提出采用苯板為夾芯層，外層敷鋼絲網，澆筑C15混凝土構成墻板，具有良好的節能和承重效果。

以往組合墻板自重大、整體性不佳，為減輕墻板的自重，又考慮到墻體僅分擔部分的荷載，提出一種可實現裝配式施工的帶鋼框架組合墻結構體系，基本構想為：將聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrene,EPS)混凝土澆注于鋼框架內部，養護成一種新型組合墻結構，并采用高強螺栓現場安裝，形成裝配式住宅建筑體系。EPS混凝土不同于普通混凝土，具有自重輕、隔音好、保溫節能等特點，是一種新型的綠色材料。本文試驗和有限元的方法，對足尺的純鋼框架結構和鋼框架-EPS混凝土組合墻結構進行水平單調加載，觀察結構在加載過程中所表現的破壞過程和模式，研究結構水平承載力和抵抗側向變形的能力，對其力學性能進行綜合性評價。

1 試驗設計

1.1 試件模型設計

試驗共有兩榀試件，單層單跨純鋼框架結構SJ1及組合墻結構SJ2的設計圖如圖1、圖2所示。

研究采用足尺模型，兩榀鋼框架型鋼梁柱截面均為HW 150 mm×150 mm×4 mm×6 mm，梁與柱之間采用齊平端板連接，端板一端與梁端焊接，另一端與柱翼緣采用高強螺栓連接，螺孔根據相關建議[9]采用雙排雙列對稱布置，連接端板尺寸為150 mm×150 mm×16 mm，柱高尺寸為3 m，柱中心線距離為3 m，鋼材和端板的材質均為Q235B，高強螺栓選用10.9級。

組合墻結構SJ2中，墻板部分為150 mm厚EPS顆粒混凝土，為方便柱腳與剛性地梁安裝固定，混凝土的高度取值為2.7 m，底部設置槽鋼用以支撐EPS混凝土，型號選為[10。

1.2 測點布置及加載模型

應變測點布置遵循對稱的原則，SJ1試件測點分別布置在梁柱兩端的內外翼緣上，在柱頂非加載端布置位移測點；SJ2試件在鋼架外翼緣和EPS混凝土正視面上布置測點，同樣在柱頂非加載端布置位移測點，如圖1、圖2所示。

圖1 SJ1結構及測點布置Fig.1 SJ1 structure and point arrangement

圖2 SJ2結構及測點布置Fig.2 SJ2 structure and point arrangement

兩榀試件均采用同樣的加載方案，加載設備選用MTS液壓伺服作動器，一端連接在反力墻，另一端對試驗試件施加水平力，柱腳與地面之間采用剛性地梁、地錨栓模擬錨固連接，試件加載如圖3所示。

圖3 試件加載示意圖Fig.3 Loading indication

2 試驗現象及結果分析

2.1 SJ1試件

鋼框架SJ1屬于柔性結構，在加載初期，即產生明顯的側向位移。荷載持續增大至33.8 kN時，兩端梁柱節點的柱翼緣與連接端板發生分離，柱翼緣出現局部變形現象；當柱頂水平拉力增至37.6 kN時，端板與柱翼緣分離程度加大，與螺栓連接部位的柱翼緣發生屈曲變形，肉眼可觀察到鋼框架柱頂彎曲變形，如圖4所示；荷載繼續增加，結構變形更嚴重，位移百分表指針轉動加快且難以穩定，當荷載顯示43.8 kN時液壓伺服作動器開始卸載，鋼框架結構未發生平面外失穩。

圖4 SJ1試件加載Fig.4 Loading test of SJ1

圖5 SJ1試件荷載變形曲線Fig.5 Load deformation curves of SJ1

提取應變箱采集的應變數值，繪制如圖5所示的荷載-應變(P-ε)和荷載-位移(P-Δ)曲線，分析得到以下結論。

(1)加載初期，鋼材處于彈性階段，P-ε和P-Δ曲線近似為一條直線。從加載到破壞整個過程，框架梁的應變數值都很小，構件未屈服，而實際現象中框架梁也未發生破壞。

(2)柱上下兩端應變數值相差較大：柱腳處應變較小，可認為此部位的鋼材仍舊處于彈性階段；柱頂端應變較大，分析原因是節點處存在應力集中，且柱頂變形較大，材料發生屈服，因此加載后期P-ε曲線呈現非線性變化。

