钢框架围护体系抗震性能的试验研究

李九阳，陈 剑

(1.长春工程学院土木工程学院，长春 130012； 2.哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨 150090)

钢框架围护体系抗震性能的试验研究

李九阳1，陈 剑2

(1.长春工程学院土木工程学院，长春 130012； 2.哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨 150090)

钢框架住宅主体结构本身抗震性能良好，故围护墙板与钢框架的连接方式对房屋整体的承载能力、抗震性能、延性等具有重要影响，结合东北地区的气候条件、工程应用现状，优化了围护墙板构造，设计了2种柔性螺栓连接方式。在理论研究的基础上，制作了1∶2缩尺试件，进行了围护体系整体抗震性能的试验，对比分析得到了不同围护体系的承载力、耗能、延性等指标，验证了柔性连接的明显优势，为钢框架结构的工程应用提供了参考。

钢框架；复合墙板；连接；承载力；耗能；延性

0 引言

随着国民经济的发展，钢结构作为绿色建筑在新型城镇化进程中得到大力推广，2016年3月17日，《国家十三五纲要》中正式提出“推广装配式建筑和钢结构建筑”[1]，大力发展新型建筑工业化，已上升为推进社会经济发展的国家战略。钢框架住宅具有自重轻、易安装、施工周期短、抗震性能好、环境污染小等优点[2]，在民用建筑中的应用越来越广泛，结合装配式钢框架特点，其外围护墙体一般采用便于安装的轻质复合墙板[2]。在东北严寒地区，轻质复合墙板的研究也初具规模，但是复合墙板与钢框架住宅的连接方式目前大多采用焊接，焊接连接方式具有施工工艺简单、速度快等优点。在没有地震的情况下，承载能力有很好的保证。近年来随着地震的频发，人们对建筑结构的抗震性能更加重视，轻质复合墙板与钢框架采用焊接连接往往成为抗震性能的薄弱环节[3]。因此，本文针对严寒地区气候条件，优化了外围护复合墙板，并设计了与钢框架的柔性连接方式，进行了围护体系(围护墙板和连接)整体抗震性能的试验研究。

1 围护墙板与连接的试验工况

本次试验根据严寒B区气候条件及当地住宅节能要求，优化了企业原有的复合墙板、设计了新型柔性连接方式(螺栓连接)，组成3种围护体系W1、W2、W3，根据理论分析结论[4]，制作了1∶2的缩尺试件(1.5 m×1.3 m)进行了低周往复荷载作用下的抗震性能研究[5]，3种围护体系的墙板类型及连接方式工况组成见表1。

复合墙板的构造及相应连接的具体构造及工艺如下：

墙板Y1：轻质复合墙板Y1在当地某企业已经生产并投入使用。其构造为：内、外两侧为C20火山灰轻质混凝土板，厚度均为50 mm，内置Φ3@50HRB400的钢丝网；中间保温层采用模塑聚苯乙烯板(EPS)，厚200 mm；三层材料在墙板的四周采用Φ8HRB400的钢筋网格包裹形成骨架；墙板总厚度300 mm[4]。

墙板(G1、G2)：墙板G1、G2构造相同。课题组在对企业轻质复合墙板优化后形成新型复合墙板，其构造为：内、外两侧采用C20火山灰轻质混凝土板，厚度50 mm，内置Φ5@200的CRB500钢丝网；中心保温层采用挤塑聚苯乙烯板(XPS)，厚度为150 mm；三层材料之间采用Φ5CRB500的钢筋桁架穿过连接；墙板总厚度250 mm。

本次试验3块墙板与钢框架的连接方式均采用半外挂式，即内层混凝土板搁置在钢框架上，保温层和外层混凝土板外包钢框架，这种连接方式避免了主体结构的冷桥。3块墙板与钢框架的连接位置均在钢框架梁上，根据受力计算简图，确定最合理的连接点在墙板跨度的1/4处，连接具体构造如下：

