李九陽，陳 劍

(1.長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春 130012； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

鋼框架圍護(hù)體系抗震性能的試驗(yàn)研究

李九陽1，陳 劍2

(1.長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春 130012； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

鋼框架住宅主體結(jié)構(gòu)本身抗震性能良好，故圍護(hù)墻板與鋼框架的連接方式對房屋整體的承載能力、抗震性能、延性等具有重要影響，結(jié)合東北地區(qū)的氣候條件、工程應(yīng)用現(xiàn)狀，優(yōu)化了圍護(hù)墻板構(gòu)造，設(shè)計了2種柔性螺栓連接方式。在理論研究的基礎(chǔ)上，制作了1∶2縮尺試件，進(jìn)行了圍護(hù)體系整體抗震性能的試驗(yàn)，對比分析得到了不同圍護(hù)體系的承載力、耗能、延性等指標(biāo)，驗(yàn)證了柔性連接的明顯優(yōu)勢，為鋼框架結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供了參考。

鋼框架；復(fù)合墻板；連接；承載力；耗能；延性

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)作為綠色建筑在新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程中得到大力推廣，2016年3月17日，《國家十三五綱要》中正式提出“推廣裝配式建筑和鋼結(jié)構(gòu)建筑”[1]，大力發(fā)展新型建筑工業(yè)化，已上升為推進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的國家戰(zhàn)略。鋼框架住宅具有自重輕、易安裝、施工周期短、抗震性能好、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)[2]，在民用建筑中的應(yīng)用越來越廣泛，結(jié)合裝配式鋼框架特點(diǎn)，其外圍護(hù)墻體一般采用便于安裝的輕質(zhì)復(fù)合墻板[2]。在東北嚴(yán)寒地區(qū)，輕質(zhì)復(fù)合墻板的研究也初具規(guī)模，但是復(fù)合墻板與鋼框架住宅的連接方式目前大多采用焊接，焊接連接方式具有施工工藝簡單、速度快等優(yōu)點(diǎn)。在沒有地震的情況下，承載能力有很好的保證。近年來隨著地震的頻發(fā)，人們對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能更加重視，輕質(zhì)復(fù)合墻板與鋼框架采用焊接連接往往成為抗震性能的薄弱環(huán)節(jié)[3]。因此，本文針對嚴(yán)寒地區(qū)氣候條件，優(yōu)化了外圍護(hù)復(fù)合墻板，并設(shè)計了與鋼框架的柔性連接方式，進(jìn)行了圍護(hù)體系(圍護(hù)墻板和連接)整體抗震性能的試驗(yàn)研究。

1 圍護(hù)墻板與連接的試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)根據(jù)嚴(yán)寒B區(qū)氣候條件及當(dāng)?shù)刈≌?jié)能要求，優(yōu)化了企業(yè)原有的復(fù)合墻板、設(shè)計了新型柔性連接方式(螺栓連接)，組成3種圍護(hù)體系W1、W2、W3，根據(jù)理論分析結(jié)論[4]，制作了1∶2的縮尺試件(1.5 m×1.3 m)進(jìn)行了低周往復(fù)荷載作用下的抗震性能研究[5]，3種圍護(hù)體系的墻板類型及連接方式工況組成見表1。

復(fù)合墻板的構(gòu)造及相應(yīng)連接的具體構(gòu)造及工藝如下：

墻板Y1：輕質(zhì)復(fù)合墻板Y1在當(dāng)?shù)啬称髽I(yè)已經(jīng)生產(chǎn)并投入使用。其構(gòu)造為：內(nèi)、外兩側(cè)為C20火山灰輕質(zhì)混凝土板，厚度均為50 mm，內(nèi)置Φ3@50HRB400的鋼絲網(wǎng)；中間保溫層采用模塑聚苯乙烯板(EPS)，厚200 mm；三層材料在墻板的四周采用Φ8HRB400的鋼筋網(wǎng)格包裹形成骨架；墻板總厚度300 mm[4]。

