带外挂夹心保温混凝土墙板钢框架结构抗震性能试验研究

穆弘 陈安英 胡晨 余继坡

带外挂夹心保温混凝土墙板钢框架结构抗震性能试验研究

穆弘1陈安英2，*胡晨1余继坡2

（1.国网安徽省电力有限公司经济技术研究院，合肥 230061； 2.合肥工业大学，合肥 230009）

为研究带外挂夹心保温混凝土墙板钢框架的抗震性能，考虑有无墙板、墙板类型、点支撑连接螺栓类型等因素，对无墙板钢框架和带外挂夹心保温混凝土墙板钢框架进行低周反复荷载下的对比试验。结合试件破坏特征，分析了结构的滞回曲线、延性系数、耗能能力等抗震性能评价指标。结果表明：带外挂夹心保温混凝土墙板钢框架的破坏模式为“先墙板后框架”的形式；加载过程中墙板与框架连接螺栓在挂件节点预留槽口中产生滑移变形，当螺栓滑移至长槽口边缘后出现局部混凝土严重压碎开裂或螺栓剪切破坏，同时墙板破坏后钢梁屈曲变形而框架柱未有明显破坏。在弹性加载阶段墙板的存在能够提高框架体系的侧向承载性能，而在破坏阶段连接节点保证了结构整体的延性变形能力，使墙板与框架可以协同变形，但墙板开洞会削弱结构的整体性；墙板挂架节点采用不同类型的螺栓在弹性加载阶段对结构的抗震性能没有影响。

钢框架， 点支撑， 外挂夹心保温混凝土墙板， 低周反复加载， 破坏特征， 抗震性能

0 引 言

住建部在2019年12月将促进建筑产业转型升级、大力推进装配式钢结构建筑作为工作重点任务之一。装配式钢结构建筑主体结构常采用技术成熟、抗震性能优越的钢框架结构体系，外围护体系与主体结构的匹配性、安全性以及装配化程度是影响推广应用装配式钢结构建筑的一个关键要素。目前，装配式钢结构建筑外围护墙板主要有单一材质轻型条板、轻钢龙骨复合墙板和预制混凝土夹心保温整间板三类。其中，预制混凝土夹心保温整间板具有板缝较少、防水性能优越、保温围护构造工厂一次成型、施工安装方便的优点［1-2］，但也存在应用在钢结构上抗震性能不够明确的现实技术问题。

近年来，国内外学者对带砌块类墙体或条板类墙板的钢框架结构抗震性能开展了一系列研究，如文献［4-10］分别通过试验及理论分析方法研究了带填充墙钢框架结构的抗震性能，文献［11-13］对带蒸压加气混凝土条板墙板钢框架抗震性能进行了研究。研究结果表明与钢框架协同受力的砌块或轻质条板在水平地震作用下会对钢框架的受力性能产生不同程度的影响，如不同的墙板类型、外形尺寸等均会影响墙体的承载力与变形能力，进而可能会影响框架结构的受力性能，研究成果为在钢框架结构中应用砌块或轻质条板构造与设计方法提供了依据。然而，地震荷载下外挂夹心保温混凝土墙板与钢框架共同作用和抗震方面的研究尚不多见，试验数据与理论依据的缺乏影响了该结构的工程应用。

对无墙板钢框架和带外挂夹心保温混凝土墙板钢框架进行低周反复荷载对比试验，考虑不同梁的跨径、墙板形式以及墙板挂件节点连接螺栓类型作为对比参数。通过观察结构的破坏现象，并计算分析抗震性能指标，分析地震荷载下钢框架的侧向受力及墙板影响钢框架受力，期望为此类结构的工程设计和应用提供依据。