(3)柱頂達到水平位移限值H/150(H為鋼框架高度，mm)，側向荷載約為21.4 kN；加載到33.8 kN時，柱翼緣與端板發生分離，在曲線中則表現為P-Δ的斜率變小，此時結構的抗側移剛度已發生變化；加載后期，P-Δ曲線逐漸趨于橫坐標軸，柱翼緣發生局部屈曲破壞，結構達到極限承載力。

2.2 SJ2試件

在整個加載過程中，組合墻結構SJ2所表現的現象與純鋼框結構SJ1有很大差異。在加載初期，柱腳螺栓連接部位曾發出摩擦聲，且剛性地梁有輕微的滑動，組合墻無明顯變化；荷載繼續增加，左上角墻板出現裂縫，水平荷載約100.0 kN時，墻角開裂；在加載后期，沿左上到右下對角線方向，EPS混凝土墻面出現裂縫，第一條裂縫所對應的荷載為130.2 kN，且裂縫數量和寬度隨試驗進行而增多或變大；最終伴隨一“咯噔”聲，液壓伺服作動器顯示為142.0 kN并開始卸載，裂縫已基本貫穿整個墻面，如圖6所示。

圖6 SJ2試件加載Fig.6 Loading test of SJ2

組合墻結構部分測點的P-ε曲線及P-Δ曲線如圖7所示，分析得出以下結論。

(1)框架梁、柱測點應變數值在整個加載中都很小，P-ε和P-Δ曲線近似為一條直線，可認為測點部位處的鋼材均處于彈性階段，未發生屈服。

(2)混凝土應變數值發展較快，當荷載加到約120 kN時，P-ε曲線出現明顯拐點，剛度下降，表明EPS混凝土內部已經產生了裂縫，加載后期呈現近似水平線趨勢變化。

圖7 SJ2試件荷載變形曲線Fig.7 Load deformation curves of SJ2

(3)水平荷載在40 kN前荷載與位移之間近似線性變化；在40 kN左右時，曲線出現折點，結合加載過程中滑移現象，螺栓和剛性地梁發生移動后，結構整體進入受力狀態，抵抗水平側力的能力提升，因此斜率增大；試驗加載中期階段，因墻角混凝土破損以及墻面出現裂縫，組合墻結構抗側移剛度降低；試驗加載后期，裂縫貫穿至整個墻面，墻板退出工作，結構發生破壞。

2.3 試驗對比分析

對比試驗現象，施加水平荷載后，鋼框架因屬于柔性結構，柱的彎曲現象明顯，柱翼緣與連接端板出現分離，而組合結構墻板的柱頂位移較小，可知內填EPS混凝土增加了鋼框架的剛度；純鋼框架結構達到極限承載力的標志是節點域處的柱翼緣發生局部屈曲，而組合墻結構是由于混凝土破碎和裂縫擴展，破壞形式為墻板先于鋼框架失效。

對比P-Δ曲線，在整個試驗加載過程中，組合墻結構的抗側移剛度始終遠大于純鋼框結構，水平位移很小，極限承載能力得到了極大的提升，極限荷載接近于3倍關系，說明組合墻板結構抗側力性能和整體性能較好，EPS混凝土能夠提高鋼框架的剛度和強度，屬于可推廣應用的結構體系。

3 有限元分析驗證

3.1 有限元模型建立

選用SOLID185和SOLID65單元分別對鋼材和混凝土材料進行模擬，采用牛頓-拉普森法求解，各構件的材料性能如表1所示。Q235B鋼材在材性試驗中，表現出了明顯的彈性、屈服、強化和頸縮4個階段，因此采用三線性本構模型，10.9級高強螺栓采用雙折線本構模型，強化階段彈性模量均為彈性階段的1.5%[10]，針對EPS混凝土將采用VonMises屈服準則和MISO等向強化準則進行有限元計算和分析，底部的槽鋼僅起支撐、增加墻板整體性的作用，對抗側力的影響可以忽略。此外，建模中還應考慮各構件之間的相互作用，根據接觸面的剛柔性，采用Conta174與Targe170單元模擬型面與面之間的接觸，其中摩擦系數取0.30[11-12]。高強螺栓預緊力的施加由Pretsl179單元實現[13]。

表1 鋼材、EPS混凝土材性特征Table 1 Properties of steel and EPS concrete

3.2 有限元求解分析

3.2.1 SJ1試件

鋼框架破壞時的應力云圖及柱翼緣應力如圖8所示，可見在整個加載過程，節點域應力明顯高于其他部位，且產生明顯的應力集中現象。在整個有限元分析過程中，鋼框架均處于彈性階段，破壞的形式表現為柱翼緣與連接端板分離，柱翼緣局部屈服，表明有限元模擬求解吻合度較好。

