復合墻嵌入深度對裝配式輕鋼框架-復合墻結構抗震性能的影響*

王如偉，曹萬林，殷 飛

(北京工業大學建筑工程學院， 北京 100124)

0 引言

在我國大力倡導建筑工業化、促進裝配式結構發展的背景下，裝配式鋼框架結構體系因其加工精確度高、施工準確度好，近年來得到了快速發展。與裝配式鋼框架配套的墻體結構，也逐漸得到了專家學者的關注。

現階段主要存在的鋼框架裝配墻板的結構形式為裝配式外掛墻板結構與裝配式剪力墻結構。裝配式外掛墻板一般采用簡易的安裝方式，施工便捷，但安裝連接的可靠性是外掛墻板的關鍵問題，專家學者針對這一問題進行了相關設計及試驗、理論分析[1-3]。裝配式剪力墻結構可承擔結構中大部分側向荷載，顯著提高了結構的水平承載力[4-5]，其在鋼框架內的性能也得到了專家學者的試驗及理論驗證[6-9]。

近年來，筆者課題組[10-13]在鋼框架與墻體裝配方面，進行了裝配式墻體不同構造形式、不同裝配連接形式的擬靜力試驗，研究了裝配式鋼框架-墻體結構的抗震性能。但已有研究均未涉及到墻體在鋼框架內的嵌入深度對整體結構抗震性能的影響。本文通過改變裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復合墻結構中復合墻不同的嵌入深度，研究嵌入深度對裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復合墻結構抗震性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計

裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復合墻結構由輕鋼框架、XPS夾心保溫復合墻通過螺栓連接而成，輕鋼框架由鋼管混凝土柱、H型鋼梁通過螺栓連接而成，整個結構全裝配式連接。試驗共設計了3個足尺試件，試件編號為FW-150，FW-60和BF，其中，試件FW-150，FW-60分別表示復合墻在輕鋼框架內的嵌入深度為150mm和60mm，試件BF為空框架試件。

各試件的輕鋼框架部分與復合墻部分的構造完全相同，以試件FW-150為例，試件外形尺寸及構造如圖1所示。輕鋼框架鋼管混凝土柱截面為□150×150×6，H型鋼梁截面為H200×150×6×9。復合墻由內外頁各60mm厚鋼筋混凝土層及80mm厚XPS保溫材料層組成，總厚度為200mm。復合墻鋼筋分別在內外頁混凝土層內居中布置，豎向及水平向鋼筋直徑均為5mm，鋼筋間距為150mm。墻體四周設置寬度為80mm，厚度等于墻體厚度的鋼筋混凝土加強邊框，在加強邊框內定位布置連接螺栓。混凝土澆筑后，連接螺栓部分澆筑在墻體內部，剩余螺桿裸露在墻體外部。沿輕鋼框架內側焊接帶有螺栓孔的連接角鋼，復合墻嵌入深度不同，連接角鋼焊接位置不同。連接螺栓與連接角鋼為復合墻與框架節點的主要連接構造。裝配時，復合墻上的預埋螺栓穿過連接角鋼上的螺栓孔后擰緊，完成整體結構的裝配。

圖1 試件外形尺寸及構造

結構裝配完成后，試件FW-150的復合墻，除50mm厚外頁鋼筋混凝土層外，其余部分全部嵌入150mm寬的輕鋼框架內。試件FW-60，除60mm厚內頁鋼筋混凝土層嵌入輕鋼框架內，其余部分全部懸挑在輕鋼框架外。兩個試件復合墻四周與輕鋼框架之間均保留10mm施工縫。

1.2 材料屬性

本試驗全部采用再生混凝土，鋼管混凝土柱與復合墻采用不同再生混凝土配合比，如表1所示。再生粗骨料來自北京某公司，粒徑為5～10mm，再生粗骨料取代率為100%。細骨料采用天然商品砂。混凝土的澆筑養護在中國地震局工程力學研究所恢先綜合實驗室完成。制作混凝土軸心受壓試塊，與鋼管混凝土柱、復合墻同條件下養護，試件加載時測得試塊抗壓強度平均值分別為46.5，23.1MPa。