YZ1连接方式如图1，具体如下：墙板加工时，在设计连接位置处预埋一槽型钢框(10×10×10 cm，钢板厚5 mm)，钢框下翼缘预留螺栓孔(12+1.5) mm；钢框架梁设计位置处上翼缘预留螺栓孔(12+1.5) mm，为减小翼缘开孔对钢框梁削弱的影响，可加焊一钢板，钢板上开同样的螺栓孔；墙板吊装就位后，M12螺栓从钢梁上翼缘下侧依次穿过翼缘、加焊钢板、钢框的下翼缘的螺栓孔，拧紧螺栓帽，最后用泡沫混凝土或聚氨酯填充封堵钢框[4]。

GZ1连接方式及构造如图2：墙板制作时，在设计连接位置处预埋一工型预埋件(预埋件由2块钢板和2根套筒组成，钢板尺寸为150×120×6 mm，分别埋置于墙板内、外侧混凝土中，埋置于墙板内侧混凝土中的钢板要求与墙板内表面平齐；钢套筒内径Φ14，长210 mm，套筒靠近墙板内侧1/2长度范围为内置螺纹，剩余部分实心构造；钢套筒表面应封堵以防止混凝土掉入；钢框架梁设计连接位置处上表面焊接连接角钢L90×10，竖肢上开设2个螺栓孔(14+1.5)mm；墙板吊装就位后，用螺栓连接角钢竖肢与墙板预埋件内套筒。

图1 YZ1连接节点

试件GZ2：GZ2连接形式、工艺与GZ1完全相同，为了得到连接节点的承载力，连接螺栓、套筒改为每个连接节点1个。

图2 GZ1连接节点

考虑到本课题还有多个试件均需在同一个钢框架上连接及加载，通过设计、计算，制作了加载框架[5]，加载框架及支撑均采用Q345钢，包括支座梁、两个框架柱、两个框架梁(上梁、底梁)、牛腿及斜撑。钢梁与钢柱采用热轧H型钢，梁截面型号HW350×350×12×19，柱截面型号HW350×350×12×19，支座梁截面型号HW350×450×12×19，钢斜撑采用槽钢，截面型号[250×82×11×12。加载框架及支撑侧视图如图3，墙板安装后如图4所示。

图3 加载框架及支撑

图4 安装就位准备加载

2 试验加载

本试验采取拟静力低周往复加载，将模拟地震荷载直接加载在复合墙板上，通过连接将荷载传至钢框架，研究围护体系在地震作用下的受力机理和破坏形式。加载方案采用力控制和位移控制混合加载法。围护体系的破坏原则为当荷载出现明显的下降(降低到峰值荷载85%以下)，或者发生下列现象之一时就认为围护体系失效：1)螺栓被剪断；2)墙板局部混凝土被压碎；3)墙板表面出现严重的裂缝并且贯穿墙板[6]。

为确保试验数据的准确以及结果分析的可靠性，试验正式加载前，先对试件进行了预加载，测试设备和加载系统的工作性能。先预加2 kN，再预加到5 kN，然后回0，重复两次。在预加载过程中，观测所有测点的应变、位移是否呈线性增加；当卸载为0时，所有测点的读数是否回到初始读数。

正式加载时首先采用力控制法，通过液压伺服作动器对试件中间位置施加水平往复集中力，以作动器水平推力为正方向，拉力为反方向，先施加推力，后施加拉力。初始值为0 kN，以±5 kN为加载步长，逐级增加荷载，每级荷载持时2 min，然后施加下一级荷载，围护体系屈服后采用位移控制法，分别按照1倍屈服位移、2倍屈服位移等，直至围护体系失效[7]。

位移的测量：试验中墙板在荷载作用下产生的位移由作动器系统的位移传感器采集。考虑到在往复荷载作用下，加载框架支座与地面之间可能或产生相对滑动，因此，在框架支座底部也布置了位移传感器，从而保证墙板测得位移量的准确性[8-9]。试件加载位移计布置如图5所示。