墻板(G1、G2)：墻板G1、G2構(gòu)造相同。課題組在對企業(yè)輕質(zhì)復(fù)合墻板優(yōu)化后形成新型復(fù)合墻板，其構(gòu)造為：內(nèi)、外兩側(cè)采用C20火山灰輕質(zhì)混凝土板，厚度50 mm，內(nèi)置Φ5@200的CRB500鋼絲網(wǎng)；中心保溫層采用擠塑聚苯乙烯板(XPS)，厚度為150 mm；三層材料之間采用Φ5CRB500的鋼筋桁架穿過連接；墻板總厚度250 mm。

本次試驗(yàn)3塊墻板與鋼框架的連接方式均采用半外掛式，即內(nèi)層混凝土板擱置在鋼框架上，保溫層和外層混凝土板外包鋼框架，這種連接方式避免了主體結(jié)構(gòu)的冷橋。3塊墻板與鋼框架的連接位置均在鋼框架梁上，根據(jù)受力計算簡圖，確定最合理的連接點(diǎn)在墻板跨度的1/4處，連接具體構(gòu)造如下：

YZ1連接方式如圖1，具體如下：墻板加工時，在設(shè)計連接位置處預(yù)埋一槽型鋼框(10×10×10 cm，鋼板厚5 mm)，鋼框下翼緣預(yù)留螺栓孔(12+1.5) mm；鋼框架梁設(shè)計位置處上翼緣預(yù)留螺栓孔(12+1.5) mm，為減小翼緣開孔對鋼框梁削弱的影響，可加焊一鋼板，鋼板上開同樣的螺栓孔；墻板吊裝就位后，M12螺栓從鋼梁上翼緣下側(cè)依次穿過翼緣、加焊鋼板、鋼框的下翼緣的螺栓孔，擰緊螺栓帽，最后用泡沫混凝土或聚氨酯填充封堵鋼框[4]。

GZ1連接方式及構(gòu)造如圖2：墻板制作時，在設(shè)計連接位置處預(yù)埋一工型預(yù)埋件(預(yù)埋件由2塊鋼板和2根套筒組成，鋼板尺寸為150×120×6 mm，分別埋置于墻板內(nèi)、外側(cè)混凝土中，埋置于墻板內(nèi)側(cè)混凝土中的鋼板要求與墻板內(nèi)表面平齊；鋼套筒內(nèi)徑Φ14，長210 mm，套筒靠近墻板內(nèi)側(cè)1/2長度范圍為內(nèi)置螺紋，剩余部分實(shí)心構(gòu)造；鋼套筒表面應(yīng)封堵以防止混凝土掉入；鋼框架梁設(shè)計連接位置處上表面焊接連接角鋼L90×10，豎肢上開設(shè)2個螺栓孔(14+1.5)mm；墻板吊裝就位后，用螺栓連接角鋼豎肢與墻板預(yù)埋件內(nèi)套筒。

圖1 YZ1連接節(jié)點(diǎn)

試件GZ2：GZ2連接形式、工藝與GZ1完全相同，為了得到連接節(jié)點(diǎn)的承載力，連接螺栓、套筒改為每個連接節(jié)點(diǎn)1個。

圖2 GZ1連接節(jié)點(diǎn)

考慮到本課題還有多個試件均需在同一個鋼框架上連接及加載，通過設(shè)計、計算，制作了加載框架[5]，加載框架及支撐均采用Q345鋼，包括支座梁、兩個框架柱、兩個框架梁(上梁、底梁)、牛腿及斜撐。鋼梁與鋼柱采用熱軋H型鋼，梁截面型號HW350×350×12×19，柱截面型號HW350×350×12×19，支座梁截面型號HW350×450×12×19，鋼斜撐采用槽鋼，截面型號[250×82×11×12。加載框架及支撐側(cè)視圖如圖3，墻板安裝后如圖4所示。

圖3 加載框架及支撐

圖4 安裝就位準(zhǔn)備加載

2 試驗(yàn)加載

本試驗(yàn)采取擬靜力低周往復(fù)加載，將模擬地震荷載直接加載在復(fù)合墻板上，通過連接將荷載傳至鋼框架，研究圍護(hù)體系在地震作用下的受力機(jī)理和破壞形式。加載方案采用力控制和位移控制混合加載法。圍護(hù)體系的破壞原則為當(dāng)荷載出現(xiàn)明顯的下降(降低到峰值荷載85%以下)，或者發(fā)生下列現(xiàn)象之一時就認(rèn)為圍護(hù)體系失效：1)螺栓被剪斷；2)墻板局部混凝土被壓碎；3)墻板表面出現(xiàn)嚴(yán)重的裂縫并且貫穿墻板[6]。