再生混凝土配合比 表1

復合墻板XPS夾心保溫材料采用絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料(XPS)。XPS保溫板材燃燒性能依據《建筑材料及制品燃燒性能分級》(GB 8624—2012)[14]檢測，測得氧指數28.6%，燃燒等級達到B2(E)級。

鋼管混凝土柱鋼材采用冷彎薄壁方鋼管，H型鋼梁、連接角鋼鋼材采用熱軋型鋼，復合墻配筋采用冷拔螺紋鋼筋。鋼材規格及材性試驗結果見表2。

鋼材力學性能 表2

1.3 加載方案

采用擬靜力試驗方法，對試件進行低周反復荷載試驗，加載裝置如圖2所示。采用高強螺栓將試件與基礎鋼梁緊固連接，采用地錨螺栓將基礎鋼梁固定于地面。加載時，首先在輕鋼框架的每根框架柱頂部施加500kN的豎向荷載，并在試驗過程中保持恒定，然后沿試件H型鋼梁水平軸線位置施加水平荷載。

圖2 加載裝置

水平荷載采用位移控制，控制位移取水平加載點實測位移。加載制度為：加載到1/500位移角之前，加載位移增量為1/2 500；加載到1/500位移角到1/50位移角之間，加載位移增量為1/500；加載到1/50位移角之后，加載位移增量為3/500。試驗過程中，加載速率保持一致，每級加載循環2次。荷載降低到85%或結構喪失承載能力時結束試驗。規定千斤頂推出時水平力為正。

1.4 測點布置

采用IMP數據采集系統采集加載過程中試件的荷載、位移以及應變數據，觀測并記錄試件裂縫開展及損傷情況。圖3為位移計及應變片布置，圖中位移計D1，D2用于測量試件南、北加載點位移，位移計D3，D4用于測量試件南、北柱腳相對滑移，位移計D5用于測量基礎相對滑移；鋼管混凝土柱應變測點編號為Z1～Z8，每一測點布置水平及豎向應變片，應變片分別編號為Z1x～Z8x及Z1y～Z8y，H型鋼梁應變片編號為L1～L4；輕鋼框架與復合墻連接角鋼應變片編號為J1～J12。

圖3 位移計及應變片布置

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象及損傷演化過程

2.1.1 試件FW-150

試件FW-150的破壞特征及滯回曲線如圖4所示。加載位移為2.13mm(點1)時，框架-復合墻底部水平節點連接螺栓出現輕微滑移；加載位移為5.36mm時，復合墻右下角出現第一條混凝土裂縫。之后隨著加載位移的增大，多處水平及豎向節點連接螺栓滑移且逐漸增大，連接角鋼出現屈曲變形。加載位移為38.14mm(點2)時，框架、復合墻之間相互擠壓協同變形，試件承載力出現明顯增長。加載位移大于54.73mm(點3)后，復合墻節點部位混凝土壓碎掉渣，節點逐漸失去連接作用，試件承載力保持穩定，停止增長。加載位移超過71.02mm(點4)時，復合墻應力重分布，試件承載力繼續上升。加載位移為86.99mm(點5)時，復合墻內部出現較長斜裂縫，試件承載力降低。5個曲線特征點將試件FW-150損傷過程分為6個階段：彈性階段、連接構造損傷階段、框架-復合墻共同受力階段、節點區混凝土損傷階段、應力重分布階段和承載力下降階段。

圖4 試件FW-150破壞特征及滯回曲線

2.1.2 試件FW-60

試件FW-60的破壞特征及滯回曲線如圖5所示。加載位移為2.37mm(點1)時，框架-復合墻豎向節點連接螺栓滑移；加載位移為4.45mm時，復合墻右上角出現裂縫。隨后加載中，連接構造損傷明顯，連接螺栓滑移及連接角鋼屈曲變形。加載位移為22.07mm(點2)時，復合墻四角裂縫明顯增多，試件承載力增長加快。加載位移大于32.74mm(點3)后，節點區混凝土損傷加劇。加載位移為43.79mm(點4)時，試件承載力達到最大，之后承載力開始下降。4個曲線特征點將試件FW-60損傷過程分為5個階段：彈性階段、連接構造損傷階段、框架-復合墻共同受力階段、節點區混凝土損傷階段和承載力下降階段。

