冷弯薄壁型钢-石膏板组合墙体抗侧性能研究

马全涛，涂涛，姚欣梅，邹昱瑄

(山海大象集团，山东 日照 276599)(林同棪(重庆)国际工程技术有限公司，重庆 401121)(长安大学建筑工程学院，陕西 西安 710061)

冷弯薄壁型钢组合墙体作为冷弯薄壁型钢结构体系的主要抗侧力及承重构件，由自攻自钻螺钉连接墙面板与冷弯薄壁型钢骨架，面板的蒙皮效应使组合墙体具有较高的抗侧性能。目前国内外学者已对传统组合墙体的抗侧性能进行了深入研究，发现其抗侧性能的影响因素众多，主要包括面板类型(纸面石膏板、定向刨花板、钢板等)、加载方式(单调加载、低周反复加载、竖向荷载)、墙体高宽比及螺钉间距等。随着人们对冷弯薄壁型钢结构抗震性能要求的提高，新型冷弯薄壁型钢组合墙体及其受力性能也得到广泛关注。Yu C等[1～3]对采用薄钢板作为墙面板的冷弯型钢组合墙体抗侧性能进行试验研究，试件主要发生螺钉连接失效及薄钢板屈曲破坏，应对端柱底部进行局部加强防止其因受力较大而发生屈曲，并提出墙体抗剪承载力修正系数以考虑高宽比的影响。高宛成[4]研究了单调及低周反复荷载作用下覆竹胶合板及不覆板的冷弯薄壁型钢组合墙体的受力特性，发现以竹胶合板作为墙面板可显著增强组合墙体的抗侧性能，实用性较强。叶继红等[5]对不同构造形式的双层双侧覆墙面板的冷弯薄壁型钢组合墙体进行抗剪性能试验研究，以玻镁板为面层的墙体峰值荷载高于现行规范极限承载力标准值，以硅酸钙板为面层的墙体发生脆性破坏，延性较差。刘斌等[6]采用低周反复加载试验对喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢组合墙体的抗剪性能进行研究，试件破坏模式为端墙架柱下部局部压屈及冷弯薄壁型钢框架与轻质砂浆之间发生粘结滑移；墙体抗侧刚度受斜撑的影响较小，但随立柱轴压比增大墙体抗侧刚度提高；提高斜撑节点强度及减小立柱轴压比均可提高墙体的抗剪承载力。田惠文等[7]对冷弯薄壁型钢桁架剪力墙进行试验研究，桁架剪力墙的极限承载力较传统冷弯薄壁型钢墙体有明显提高，并进一步对此桁架剪力墙的不同参数进行分析。Zhang W等[8]对以压型钢板作为面板的冷弯薄壁型钢墙体抗侧性能进行试验研究，施加竖向荷载对墙体的抗剪承载力及初始刚度有提高作用，并建议将7%作为该类组合墙体的水平位移限值。Mohebbi S等[9]研究了覆石膏板及水泥纤维板冷弯薄壁型钢组合墙体的抗剪性能，覆墙面板使组合墙体的抗侧刚度、受剪承载力及耗能能力分别提高67%、80%及76%。徐敬文[10]通过研究薄钢板作为墙面板的冷弯薄壁型钢墙体的抗剪性能，表明加密螺钉间距、减小立柱间距、提高龙骨厚度或强度均可明显提高墙体抗剪承载力，而薄钢板强度对墙体抗剪承载力影响较小。李元齐等[11]通过将冷弯型钢龙骨与墙面板螺钉连接的恢复力模型引入基于自攻自钻螺钉连接性能的冷弯型钢龙骨式剪力墙有限元模型中，可准确体现墙体滞回性能，并提出龙骨式剪力墙数值模拟简化方法。王星星[12]采用试验方法研究了强边柱冷弯薄壁型钢组合墙体的抗剪性能，方钢管混凝土边柱可有效抑制螺钉倾斜；与传统双肢拼合C形边柱相比，强边柱冷弯薄壁型钢墙体的抗剪强度及刚度均明显提高。