為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確以及結(jié)果分析的可靠性，試驗(yàn)正式加載前，先對試件進(jìn)行了預(yù)加載，測試設(shè)備和加載系統(tǒng)的工作性能。先預(yù)加2 kN，再預(yù)加到5 kN，然后回0，重復(fù)兩次。在預(yù)加載過程中，觀測所有測點(diǎn)的應(yīng)變、位移是否呈線性增加；當(dāng)卸載為0時，所有測點(diǎn)的讀數(shù)是否回到初始讀數(shù)。

正式加載時首先采用力控制法，通過液壓伺服作動器對試件中間位置施加水平往復(fù)集中力，以作動器水平推力為正方向，拉力為反方向，先施加推力，后施加拉力。初始值為0 kN，以±5 kN為加載步長，逐級增加荷載，每級荷載持時2 min，然后施加下一級荷載，圍護(hù)體系屈服后采用位移控制法，分別按照1倍屈服位移、2倍屈服位移等，直至圍護(hù)體系失效[7]。

位移的測量：試驗(yàn)中墻板在荷載作用下產(chǎn)生的位移由作動器系統(tǒng)的位移傳感器采集。考慮到在往復(fù)荷載作用下，加載框架支座與地面之間可能或產(chǎn)生相對滑動，因此，在框架支座底部也布置了位移傳感器，從而保證墻板測得位移量的準(zhǔn)確性[8-9]。試件加載位移計布置如圖5所示。

圖5 試件加載位移計布置圖

3 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

W1圍護(hù)體系在加載過程中，往復(fù)荷載小于20 kN前，墻板表面未觀察到任何裂縫，加載路徑與卸載路徑幾乎完全吻合，墻板處于彈性階段；加載到30 kN時，墻板左下角預(yù)埋件周圍和墻板背面產(chǎn)生了少量細(xì)微的斜裂縫，試件出現(xiàn)明顯位移；加載到40 kN循環(huán)時，墻板連接節(jié)點(diǎn)處螺栓和連接鋼板發(fā)生錯動而產(chǎn)生清晰的摩擦聲；加載到50 kN時，連接節(jié)點(diǎn)發(fā)出清脆的“嘣嘣”聲，連接節(jié)點(diǎn)變形增大，加載框架發(fā)生滑移，支座梁與抗拔錨桿產(chǎn)生摩擦位移；繼續(xù)加載到70 kN循環(huán)時，墻板的左下角、右下角預(yù)埋件周圍的斜裂縫明顯加寬、加深，并且伴有新的裂縫產(chǎn)生；當(dāng)加載80 kN循環(huán)時，墻板的左下角和右下角預(yù)埋件周圍斜裂縫貫通墻體，連接節(jié)點(diǎn)螺栓屈服，螺栓出現(xiàn)肉眼可見的剪切變形；當(dāng)加載90 kN時，墻板下部連接節(jié)點(diǎn)螺栓被剪斷，此時墻板失去承載能力，停止加載。

W2圍護(hù)體系在加載過程中，往復(fù)荷載小于70 kN前，墻板、連接的表現(xiàn)與Y1墻板開裂前基本相同，之后墻板G1出現(xiàn)裂縫；在加載至80 kN時，墻板的左下角和右下角預(yù)埋件上部的斜裂縫繼續(xù)加寬加深，即將貫通，并且又有新的裂縫產(chǎn)生，累積損傷隨著反復(fù)荷載變得越來越明顯；加載至100 kN時，右下角混凝土剝落了一小塊，墻板的左下角和右下角預(yù)埋件斜裂縫貫通墻體，墻板側(cè)面出現(xiàn)許多裂縫；加載至130 kN循環(huán)時，預(yù)埋件處混凝土繼續(xù)脫落，墻板側(cè)面混凝土出現(xiàn)碎裂，每次的推、拉轉(zhuǎn)換過程中墻板內(nèi)部均發(fā)出“砰砰”的聲音；當(dāng)荷載加至165 kN時，墻板預(yù)埋件處的鋼筋斷裂，節(jié)點(diǎn)區(qū)域混凝土完全拉裂，墻板剛度大幅度下降，退化嚴(yán)重。此時墻板失去承載能力，停止加載。

