带预制墙体的半刚性钢框架结构体系受力研究综述

(华南理工大学土木与交通学院 广东 广州 510640)

一、引言

“钢结构+预制墙体”的结构形式是我国推行住宅产业化，响应国家“十三五”期间的国家有关去过剩产能、节能减排与绿色建筑等相关政策的一种优良结构形式。在这种体系中，框架结构因其结构简单、平面布置灵活、易于标准化生产、施工速度快等优点成为目前多高层建筑中倍受青睐的结构形式。预制墙体施工简便，节约工期，便于震后墙体的修复与更换，可以进一步推进建筑的绿色化、工业化与信息化，实现传统产业转型升级。

为了实现钢结构中墙板的快速装配，外挂式墙板应运而生，克服了内填式墙体的现场湿作业，钢框架在承受水平荷载作用时，外挂式墙板会在早期参与结构受荷，共同抵抗水平力，但墙板角部连接处容易过早出现开裂而退出工作，外挂墙板被定位为外围护构件，而非承重构件，将其作为增加结构的冗余度的措施来考虑。因此，传统的“钢结构+预制墙体”结构形式设计中，无论何种预制墙体往往仅作为外挂式墙体，不参与内力计算。然而，近些年国外众多学者研究表明，不同的预制墙体设计，结合可靠的连接方式，预制墙体能发挥结构功能，成为结构体系中耗能的重要一环。同时，半钢性钢框架结构体系历经长久的发展，已开始应用国内外众多工程中，然而半刚性钢框架的抗侧刚度较小，在水平荷载作用下层间位移较大，仅限用于中低层建筑，对与多高层结构抗震而言尤其不利，设计中常采用抗侧力单元(中心支撑，偏心支撑与剪力墙)来满足相关要求。半刚性钢框架与预制轻墙体的协同受力体系，不仅仅避免额外的抗侧力构件，而且设置了多道抗震防线，同时能够实现墙体的轻型化与绿色环保，但分析墙板连接的力学性能、理清轻墙体与半刚性钢框架的共同作用机理是该结构体系推广与应用的关键。

二、建筑钢结构的预制墙体研究

墙体类型种类繁多，连接方式多样。目前我国钢结构建筑的外墙根据墙体自身结构分为：钢板剪力墙、钢筋混凝土剪力墙、砌块填充墙、薄壁钢骨架外墙板、蒸压加气混凝土板与复合夹层墙板等。此外根据墙板与钢框架连接形式的不同。带墙板的钢框架结构一般分为三种：一种是墙体通过现浇的方式内填在钢框架内，通过预埋的剪力键与钢框架成为一体共同抵抗水平与竖向荷载，内填式墙体钢结构的需要现场湿作业，施工速度较慢，该类型结构的抗侧刚度与承载力较大，研究表明过刚的内填墙体虽然可以满足大多静力荷载的需求。第二种是墙板通过连接件挂接于钢框架上，墙体的构造与建筑性能上能够实现多样性与轻型化，且便于快速安装，但外挂式墙板容易在四角连接处出现过早的破坏，无法达到理想的协同作用效应。第三种是抗侧力墙板通过预留钢板或套筒与主体结构进行螺栓连接内嵌，该种连接方式需要特殊的处理才能避免出现预埋钢板与混凝土连接界面处首先出现破坏。后两种连接方式为目前研究中预制墙体主要的连接的基本形式。

为了更加准确的获取墙体受力性能，部分学者对独立的墙体单元进了一系列研究，其中代表性的研究有：李升才等[1]进行了14块CL复合墙板抗剪性能试验和12块复合墙板轴压性能试验。田海等[2]通过拼接ALC墙体的抗剪试验认为：墙体的自身的抗剪性能的因素为拼合界面的粘结性能、连接方法等，协同作用下底层墙板侧向刚度贡献率为21%。侯和涛等[3]进行了5块复合墙板的抗弯试验和有限元参数分析，在此基础上进一步对块复合墙板的振动特性展开试验研究，探究了钢丝布置对复合墙板的抗弯性能与阻尼比的影响。Gara等[4]对夹层墙体在面内压力、对角压力下的受力性能进行了试验与数值模拟的研究，Ehab[5]进行内桁架式剪力键的夹层混凝土墙板的试验研究，并建立了理论计算模型与分析方法，Douglas[6]等建立部分组合效应的夹层墙板承压数值分析模型。预制墙板的抗剪、轴压与抗弯试验表明，墙板自身具备一定的能力承受外部荷载，能够参与结构共同受力。