冷弯薄壁型钢组合墙体的抗侧性能影响因素较多，仍需深入研究。因此，笔者采用单调及低周反复加载试验研究5个12mm石膏板冷弯薄壁型钢组合墙体试件的抗侧性能，并分析加载方式、高宽比等因素对试件抗剪承载力等抗侧指标的影响，以期为冷弯薄壁型钢组合墙体的设计提供参考。

1 试验介绍

1.1 试件设计

按照1∶1比例设计2组共5个单面覆12mm石膏板的冷弯薄壁型钢组合墙体试件，试验主要参数见表1。W-A墙体试件包括冷弯薄壁型钢立柱 (规格为C89×44mm×12mm×1mm)、上下U形导轨(规格为U89×44mm×1mm)、扁钢带(规格为50mm×1mm(宽×厚))及12mm厚石膏板组成，其中W-A1、W-A2的尺寸为3m×2.4m(见图1(a))，W-A3的尺寸为3.3m×2.4m(见图1(b))。墙体端柱采用双肢C形立柱背靠背拼合而成，立柱间距为600mm。试件中C形立柱与U形导轨的连接及石膏板与冷弯薄壁型钢龙骨的连接均采用ST4.8自攻螺钉，连接间距为150/300mm(面板四周/内部)，在墙面板接缝处布置水平扁钢带。

表1 试件编号及参数

试件W-B的构造如图1(c)所示，墙体尺寸为3.3m×2.4m，在墙体中间高度位置设置规格为U89×44×1.0mm的水平横撑，墙体所有螺钉间距为150mm，其他构造与W-A相同。

图1 试件构造尺寸详图(单位：mm)

1.2 材料材性

试验选用1.0mm厚Q345B级镀铝锌钢板，钢材材性根据《金属材料 拉伸试验 第一部分：室温试验方法》(GB/T 228.1—2010)[13]进行试验测得，钢材屈服强度fy=320MPa，抗拉强度fu=379 MPa，弹性模量E=2.23×105MPa，伸长率为34%，试验选用12mm厚石膏板，其材性参考文献[14]。

1.3 试验装置及位移计布置

在试件顶部通过分配梁中点与竖向千斤顶连接，可对试件施加竖向荷载。水平荷载采用拉、压千斤顶作用在墙顶部的加载顶梁上。为防止组合墙体发生平面外倾斜，在加载顶梁两侧布置侧向滚动支撑。试验装置和试件的位移计D1～D9布置如图2和图3所示，具体量测内容参考文献[15]。

图2 试验装置 图3 位移计布置图

1.4 加载制度

若试件需要施加竖向荷载，则首先通过竖向千斤顶对墙体施加35kN竖向力并保持恒定不变。对于水平单调加载试件，以0.02mm/s的速率及位移控制加载，当荷载降至峰值荷载85%时表明试件破坏，停止加载。对于低周反复加载试件，根据《建筑抗震试验规程》(JGJ/T 101—2015)[16]，在试件屈服前按4级单循环加载至屈服荷载Py，Py依据单调加载试验确定。在试件屈服后，位移极差为0.5Δy，Δy为屈服位移，每级循环3次，当荷载降至峰值荷载85%时表明试件破坏，停止加载。

2 试验现象

图4 组合墙体破坏特征

以W-A1试验现象为例，试件破坏特征如图4所示。当荷载为3kN时，2块石膏板中间接缝上下错位约3mm；随荷逐渐增大，石膏板之间的相对转动加大；当荷载达到峰值荷载Pmax=9.12kN时石膏板与自攻螺钉之间的剪切挤压破坏严重，钉头嵌入石膏板内；随墙体水平位移增大，石膏板周边的自攻螺钉逐渐倾斜失效，直到彻底破坏，但试验过程中石膏板中部的螺钉连接并未破坏。低周反复加载的试件，由于石膏板属于脆性材料，在水平荷载反复作用下，螺钉孔壁受损严重，钉孔不断扩大，导致螺钉与面板之间的连接松动，型钢龙骨不能与面板同时受力，表现为空载滑移现象。此外，由于端柱受力较大，在无面板一侧的下导轨端部翼缘处发生屈曲。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