W3圍護(hù)體系在加載過程中，往復(fù)荷載小于70 kN前，墻板、連接的表現(xiàn)與W2基本相同，在G2墻板和GZ2連接節(jié)點(diǎn)加載到70 kN循環(huán)時，墻板的左下角和右下角預(yù)埋件上部的斜裂縫繼續(xù)加寬加深，并且不斷有新的裂縫產(chǎn)生；循環(huán)加載至90 kN時，墻板預(yù)埋件周圍出現(xiàn)較多斜裂縫，而且左下角、右下角預(yù)埋件斜裂縫以及背面中間線方向裂縫貫通墻體；加載120 kN循環(huán)荷載時，預(yù)埋件混凝土嚴(yán)重剝離，墻板連接節(jié)點(diǎn)的螺栓被剪斷，結(jié)構(gòu)失去承載能力，停止加載。

在試驗(yàn)中作動器加載系統(tǒng)記錄了試件水平荷載—位移(p—Δ)關(guān)系滯回曲線[10]，各試件的p-Δ滯回曲線如圖6～8所示。

顯見，圍護(hù)體系W2的承載力最高，W3較W2每個連接處少用一個螺栓，承載力降低，W1圍護(hù)體系承載力最低。

圖6 W1的(p—Δ)滯回曲線圖

圖7 W2的(p—Δ)滯回曲線圖

圖8 W3的(p—Δ)滯回曲線圖

4 耗能及延性分析

當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)遭遇地震時，對于地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，結(jié)構(gòu)有一個吸收和耗散能量的過程。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耗能能力以(p—Δ)滯回曲線所包圍的面積來衡量[7-8]，滯回曲線加載階段所包圍的面積反映了結(jié)構(gòu)吸收能量的大小，卸載階段所包圍的面積反應(yīng)結(jié)構(gòu)耗散的能量。結(jié)構(gòu)所吸收的能量通過內(nèi)摩阻或局部損傷(如開裂、塑性鉸轉(zhuǎn)動)等將能量耗散，耗散的能量越多，表示結(jié)構(gòu)破壞的可能性越小。因此，滯回環(huán)越飽滿，包圍面積越大，則認(rèn)為結(jié)構(gòu)的耗能性能越好[9]。在結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)中，耗能能力是研究結(jié)構(gòu)抗震性能的一個重要指標(biāo)，通常采用能量耗散系數(shù)E和等效粘滯阻尼系數(shù)he來評定結(jié)構(gòu)耗能性能，如圖9所示，能量耗散系數(shù)E和等效粘滯阻尼系數(shù)he的計算見式(1)～(2)。

(1)

(2)

式中：S(ABC+CDA)為滯回環(huán)包圍面積；S(△OBE+△ODF)為滯回環(huán)峰值、坐標(biāo)原點(diǎn)與橫坐標(biāo)軸圍成的三角形面積。

圖9 等效粘滯阻尼系數(shù)計算圖形

按式(1)～(2)計算圍護(hù)體系在屈服荷載處、極限荷載處的滯回環(huán)面積，得到3種圍護(hù)體系的能量耗散性系數(shù)E和等效滯回阻尼系數(shù)he[7，10]，見表2所示。

表2 各試件能量耗散系數(shù)E和等效粘滯阻尼系數(shù)he

從表2可以得出：1)在屈服荷載時，圍護(hù)體系W2的等效粘滯阻尼系數(shù)he和能量耗散系數(shù)E最大；2)在極限荷載時，圍護(hù)體系W3的總耗能、等效粘滯阻尼系數(shù)最大；3)3個圍護(hù)體系中總耗能最大的是W2。