图5 试件加载位移计布置图

3 试验现象及分析

W1围护体系在加载过程中，往复荷载小于20 kN前，墙板表面未观察到任何裂缝，加载路径与卸载路径几乎完全吻合，墙板处于弹性阶段；加载到30 kN时，墙板左下角预埋件周围和墙板背面产生了少量细微的斜裂缝，试件出现明显位移；加载到40 kN循环时，墙板连接节点处螺栓和连接钢板发生错动而产生清晰的摩擦声；加载到50 kN时，连接节点发出清脆的“嘣嘣”声，连接节点变形增大，加载框架发生滑移，支座梁与抗拔锚杆产生摩擦位移；继续加载到70 kN循环时，墙板的左下角、右下角预埋件周围的斜裂缝明显加宽、加深，并且伴有新的裂缝产生；当加载80 kN循环时，墙板的左下角和右下角预埋件周围斜裂缝贯通墙体，连接节点螺栓屈服，螺栓出现肉眼可见的剪切变形；当加载90 kN时，墙板下部连接节点螺栓被剪断，此时墙板失去承载能力，停止加载。

W2围护体系在加载过程中，往复荷载小于70 kN前，墙板、连接的表现与Y1墙板开裂前基本相同，之后墙板G1出现裂缝；在加载至80 kN时，墙板的左下角和右下角预埋件上部的斜裂缝继续加宽加深，即将贯通，并且又有新的裂缝产生，累积损伤随着反复荷载变得越来越明显；加载至100 kN时，右下角混凝土剥落了一小块，墙板的左下角和右下角预埋件斜裂缝贯通墙体，墙板侧面出现许多裂缝；加载至130 kN循环时，预埋件处混凝土继续脱落，墙板侧面混凝土出现碎裂，每次的推、拉转换过程中墙板内部均发出“砰砰”的声音；当荷载加至165 kN时，墙板预埋件处的钢筋断裂，节点区域混凝土完全拉裂，墙板刚度大幅度下降，退化严重。此时墙板失去承载能力，停止加载。

W3围护体系在加载过程中，往复荷载小于70 kN前，墙板、连接的表现与W2基本相同，在G2墙板和GZ2连接节点加载到70 kN循环时，墙板的左下角和右下角预埋件上部的斜裂缝继续加宽加深，并且不断有新的裂缝产生；循环加载至90 kN时，墙板预埋件周围出现较多斜裂缝，而且左下角、右下角预埋件斜裂缝以及背面中间线方向裂缝贯通墙体；加载120 kN循环荷载时，预埋件混凝土严重剥离，墙板连接节点的螺栓被剪断，结构失去承载能力，停止加载。

在试验中作动器加载系统记录了试件水平荷载—位移(p—Δ)关系滞回曲线[10]，各试件的p-Δ滞回曲线如图6～8所示。

显见，围护体系W2的承载力最高，W3较W2每个连接处少用一个螺栓，承载力降低，W1围护体系承载力最低。

图6 W1的(p—Δ)滞回曲线图

图7 W2的(p—Δ)滞回曲线图

图8 W3的(p—Δ)滞回曲线图

4 耗能及延性分析

当建筑结构遭遇地震时，对于地震输入结构中的能量，结构有一个吸收和耗散能量的过程。结构构件的耗能能力以(p—Δ)滞回曲线所包围的面积来衡量[7-8]，滞回曲线加载阶段所包围的面积反映了结构吸收能量的大小，卸载阶段所包围的面积反应结构耗散的能量。结构所吸收的能量通过内摩阻或局部损伤(如开裂、塑性铰转动)等将能量耗散，耗散的能量越多，表示结构破坏的可能性越小。因此，滞回环越饱满，包围面积越大，则认为结构的耗能性能越好[9]。在结构抗震试验中，耗能能力是研究结构抗震性能的一个重要指标，通常采用能量耗散系数E和等效粘滞阻尼系数he来评定结构耗能性能，如图9所示，能量耗散系数E和等效粘滞阻尼系数he的计算见式(1)～(2)。

(1)

(2)