墙体实际剪切变形依据《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》(JGJ 227—2011)[17]B.0.6计算得到， W-A、W-B系列试件的P-Δ(荷载-位移)曲线如图5和图6所示，骨架曲线对比如图7所示。

图5 W-A试件的P-Δ曲线

图6 W-B试件的P-Δ曲线

图7 骨架曲线对比图

根据《建筑抗震试验规程》(JGJ/T 101—2015)[16]规定，峰值荷载Pmax、峰值位移Δmax分别为组合墙体骨架曲线中峰值点对应的荷载及位移；屈服荷载Py、屈服位移Δy采用能量等效面积法[11]作图确定，破坏荷载Pu、破坏位移Δu分别为荷载降低至85%峰值荷载时对应的荷载及位移。单调及低周反复加载的试件单位长度抗剪墙的受剪承载力设计值Sh，分别参考《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》(JGJ 227—2011)[17]8.2.4款条文说明及参考文献[6]进行计算。试件的主要试验结果如表2所示。

3.2 主要试验结果对比分析

1)同组试件结果比较。由图5所示的W-A荷载-位移曲线可知，试件初始刚度较大，曲线较为饱满，耗能性能较好，但随荷载增加，刚度退化严重；试件在加载过程中出现空载滑移现象；加载后期，滞回环水平段很长，说明墙体滑移量较大，耗能能力降低。对比图7(a)所示的骨架曲线及表2可知，单调加载试件与低周反复加载试件的荷载-位移曲线并无明显差别，但低周反复加载试件的屈服前刚度较单调加载试件偏低。将W-A1与W-A2进行对比，结果表明低周反复加载W-A2的屈服荷载、峰值荷载及单位长度抗剪墙的受剪承载力设计值较W-A1依次降低1.74%、5.92%、27.62%。将W-A2与W-A3进行对比，结果表明将墙体高宽比由1.25增大为1.375，屈服荷载、峰值荷载及单位长度抗剪墙的受剪承载力设计值依次提高6.12%、4.9%、3.57%。

由图6可知，W-B系列试件滞回曲线与W-A试件类似，刚度退化严重，加载过程中出现空载滑移现象。比较图7(b)所示骨架曲线及表2可知，在试件屈服前单调加载试件W-B1的刚度明显高于低周反复加载试件，原因为单调加载试件无反复加载累积损伤。W-B2与W-B1相比，屈服荷载Py约降低9.6%，峰值荷载约降低15.5%。且W-B试件在单调加载时单位长度抗剪墙的受剪承载力设计值为2.20kN/m，在低周反复加载时为1.47kN/m，约降低33.2%。

2组试件试验结果均说明以下几点：低周反复加载试件由于加载过程中的累积损伤，其屈服前刚度、屈服荷载、峰值荷载及单位长度抗剪墙的受剪承载力设计值低于单调加载试件；增大墙体高宽比，可提高墙体的抗侧性能，但影响不大。

2)各组试件之间结果对比。根据表2对比W-A3与W-B2试件，二者墙体高宽比相同，在W-B2试件的螺钉间距小于W-A3的情况下，W-B2的屈服荷载、峰值荷载及单位长度抗剪墙的受剪承载力设计值较W-A3依次降低29.49%、25.66%、24.62%，则说明施加竖向荷载会降低组合墙体的抗侧性能。

表2 试验结果

4 结论

采用单调及低周反复加载试验对5个冷弯薄壁型钢-石膏板组合墙体的抗侧性能进行试验研究，得出以下结论：

1)低周反复加载试件的屈服前刚度、屈服荷载、峰值荷载及单位长度抗剪墙的受剪承载力设计值均低于单调加载试件，说明加载方式对该类石膏板覆面墙体抗侧性能影响较大。

2)将墙体高宽比由1.25增大为1.375，屈服荷载、峰值荷载及单位长度抗剪墙的受剪承载力设计值依次提高6.12%、4.9%、3.57%，说明增大墙体高宽比，可提高墙体的抗侧性能，但影响有限。

3)施加竖向荷载会降低组合墙体的抗侧性能。