冷彎薄壁型鋼-鋼混合結構雙層墻體抗剪性能試驗研究

周緒紅,鄒昱瑄,姚欣梅,石宇,管宇,張海賓

1.長安大學建筑工程學院, 陜西 西安 710061 2. 山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室(重慶大學), 重慶 400045 3. 重慶大學土木工程學院, 重慶 400045 4. 山東高速萊鋼綠建發展有限公司, 山東 青島 266101

冷彎薄壁型鋼結構體系(簡稱冷彎結構)作為一種綠色、快速裝配、環保的新型結構體系,在我國被廣泛應用。冷彎結構最初起源于歐美等國家，后被引入我國并在我國得到迅速發展。在我國，一、二層建筑空間通常用于商鋪、餐飲、洗車行等,底層結構往往需要較大的跨度。為了解決這一問題,并推動冷彎結構在我國的發展,課題組提出了冷彎薄壁型鋼-鋼混合結構(簡稱冷彎-鋼混合結構)。冷彎-鋼混合結構下部由鋼結構框架組成，上部為冷彎結構,下部結構具有大跨度的優點，可以滿足各種使用需要。該結構將2種體系的優點結合起來,更加適應我國國情。

在冷彎-鋼混合結構中,上部冷彎結構所受水平側向力(如地震荷載及風荷載等)由冷彎組合墻體承擔,并通過各樓層組合墻體依次傳遞至下部鋼結構,冷彎組合墻體及下部鋼結構共同形成了冷彎-鋼混合結構的水平側向力體系。冷彎組合墻體由墻架柱與墻面板通過自攻螺釘緊密相連而構成,墻架柱與墻面板共同發揮蒙皮作用。目前國內外學者已經對冷彎結構抗側力體系進行了大量的研究,周緒紅、石宇等[1-4]采用試驗方法分析了組合墻體的滯回曲線、骨架曲線、承載能力、延性、剛度退化和耗能等抗震性能指標,并建立了考慮剛度退化和捏攏效應的退化四線型恢復力模型。研究結果表明，墻面板類型對組合墻體的抗剪性能影響較大；施加豎向荷載導致墻體的耗能能力降低；增大立柱尺寸及減少立柱間距,組合墻體的抗側剛度和承載能力有所增加,但延性和耗能系數有所降低。2007～2010年,AL-KHARAT等[5]、MOGHIMI等[6]、VELCHEV等[7]分別對設置交叉鋼帶支撐的冷彎薄壁型鋼骨架抗剪性能進行了試驗研究,結果表明，增強交叉鋼帶與螺釘之間的連接可以提高墻體的抗剪性能；增大鋼帶截面可以提高結構的抗側剛度,但對結構的承載能力無顯著影響；由于鋼帶的寬厚比較大,僅承受拉力而不能承受壓力,導致滯回曲線捏縮嚴重。郭鵬等[8,9]對550MPa高強冷彎型鋼骨架墻體進行了抗剪試驗研究,研究表明，雙面覆板(帶肋鋼板+石膏板)墻體抗剪承載力等于單面覆板石膏板墻體抗剪承載力與0.8倍單面覆帶肋鋼板墻體抗剪承載力之和；剛性撐桿的設置有利于提高墻體的抗剪承載力；抗拔連接件的設置可以顯著提高墻體抗剪承載力及抗側剛度。李元齊等[10]對使用S350龍骨的組合墻體進行了試驗研究,結果表明：試件的破壞主要為石膏板的破裂、帶肋波紋鋼板的剪切屈曲和墻體邊立柱底部的屈曲；隨著墻體開洞率的提高,冷彎薄壁型鋼組合墻體的承載能力明顯降低。PAN等[11]、LIN等[12]通過試驗研究對比了覆硅酸鈣板、OSB板和石膏板組合墻體的抗剪性能,結果表明,石膏板的脆性較強,抗剪強度較低,在水平荷載作用下螺釘連接破壞較為嚴重；硅酸鈣板與石膏板相比,提高了材料的強度和韌性,連接硅酸鈣板的自攻螺釘強度有所提高,改善了墻體的抗剪性能；覆OSB板的抗剪承載力和耗能能力最好,覆硅酸鈣板墻體次之,覆石膏板墻體較差。XU等[13,14]提出新型冷彎型鋼覆麥秸稈板內填高強輕質泡沫混凝土組合墻體,并對高強輕質泡沫混凝土對組合墻體抗震性能的影響進行研究；結果表明,組合墻體破壞特征主要為混凝土開裂及壓碎、麥秸稈板開裂、墻架柱局部屈曲及混凝土與立柱之間發生相對滑移。