1 试验概况

1.1　试件设计

试验共设计五榀单层单跨方钢管柱-H型钢梁钢框架试件，试件规格及尺寸如表1所示。柱使用方钢管，截面尺寸是200 mm×200 mm×10 mm，高度为3 100 mm；梁采用H形钢，截面尺寸b×w×f×f均为300 mm×180 mm×6 mm×10 mm。框架及加载示意如图1所示，墙板上、下节点通过螺栓及图1所示的连接节点与钢框架进行连接，节点采用上拉下托的承载模式，设计按照墙板可以实现“平动+转动”通用变形模式［1］，可适用各种高框比例的预制墙板，同时考虑滑移变形限值和螺栓安装误差，连接节点设置85 mm的滑动槽；试件下节点均采用10.9级高强螺栓连接，而上节点连接采用了10.9级高强螺栓和4.8级普通螺栓两种构造。

表1　 试件规格

图1　墙板点支撑连接节点示意图

1.2　加载方案

抗震试验加载如图2所示，通过MTS作动器在框架梁对应位置试件水平往复荷载，试验框架通过地锚约束固定，采用约束钢筋防止构件平面外变形。

图2　试件加载示意图

在完成两个循环、位移幅值为5 mm的预加载清零后开始正式试验。采用位移控制加载模式进行低周反复加载，试算确定结构的屈服位移y=12 mm，加载程序按文献［14］循环加载，如图3所示。当试验过程中出现墙板、连接节点、钢框架明显特征破坏或循环加载过程中试件反力在峰值荷载85%以下时即停止试验。

图3　位移加载制度

1.3　测量内容

根据试验研究目的，确定了以下测量内容：

（1） 绘制滞回曲线所需要的每级加载时钢框架试件加载位置处的位移与相应加载荷载。

（2） 钢框架柱脚、梁柱连接处、梁中部、墙板连接钢节点以及墙板四角应变数据。

（3） 钢框架试件底部水平位移和墙板连接节点与钢梁相对位移。

2 试件破坏特征

KJ1～KJ5试件破坏照片如图4所示，对比钢框架试件KJ1、KJ3极限状态的破坏现象为钢梁翼缘板屈曲变形、梁翼缘板与柱连接对接焊缝开裂，符合强柱弱梁的破坏机制。

图4　试件破坏形态

三榀带外挂夹心保温混凝土墙板钢框架（KJ2、KJ3、KJ5）首先在墙板挂件节点处出现混凝土裂缝并随加载位移增大而发展，墙板与框架连接螺栓在挂件节点预留槽口中产生滑移变形，当螺栓滑移至长槽口边缘后逐渐增加加载位移，出现局部混凝土严重压碎开裂或螺栓剪切破坏的现象，同时墙板破坏后钢梁屈曲变形而框架柱未有明显破坏，为先墙板后主体框架的破坏机制，且加载至破坏阶段时，墙板未出现坠落现象。

对于带开洞外挂夹心保温混凝土墙板试件KJ2而言，还在门窗洞口四个拐角位置出现向墙板挂件连接节点方向发展的混凝土裂缝。

3 试验结果分析

3.1　滞回曲线

为研究试件的抗震性能，根据试验数据绘制出各个试件的滞回曲线，如图5所示，总体来看试件的滞回曲线较为饱满，抗震性能良好，对比得到有外挂预制混凝土墙板试件滞回曲线荷载极值要高于无墙板钢框架。从滞回曲线可以看出，在加载初期试件滞回曲线包围的面积较小，结构处于弹性阶段，无残余变形，随着加载位移的增大，残余变形及滞回的面积开始增大，滞回曲线形状呈梭形，说明结构开始吸收能量，并通过节点的摩擦滑移变形、墙板裂缝的增加或扩展将能量耗散但有无外挂预制混凝土墙板两类试件滞回曲线形状不同，不带外挂夹心保温混凝土墙板钢框架的滞回曲线呈梭形，带墙板框架的滞回曲线中部存在轻微捏缩现象，其中KJ4～5试件滞回曲线加载后期由于墙板与主体结构连接节点螺栓出现滑移导致曲线出现锯齿形状。