式中：S(ABC+CDA)为滞回环包围面积；S(△OBE+△ODF)为滞回环峰值、坐标原点与横坐标轴围成的三角形面积。

图9 等效粘滞阻尼系数计算图形

按式(1)～(2)计算围护体系在屈服荷载处、极限荷载处的滞回环面积，得到3种围护体系的能量耗散性系数E和等效滞回阻尼系数he[7，10]，见表2所示。

表2 各试件能量耗散系数E和等效粘滞阻尼系数he

从表2可以得出：1)在屈服荷载时，围护体系W2的等效粘滞阻尼系数he和能量耗散系数E最大；2)在极限荷载时，围护体系W3的总耗能、等效粘滞阻尼系数最大；3)3个围护体系中总耗能最大的是W2。

延性是体现结构、构件变形能力大小的一个指标，它是当结构或构件进入塑性阶段，在外荷载持续作用下，变形继续增加，而结构或构件不致于被破坏的性能。对于结构的抗震性能而言，延性比承载能力更重要[11]。结构、构件的延性通常用延性系数表示。本文采用位移延性系数μ和位移角θ来反映结构变形能力和抗震能力大小，依据JGJ101《建筑抗震试验方法规程》采用式(3)～(4)计算：

(3)

(4)

式中：xy、xu为结构、构件屈服时和极限荷载时的位移值；H为结构、构件的高度。

根据各围护体系加载过程的测试数据，根据式(3)、式(4)得到位移延性系数和各阶段的位移角，见表3。

表3 各围护体系的位移角θ及延性系数μ

从表3可见：3种围护体系的开裂荷载最小值在20kN，大致相当于8度设防大震时非结构构件承受的地震作用，此时，位移角在1/600～1/1 000，远远满足规范对多、高层钢结构弹性层间位移角限值1/300[12]的要求；在相当于8度设防大震时主体结构变形的地震作用下，3个围护体系尚未屈服；围护体系在破坏时，极限位移角在1/90～1/150，尚小于规范对多、高层钢结构在大震作用下弹塑性层间位移角限值1/50[12]的要求，不会对主体结构产生影响；3种围护体系均具有良好的延性，其中围护体系W1的延性最好。

5 结语

本文通过对3块复合墙板、2种连接方式组成的3种围护体系的抗震性能试验研究。得到结论如下：1)连接发生破坏后复合墙板没有发生较大的破坏和脱落，墙板整体性好，达到了课题的试验目的——节点先于整体破坏；2)试验设计的3种围护体系在承载能力、耗能、延性方面均达到了规范对结构抗震的性能要求，抗震性能高，三者性能综合评价各有优势，均可以应用于工程实际；3)2种连接构造均为柔性连接，避免了目前常用的焊接连接方式，实现了轻质墙板对框架结构主体刚度不产生影响的结构要求；4)在满足当地节能要求的情况下，G型墙板相对于Y型墙板厚度减小，增加了房屋的使用面积；5)2种连接方式相对而言，GZ型不必在墙板制作时预留孔洞，运输安全，安装阶段方便可行，更具有实用性。

[1] 国务院.国家十三五发展规划纲要(2016)[EB/OL].(2017-01-20).http：//www.sh.xinhuanet.com/2016-03/18/c_13 5200400_2.htm.

[2] 金晓飞，高松召，杨晓杰，等.内嵌墙板钢框架等效单斜撑简化模型[J].哈尔滨工业大学学报，2013，40(6)：16-22.

[3] 纪伟东.钢结构住宅中围护墙板体系技术研究[D].天津：天津大学，2013.

[4] 国伟.轻型钢结构住宅夹芯复合墙板构造技术及抗震性能研究[D].长春：长春工程学院，2016.

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[6] 窦立军.预制钢筋混凝土复合保温外挂墙板的设计与施工[M].北京：高等教育出版社，2013.

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[9] 邱灿星.带复合墙板钢框架的滞回性能研究[D].济南：山东大学，2011.

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[12] 建筑工业出版社.GB50011—2009 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

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

吉林省科技厅重大科技攻关项目(20140203014SF) 国家自然科学基金面上项目(51478146)

李九阳(1972-)，女(汉)，河南济源，硕士，副教授 主要研建筑结构与抗震。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.002

TU392

A

1009-8984(2017)02-0006-05