目前國內外學者的研究多集中在冷彎結構組合墻體,而對冷彎-鋼混合結構雙層墻體的相關研究甚少。為了進一步推動冷彎-鋼混合結構的發展,筆者對4個冷彎-鋼混合結構雙層墻體進行了擬靜力試驗,得到了荷載位移曲線,并根據試驗結果對結構破壞模式等進行分析。

1 試驗概況

1.1 試件設計

共設計了4個尺寸為2400mm(寬)×4800mm(高)的冷彎-鋼混合結構試件,試件編號如表1所示。所有試件上部均為冷彎結構組合墻體,其尺寸為2400mm(寬)×2400mm(高),龍骨采用C140×40×11×1.2mm,間距600mm,雙面覆蓋9mm OSB板材。在墻體角部分別布置抗拔件,通過M22抗拔高強螺栓與下部鋼結構連接。導軌處間距400mm布置抗剪螺栓與鋼框架連接,傳遞剪力。其中試件W2與W4增設斜撐作為對照試驗,斜撐采用C140×40×11×1.2mm龍骨,上部冷彎墻體具體布置如圖1所示。

4個試件下部結構為鋼框架,尺寸為2400mm(寬)×2400mm(高),鋼材等級為Q345B級。梁柱節點采用栓焊連接,梁翼緣為對接焊縫,梁腹板采用高強螺栓連接。柱腳設置翼緣和腹板加勁肋,并采用8個M22摩擦性高強螺栓與臺面相連。下部鋼框架具體參數如表1所示,試件W-1如圖2所示。

表1 試件參數表Table 1 The specimen parameters

圖1 上部冷彎結構墻體示意圖Fig. 1 Schematic diagram of cold-formed thin-walled steel upper wall

1.2 材料材性

根據GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗: 第一部分: 室溫試驗方法》[15]的相關規定對試件所用的構件進行材性試驗,測得冷彎龍骨鋼材屈服強度fy=271.3N/mm2,抗拉強度fu=336.3N/mm2,彈性模量E=2.24×105Mpa,伸長率為33%。

1.3 試驗裝置及加載制度

試驗在長安大學結構實驗室進行并使用MTS裝置加載,試件頂部施加80kN豎向力,模擬實際工況。豎向力分配梁將豎向力傳遞至加載頂梁,試件頂部通過螺栓與加載頂梁連接傳遞豎向力。為模擬實際情況中的側向力,采用水平力分配梁來確保底層墻體頂部所受的水平力是上層墻體頂部水平力的1/2。水平作動器作用在水平力分配梁2/3處,此時二層處的水平力為一層處的水平力的2倍。一層和二層的水平力通過連接在水平力分配梁與試件間的力傳感器讀取,具體加載裝置如圖3所示。

圖2 W-1試件Fig. 2 Schematic diagram of specimen W-1

加載制度如下：首先施加豎向荷載,持荷10min后再施加水平低周往復荷載。試驗采用位移控制,試件屈服前以2mm作為位移增量加載,每級循環1次；試件屈服后以4mm作為位移增量,每級循環3次。當水平荷載降至峰值荷載的85%后,認為試件破壞停止加載。

圖3 加載裝置Fig. 3 Schematic diagram of loading device

2 試驗現象

在試驗過程中,4個墻體的破壞特征較為相似,均為螺釘破壞,板角擠碎等。限于篇幅,筆者僅以W-2試件破壞現象來說明。位移加至10mm時,OSB板與邊柱柱頂連接處出現鼓曲。位移加至18mm時,試件發出螺釘拔出的聲響,右側角部四枚螺釘有拔出趨勢。位移達到24mm時,OSB板發生輕微的轉動,試件中部2塊OSB板拼縫處縫隙逐漸消失發生擠壓,螺釘發生傾斜見圖4(a)。位移達到-24mm時,試件中部OSB板擠壓程度進一步增加,個別螺釘被拔出。位移28mm時,試件中部拼縫處螺釘傾斜嚴重,OSB板角破壞螺釘失效見圖4(b)。位移加載至-28mm時,試件上部接近加載頂梁處螺釘持續發生聲響,螺釘陸續被拔出。位移32mm時,試件持續發生聲響,螺釘傾斜現象嚴重,OSB板角部壓碎；-32mm時,在中柱底端處約600mm范圍OSB板發生凸起,附近螺釘凹陷入板內見圖4(c)。加載至-36mm時,中部拼縫處螺釘陷入OSB板中,右側OSB板角翹起約20mm。加載至40mm時,OSB板與中柱連接螺釘破壞嚴重。加載至44mm時,OSB板上側螺釘基本全部陷入OSB板中,中柱柱腳屈曲,OSB板向外側鼓曲60mm。加載至-44mm時,OSB板轉動嚴重頂部被加載梁擠壓碎裂。加載至52mm時,加載過程中可以聽見明顯的兩板擠壓聲,OSB板與中柱連接的螺釘基本全部失效,OSB板翹起約60mm。下部鋼框架無明顯的破壞。試驗結束后,對上部冷彎墻體拆卸呈現：左側OSB板中222顆螺釘中有11顆拔出、3顆剪斷,右側OSB板222顆螺釘中有11顆拔出、3顆剪斷。中柱龍骨破壞嚴重,柱頂和柱底均屈曲。試件破壞時特征見圖4(d)和圖4(e)。