圖8 SJ1試件有限元結果Fig.8 Finite element result of SJ1

圖9 SJ2試件有限元結果Fig.9 Finite element result of SJ2

3.2.2 SJ2試件

帶有EPS混凝土墻板的組合墻結構，在柱頂水平推力作用下，整體變形明顯不同于純鋼框架結構。加載前期，墻板與鋼框架間能夠協同相互作用，在加載后期，兩者之間發生相對滑動，組合墻結構抗側移剛度則會降低。從受力形式上分析，在荷載作用下，墻板發生剪切變形，僅靠連接形式較弱的接觸對，鋼框架與墻板將會產生分離現象。由圖9可見，在兩個對角部位的墻板應力較大，右下角最先出現裂縫，隨著荷載的增大，裂縫沿著角部向中間擴展，形成貫穿裂縫。

綜合分析試驗的P-ε曲線和有限元的應力云圖可知，鋼框架整體基本處于彈性階段，未出現屈服現象，故試驗中鋼框架柱的測點應變數值較小；墻板產生較多裂縫，因此EPS混凝土的P-ε曲線逐漸趨于平緩，試驗與有限元分析結果基本相符。

3.2.3P-Δ曲線對比

分析有限元結果，得到兩榀鋼架的P-Δ曲線如圖10所示。

圖10 試驗與有限元P-Δ曲線對比Fig.10 P-Δ curves comparison betweenexperiment and finite elementresult

SJ1試驗加載和有限元分析分別得到的P-Δ曲線變化趨勢相同，在加載前期，兩者曲線近似為斜直線且基本重合。試驗加載得到的最大水平承載力為43.8 kN，在有限元分析中因未考慮材料缺陷、螺栓錯動等因素，最大承載力要比試驗結果高出17.9%，為51.6 kN。

SJ2有限元分析得到的曲線比試驗結果平滑，承載力高，試驗P-Δ曲線一直以非線性關系變化，分析原因：在加載初期，構件之間存在間隙以及支座滑移，墻板受力不均，試驗P-Δ曲線增長緩慢，在加載至約40 kN時，墻板與鋼框架協同工作，整體性能提升，構件才開始進入彈性階段，彈性階段試驗曲線斜率與有限元相接近,最大水平承載力分別為142.0 kN和157.5 kN，兩者相差10.9%，有限元模擬較好。

3.3 墻板最優厚度分析

組合墻的自重和承載力大小與內填EPS混凝土厚度有著密切的聯系。為了找到最優厚度，對SJ2有限元模型進行參數化分析，結果如圖11所示。

圖11 不同厚度EPS混凝土墻板的組合墻承載力對比Fig.11 Bearing capacity comparison of composite wall with different thickness of EPS concrete wallboard

隨墻板厚度的變化，組合墻的承載力在墻板厚度為150 mm時達到峰值。當墻板厚度大于150 mm后，外伸墻板面承受偏心荷載作用，承載力會顯著降低；當厚度大于200 mm時雖然承載力又有所提高，但無疑會影響裝配施工和建筑尺寸。建議施工工程應用時，墻板厚度取值為與梁柱翼緣寬度相同，這樣不僅能發揮裝配式工藝特點，還能保證組合墻結構具有較好的抗側移能力。

4 結論

(1)EPS混凝土墻板會改變鋼框架的受力狀態，結構體系屬于墻板破壞形式。增加混凝土墻板后，結構的抗側移能力有顯著提升，極限承載力約為原來的3倍，整體不會發生明顯的側向位移。

(2)通過研究墻板厚度對組合墻水平承載力的影響發現，EPS墻板厚度為150 mm時，組合墻結構承載力最大。基于裝配式施工特點，為保證組合墻結構體系具有較好的承載力，建議EPS混凝土板厚與梁柱翼緣寬度相等。

(3)鋼框架與墻板間的有效連接是保證兩者協同工作的前提，本文中鋼框架與混凝土墻板靠摩擦傳力(槽鋼支撐)，在試驗中并未有分析現象，但在有限元分析中隨著荷載增大發生滑移，因此在實際應用中需要考慮連接的可靠性。

(4)組合墻板結構破壞形式為脆性破壞。純鋼框架結構破壞形式屬于延性破壞，組合墻板結構因材料特性，屬于脆性破壞。在加載過程中，角部混凝土會破碎，墻板出現裂縫，一旦裂縫繼續擴大和貫穿，結構發生脆性破壞。該特性會影響此結構體系的應用和推廣，在后續研究中可從鋼框架與墻板的連接形式、墻板組成材料等方面入手，盡可能改善和提升結構體系的抗震性能。