延性是體現(xiàn)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件變形能力大小的一個指標(biāo)，它是當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)入塑性階段，在外荷載持續(xù)作用下，變形繼續(xù)增加，而結(jié)構(gòu)或構(gòu)件不致于被破壞的性能。對于結(jié)構(gòu)的抗震性能而言，延性比承載能力更重要[11]。結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的延性通常用延性系數(shù)表示。本文采用位移延性系數(shù)μ和位移角θ來反映結(jié)構(gòu)變形能力和抗震能力大小，依據(jù)JGJ101《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》采用式(3)～(4)計算：

(3)

(4)

式中：xy、xu為結(jié)構(gòu)、構(gòu)件屈服時和極限荷載時的位移值；H為結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的高度。

根據(jù)各圍護(hù)體系加載過程的測試數(shù)據(jù)，根據(jù)式(3)、式(4)得到位移延性系數(shù)和各階段的位移角，見表3。

表3 各圍護(hù)體系的位移角θ及延性系數(shù)μ

從表3可見：3種圍護(hù)體系的開裂荷載最小值在20kN，大致相當(dāng)于8度設(shè)防大震時非結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受的地震作用，此時，位移角在1/600～1/1 000，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足規(guī)范對多、高層鋼結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值1/300[12]的要求；在相當(dāng)于8度設(shè)防大震時主體結(jié)構(gòu)變形的地震作用下，3個圍護(hù)體系尚未屈服；圍護(hù)體系在破壞時，極限位移角在1/90～1/150，尚小于規(guī)范對多、高層鋼結(jié)構(gòu)在大震作用下彈塑性層間位移角限值1/50[12]的要求，不會對主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響；3種圍護(hù)體系均具有良好的延性，其中圍護(hù)體系W1的延性最好。

5 結(jié)語

本文通過對3塊復(fù)合墻板、2種連接方式組成的3種圍護(hù)體系的抗震性能試驗(yàn)研究。得到結(jié)論如下：1)連接發(fā)生破壞后復(fù)合墻板沒有發(fā)生較大的破壞和脫落，墻板整體性好，達(dá)到了課題的試驗(yàn)?zāi)康摹?jié)點(diǎn)先于整體破壞；2)試驗(yàn)設(shè)計的3種圍護(hù)體系在承載能力、耗能、延性方面均達(dá)到了規(guī)范對結(jié)構(gòu)抗震的性能要求，抗震性能高，三者性能綜合評價各有優(yōu)勢，均可以應(yīng)用于工程實(shí)際；3)2種連接構(gòu)造均為柔性連接，避免了目前常用的焊接連接方式，實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)墻板對框架結(jié)構(gòu)主體剛度不產(chǎn)生影響的結(jié)構(gòu)要求；4)在滿足當(dāng)?shù)毓?jié)能要求的情況下，G型墻板相對于Y型墻板厚度減小，增加了房屋的使用面積；5)2種連接方式相對而言，GZ型不必在墻板制作時預(yù)留孔洞，運(yùn)輸安全，安裝階段方便可行，更具有實(shí)用性。

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The Experimental Research on Seismic Capacity in the Steel Frame Envelope System

LI Jiu-yang，et al.

(SchoolofCivilEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

The main structure of steel frame houses has good seismic performance，so the connecting way between envelope wall and steel frame has important influence in bearing capacity，seismic behavior，ductility，etc in the whole house.According to climatic conditions and the present application situation in the severe cold region in Northeast part of China，the envelope wall panels are improved，and two flexible connection ways of bolts are designed.On the basis of theoretical study，the reduced scale(1∶2)specimens are made，the experiments to test the overall seismic capacity of envelope system are made to make a comparative analysis and get some indexes of the envelope systems such as bearing capacity，energy consumption and ductility，etc.，which verifies the obvious advantage of flexible connection and provides reference for the constructional application of the steel frame housing.

steel frame；envelope wall panel；connection；bearing capacity；energy consumption；ductility

2017-05-09

吉林省科技廳重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(20140203014SF) 國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51478146)

李九陽(1972-)，女(漢)，河南濟(jì)源，碩士，副教授 主要研建筑結(jié)構(gòu)與抗震。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.002

TU392

A

1009-8984(2017)02-0006-05