圖4 W-2試驗現象Fig. 4 W-2 test phenomenon

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

分別讀取一、二層墻體處的傳感器數據,可以得到各個試件一層、二層墻體的水平荷載-位移曲線,如圖5所示。

3.2 主要試驗結果分析

1)觀察各個試件的一層滯回曲線可知,4個試件的滯回曲線均為“梭形”、殘余變形較小,滯回曲線無捏縮現象。試件W-1與W-2一層滯回曲線最大位移為9.5～10mm,最大荷載為60kN左右,最大殘余變形3mm。試件W-3與W-4一層滯回曲線最大位移為5.1～6.5mm,最荷載為65kN左右,最大殘余變形1mm。下部結構鋼框架仍處于彈性階段,框架的位移與荷載呈線性關系。增強鋼框架剛度對其抗剪性能影響不大,但是可以一定程度上縮小變形。

2)對于上部冷彎墻體,在加載初期,試件處于彈性階段,滯回曲線呈“梭形”,殘余變形較小。進入彈塑性階段后,墻面板邊緣處自攻螺釘出現傾斜、內陷并逐漸破壞,墻體發生損傷、殘余變形變大,滯回曲線出現捏縮現象,呈“反S形”。在破壞階段,自攻螺釘擠逐漸失效殘余變形較大,呈“Z形”。結構上部冷彎墻體的失效模式與文獻[1-3]中單層冷彎組合墻體的破壞模式基本一致。冷彎墻體與鋼框架間無明顯滑移與拔起,通過抗拔和抗剪螺栓能可靠的傳遞剪力與柱端附加軸力，說明冷彎墻體和鋼結構良好的共同作用。

3)試件W-1、W-3與設置斜撐的試件W-2、W-4相比其滯回曲線較為相似,但在荷載下降階段,由于斜撐仍具有一定程度的支撐作用,所以并未出現明顯的空載滑移現象。試件W-2與W-4滯回曲線介于“反S形與Z形之間”。對比W-1與W-2、W-3與W-4可知,設置斜撐的試件在彈性階段剛性大于未設置斜撐試件,其中W-4峰值荷載(37.1kN)較W-3峰值荷載(25.4kN)增大46.1%,說明設置斜撐可以一定程度上增加初始剛度和抗剪能力。

4 結論

1)在冷彎-鋼混合結構中,冷彎墻體與鋼框架通過抗拔和抗剪螺栓形成可靠連接傳遞剪力與柱端附加軸力。試驗中冷彎墻體與鋼框架間無明顯滑移與拔起,說明兩者可以良好的共同工作。冷彎-鋼混合結構能發揮鋼結構與冷彎結構的特點,可以實現底層大跨度。

2)試驗過程中,下部鋼框架均處于彈性階段,其滯回曲線均為“梭形”、殘余變形較小、無捏縮現象,下部框架可以為上部冷彎墻體提供可靠的支撐。增強鋼框架剛度對其抗剪性能影響不大,但是可以在一定程度上減小變形。

3)試驗過程中,上部冷彎墻體主要破壞特征為面板螺釘破壞及OSB板角部破碎,與單層冷彎組合墻體的破壞模式基本一致。設置斜撐試件,中柱龍骨破壞嚴重,柱頂和柱底均屈曲。在荷載下降階段并未出現明顯的空載滑移現象,滯回曲線介于“反S形與Z形之間”。設置斜撐可以一定程度上增加試件彈性階段剛度和抗剪性能。