圖5 試件FW-60破壞特征及滯回曲線

2.1.3 試件BF

試件BF的破壞特征及滯回曲線如圖6所示。加載過程中，試件BF發生整體彎曲變形，當加載位移較大時，柱腳鋼管發生明顯的鼓曲變形，試驗結束。試件BF滯回曲線經歷了彈性階段、彈塑性增長階段及塑性變形階段。

圖6 試件BF破壞特征及滯回曲線

2.2 骨架曲線對比

圖7為各試件骨架曲線對比圖。由圖7可知，各試件承載能力及變形能力顯著不同，復合墻嵌入輕鋼框架內的深度對裝配式輕鋼框架結構骨架曲線存在明顯影響。另外，與空框架試件相比，XPS夾心保溫復合墻的嵌入極大地提高了裝配式輕鋼框架結構的承載能力。

圖7 骨架曲線對比

2.3 承載力與變形

表3為各試件荷載、位移特征值。《鋼管混凝土結構技術規范》(GB 50936—2014)[15]規定：鋼管混凝土框架-剪力墻結構彈塑性層間位移角限值為1/100，為分析本文提出的裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復合墻結構承載力及延性，在表3中取各試件位移角為1%時荷載值作為對比，相應位移Δ0.01為27.83mm。

各試件荷載、位移特征值 表3

比較表3中各特征值可知：

(1)試件FW-60的開裂位移值比試件FW-150開裂位移值減小了23.6%，相應開裂荷載也減小了10.3%。試件FW-60外頁鋼筋混凝土層中心距離框架邊緣懸挑110mm，而試件FW-150外頁鋼筋混凝土層中心懸挑距離為20mm，因此試件FW-60外頁鋼筋混凝土層對復合墻節點區彎矩作用大于試件FW-150，使試件FW-150節點區混凝土在應力作用下受拉較早開裂。

(2)試件FW-150，FW-60，BF的峰值荷載比為7.06∶4.50∶1，試件FW-150，FW-60的峰值荷載明顯大于試件BF的峰值荷載，說明XPS夾心保溫復合墻的嵌入顯著提高了裝配式輕鋼框架的承載能力，且復合墻嵌入深度越大，對承載力的提高越顯著。

(3)相比于試件FW-60，試件FW-150峰值荷載增大了0.57倍，峰值位移增大了0.91倍，因為試件FW-60僅60mm厚內頁鋼筋混凝土層嵌入輕鋼框架一側，其復合墻在節點區混凝土損傷后，內頁鋼筋混凝土層對框架的支撐作用達到最大值，試件承載力達到最大值；而試件FW-150復合墻在節點區混凝土損傷后，隨著加載位移的增大，復合墻內頁及部分外頁鋼筋混凝土層在框架內，與框架相互擠壓，仍能夠繼續承擔水平荷載，為框架提供較大的支撐作用，因此試件FW-150峰值位移、峰值荷載相對試件FW-60均顯著增大。

(4)試件FW-150，FW-60，BF的峰值位移比為1.16∶0.59∶1，說明XPS夾心保溫復合墻在輕鋼框架內嵌入深度的不同，對裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復合墻結構的延性具有顯著影響。

(5)試件FW-150，FW-60的有效破壞位移均大于位移角為1%對應的位移，說明試件FW-150，FW-60的變形滿足實際工程抗震設計的彈塑性位移角要求。

2.4 承載力退化

圖8為各試件承載力退化曲線，圖8中承載力降低系數η=F1/F2，F1，F2分別為同一位移幅值下第一、二次循環的峰值點荷載值。

由圖8可知：在加載位移角θ到達1%之前，試件FW-150及試件FW-60的承載力降低系數均大于0.90，說明位移角為1%之前，裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復合墻結構承載力具有良好的穩定性。位移角為1%之后，試件FW-60的承載力降低系數明顯小于試件FW-150，說明復合墻內嵌深度越大，結構的承載力穩定性越好。同時，兩個試件在到達其峰值荷載之前，承載力退化系數均大于0.85，說明試件到達峰值荷載前，結構產生的位移變形損傷不會對承載力造成較大波動。