三、带预制墙体钢框架结构研究

关于预制墙板与框架协同受力结构体系的国外学者开展研究较早，相对于当前国内全方面开展装配式结构的研究与工程实践，国外的相关研究进展缓慢，且热点集中在材料层面上创新与应用。大量的试验与多次的震害表明多道抗侧设防结构中，首道抗震设防容易产生变形集中和能量聚集，预制墙与钢框架共同作用结构体系中墙板会首先受损，对带预制轻墙的半刚性钢框架结构的地震损伤性能清晰、准确、量化的把握是保证该类结构抗震可靠性的关键。

国内早期有关钢结构中的预制墙板研究以外挂式墙板为主，李国强等[7]较早的开展了钢结构住宅体系的外挂墙板足尺模型振动台试验,表明该结构具备8度抗震能力，墙板对钢结构的地震作用及抗震性能有较大的影响，其中墙板连接节点的处理尤为关键。王静峰等[8]进行了一系列复合墙板与半刚性组合钢框架的试验，考察该结构体系的破坏模式与耗能机制，并进行了有限元数值模拟，探究了墙板的开洞的影响。郭宏超等[9]从材料层面上采用再生块体外挂混凝土墙板，并进行了钢框架试验，相对于纯框架结构，其承载力、耗能、刚度均有提升，其极限承载力提高20%；另外梁柱节点的刚度对结构的整体性能影响较大，并建议梁柱采用半刚性连接。国外方面代表性研究：Wright和Gallocher[10]进行了4榀外挂复合墙板型钢框架试验，分别研究在施工阶段和正常使用阶段的结构受力性能，Hanaor[11]进行了内嵌复合墙板型钢框架拟静力试，Kwon[12]等采用玻璃纤维聚合物来修复墙板与钢框架的设计流程与方法。综合上述研究发现外挂式墙板在容易在受荷早期开裂，对结构在弹塑性阶段提供的作用有限，在实际工程中将其设计为外围护构件，不参与结构受力，但可提高结构的冗余度。

为了实现预制墙板与钢框架的协同作用，曹万林等[13]提出了一系列的轻墙体、暗支撑、装配式单层钢筋骨架等构造措施，研究得出轻墙能够实现多道抗震的效果。吴函恒等[14]提出了几种新型构造的预制抗侧力墙板，研究了预制墙板与刚接钢框架的连接效应、传力机制与协同作用计算模型。江力强等[15]对几种不同构造的装配式深梁内填式墙板的抗侧力性能进行了试验与数值分析，并进行了地震的易损性分析。研究结果表明预制墙板与钢框架是可以实现协同作用，并能实现多道抗震的设计目标，仍需进一步的深入研究。

四、结论

综上所述，虽然国内外学者针对半刚性钢框架力学性能、预制墙体与钢框架协同作用进行大量分析和研究，得到一些有益建议和结论。但有关带预制墙体钢框架类结构的研究较少，更多的集中于钢框架本身或者预制墙体本身，未能将其充分结合作为进行充分考虑其结构性能，而有关影响这类结构性能的墙体布置优化理论更少。再者，在预制墙体与钢框架连接构造的研究也较少。因此，需在寻求可靠的轻型预制墙体与框架的连接构造基础上，研究预制墙体与框架结构的协同作用机理，提出能表征不同类型的半刚性钢框架-轻型预制墙体协同计算模型，并探究不同建筑功能、结构功能需求的轻型预制墙体优化方法，便可以得到能实现半刚性钢框架结构中轻型预制墙体“构件-结构-体系”最优的设计方案。