图5　P-Δ滞回曲线

3.2　骨架曲线

根据图5得出的各试件骨架曲线如图6所示，运用“通用弯矩屈服法”骨架曲线计算各骨架曲线特征点［15］，如表2所示。由骨架曲线可有以下结论：

图6　试件骨架曲线

表2　 试件骨架曲线特征值

带墙板KJ2与不带墙板KJ1相比，正向弹性刚度与峰值荷载分别提高24.7％和39.4％，反向弹性刚度与峰值荷载分别增强33.3%和17.8％，分析其原因说明在弹性阶段墙板未发生滑移变形前，外挂夹心保温混凝土墙板与主体结构共同受力，结构的弹性刚度得到了提高；随着加载位移的提高，墙板与钢框架之间发生相对滑移变形，但当墙板螺栓滑移至连接节点边缘时，加载后期进入大震变形阶段，墙板通过连接螺栓的抗剪及节点的塑性变形参与主体结构受力，导致峰值荷载有所增大。

对比第一组和第二组两种不同梁跨高比试件，由于第二组纯钢框架自身刚度比第一组小，导致外挂夹心保温混凝土墙板对刚度较小的钢框架弹性刚度和峰值荷载提高程度更大。

对比采用普通螺栓和高强螺栓的试件KJ4、KJ5的骨架曲线，两者基本重合，反映了墙板挂件节点螺栓类型对抗侧能力几乎没有影响。

带外挂夹心保温混凝土墙板钢框架与不带墙板的框架相比，各特征点的承载力均有不同程度的明显提升，如KJ2的负向屈服荷载相比于KJ1增大了约47.2%，KJ4、KJ5的正向屈服荷载相比于KJ3分别增大了58%、68.5%。

试件KJ2、KJ4和KJ5的特征位移基本小于KJ1、KJ2，这说明带外挂夹心保温混凝土墙板钢框架降低了钢框架的延性。

3.3　强度退化

图7　同级荷载强度退化曲线

可以得出试件KJ1～KJ5的正向同级荷载强度退化系数基本在0.86～1.14内，基本在1左右浮动，且变化幅度较小；反向同级荷载强度退化系数也主要在-1左右。这意味着所有试件的强度退化程度较小，在相同级别位移荷载下可稳定承载。

由图8结果可得，试件的总体荷载强度退化系数在加载前期逐渐增大，在试件位移接近极限位移时趋于平稳，超过极限位移开始下降。在加载过程中，墙板连接节点处开始出现裂缝时强度退化细化没有下降，结构整体性良好；当结构出现墙板连接节点螺栓剪断、混凝土局部压碎等破坏时，强度系数出现比较大的下降，结构进入破坏阶段。

图8　总体荷载强度退化曲线

3.4　刚度退化

表3　 割线刚度计算结果

由表3可知，带外挂夹心保温混凝土墙板钢框架会提高框架初始刚度，且对框架自身刚度较柔的结果提高程度较大。

由图9可知，前三个加载循环后，试件KJ2、KJ4和KJ5的刚度分别下降了23.3%、27.4%和29.1%，而试件KJ1和KJ3下降了10.7%和10.1%，这是因为外挂夹心保温混凝土墙板与主体框架发生了“平动+转动”的相对变形，使得墙板暂未与框架共同受力。加载进入大震阶段后，由于墙板局部混凝土压碎、挂件节点塑性变形、框架梁屈曲变形极大地降低了结构的刚度。

图9　刚度退化曲线

3.5　延性系数

分别按照线位移和转角位移计算得到KJ1～KJ5的延性系数，如表4所示。

表4　 试件的延性系数

《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）规定：多高层钢结构的弹性层间位移角限值［e］=1/250≈4 mrad，弹塑性层间位移角限值［p］=1/50≈20 mrad［16］，对比规范规定与各试件的计算结果数值，五榀框架的位移延性系数在1.44～2.20，弹性极限位移角在（4.36～6.08）［e］，弹塑性极限位移角在（1.53～1.92）［p］，远超过《建筑抗震设计规范》限值，且具有一定安全度，同时满足《预制混凝土外挂墙板应用技术标准》［1］对墙板节点满足设防地震作用下3倍弹性层间位移角的变形能力要求，说明通过设置外挂墙板可变形连接节点，带外挂夹心保温混凝土墙板可适用于钢框架结构的抗震设计要求。