圖8 承載力退化曲線

2.5 剛度退化

圖9為各試件剛度退化曲線，圖中Ki為第i級循環對應的割線剛度，計算公式為：

式中：i為循環級數；Fi為第i級循環對應的峰值荷載，+，-分別表示正向及負向水平力。

由圖9可知：相同位移下，比較試件FW-150與試件FW-60剛度，位移角為0.4%之前，前者剛度明顯大于后者；位移角為0.4%～1.2%內，兩個試件剛度值接近；位移角大于1.2%后，試件FW-60 剛度退化開始大于試件FW-150。因為兩個試件在輕鋼框架內嵌入深度不同，位移角為0.4%之前，試件FW-150復合墻對框架支撐作用更大；位移角為0.4%～1.2%內，復合墻與框架之間通過節點構造傳遞荷載抵抗水平力作用，嵌入深度不影響節點區力的傳遞，因此剛度相差不大；位移角大于1.2%后，試件節點區開始明顯損傷，復合墻與框架直接接觸傳遞荷載，復合墻嵌入深度越小，對剛度貢獻越小，剛度下降越大。因此，復合墻在輕鋼框架內嵌入深度不同，對試件在不同位移下剛度的影響不同。另外，整個加載過程中，試件FW-150，FW-60剛度明顯大于空框架試件BF的剛度，說明XPS夾心保溫復合墻的嵌入顯著提高了輕鋼框架的剛度。

圖9 剛度退化曲線

2.6 耗能能力

圖10為各試件累積耗能曲線。由圖10可知：1)相同位移下，試件FW-150的累積耗能曲線與試件FW-60累積耗能曲線相近，均明顯大于試件BF的累積耗能。2)試件FW-150在整個加載過程中的累積總耗能為試件FW-60累積總耗能的2.4倍，因此試件FW-60節點構造損傷，失去連接作用后，試件破壞無法繼續耗能，因此整體總耗能較小，但其累積總耗能值仍為空框架試件的1.6倍，復合墻的嵌入增大了輕鋼框架的耗能能力。

圖10 累計耗能曲線

2.7 應變分析

取各試件柱腳測點Z3、梁端測點L4，繪制的應變骨架曲線見圖11。由圖11可知，從豎向應變來看，各試件的柱腳均能在試件達到其峰值荷載之前屈服，說明各試件均能在輕鋼框架柱腳位置形成塑性鉸。另外，試件FW-150柱腳環向應變達到屈服應變，試件FW-60及試件BF的柱腳環向應變也可以達到較高的水平，說明鋼管對混凝土提供了有效的約束作用。對于梁端應變，試件FW-150與試件BF梁端上下翼緣在其峰值荷載前屈服，因此梁端位置也形成了塑性鉸，試件FW-60梁端上翼緣屈服，下翼緣達到較高應力水平，接近塑性鉸狀態。

圖11 柱腳、梁端應變骨架曲線

取試件FW-150及試件FW-60連接角鋼測點J4，J6，J11及J12，繪制的應變骨架曲線見圖12。由圖12可知：各試件應變骨架曲線趨勢沿對稱軸大體一致，連接角鋼在加載過程中具有良好的滯回性能和協同工作性能。可以看出，水平荷載達到300kN左右時，試件FW-150與試件FW-60測點應變已達到屈服應變且部分達到較大應變，結合試驗現象可知，裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復合墻連接角鋼在結構承受水平荷載超過300kN后，連接角鋼僅起到連接作用，對結構承載力不再有貢獻。

圖12 連接角鋼應變骨架曲線

3 結論

本文提出了一種裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復合墻結構，分析了復合墻在框架內的嵌入深度對裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復合墻結構抗震性能的影響，主要結論如下：

(1)復合墻嵌入輕鋼框架內能夠顯著提高試件的承載力，復合墻與輕鋼框架具有良好的協同工作性能，是重要的抗側力構件。墻板的嵌入深度對裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復合墻結構性能存在明顯影響。

(2)復合墻內嵌150mm試件比復合墻內嵌60mm試件峰值荷載增大了0.57倍，峰值位移增大了0.91倍，說明復合墻在輕鋼框架內的嵌入深度對結構峰值荷載及位移具有顯著影響。

(3)裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復合墻結構有效破壞位移大于位移角1%對應的位移，結構延性滿足實際工程抗震設計的彈塑性位移角要求。

(4)試件到達峰值荷載前，結構產生的位移變形損傷不會對承載力造成較大波動，裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復合墻結構具有良好的承載力穩定性。