3.6　耗能能力

等效粘滞阻尼系数e按下式计算，计算结果如图10所示。

在同级加载位移条件下带外挂夹心保温混凝土墙板钢框架的等效黏滞阻尼系数比不带外挂墙板钢框架大，尤其是加载初期，表明结构整体的耗能能力因墙板作用而有所提高。

试件KJ1～KJ5加载位移/y大约在2时对应的等效黏滞阻尼系数e相对最小。不带外挂夹心保温混凝土墙板钢框架试件KJ1和试件KJ3在达到最小值之后随加载位移的提高而相应增大；带外挂夹心保温混凝土墙板钢框架试件在加载初期的等效黏滞阻尼系数急速下降，部分有50%的下降幅度，证明了钢框架与外挂墙板之间发生了相对变形而产生的能量耗散。在试验后期（/y>2时），各试件等效黏滞阻尼系数e提高速度较快，表明试件耗能量较多。

4 结 论

（1） 纯钢框架的破坏模式为梁钢梁翼缘板屈曲变形、梁翼缘板与柱连接对接焊缝开裂。带外挂夹心保温混凝土墙板钢框架结构的破坏模式为“先墙板后框架”的形式，加载过程中墙板与框架连接螺栓在挂件节点预留槽口中产生滑移变形，当螺栓滑移至长槽口边缘后出现局部混凝土严重压碎开裂或螺栓剪切破坏的现象，同时墙板破坏后钢梁屈曲变形而框架柱未有明显破坏，为先墙板后主体框架的破坏机制，加载至破坏阶段时，墙板未出现坠落现象。

（2） 所采用的外挂夹心保温混凝土墙板与钢框架连接节点连接可靠，并具有一定的柔性变形能力，较好地保持了墙板与框架的协同受力。上节点采用不同类型的螺栓在弹性加载阶段对结构的承载能力影响甚微，但高强螺栓能够提高结构加载前期的耗能能力并且采用高强螺栓连接外挂墙板与钢框架的承载力较之普通螺栓要高。

（3） 试验构件滞回曲线均较为饱满，表明所有框架都具有良好的抗震性能，且带外挂墙板框架的滞回曲线饱满程度稍许下降。外挂夹心保温混凝土墙板可以提高框架体系在低周反复荷载弹性阶段框架的刚度和承载能力。当进入塑性阶段时，墙板通过连接节点的滑移实现能量释放，避免对主体结构产生过大不利影响。

（4） 带外挂夹心保温混凝土墙板钢框架的延性系数在1.44～2.20，弹性极限位移角在（4.36～6.08）［e］，弹塑性极限位移角在（1.53～1.92）［p］，表明采用设计的点式连接节点带外挂夹心保温混凝土墙板钢框架结构具有较好的延性，可以满足抗震设计要求。

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Experimental Study on Seismic Behavior of Steel Frame Structures with Precast Sandwich Insulation Concrete Façade Panel

MUHong1CHENAnying2，*HUChen1YUJipo2

（1.State Grid Anhui Electric Power Co.，Ltd.，Economic Technology Research Institute， Hefei 230061， China； 2.Hefei University of Technology， Hefei 230009， China）

In order to study the seismic performance of the steel frame with precast sandwich insulation concrete façade panel，the comparative experiment of hollow steel frame and steel frame with precast sandwich insulation concrete façade panel were carried out under low cycle repeated load test， considering the presence or absence of panel， the type of wallboard，the type of point support bolts，etc.The seismic performance of the overall structure， including the hysteresis curve，ductility coefficient and energy dissipation capacity of the frame structure are compared with the failure characteristics of the test piece. The results show that the failure mode of steel frame with external sandwich insulation concrete wallboard is “wallboard before frame”； during the loading process，the connecting bolts of wallboard and frame produce sliding deformation in the reserved slot of hanger joint， when the bolts slide to the edge of the long slot， the local concrete is seriously crushed and cracked or the bolts are sheared， the steel beam buckles and the frame column is not damaged at the same time. The existence of the wall panel can improve the frame lateral bearing capacity during the elastic loading stage，while the joints in the failure stage ensure the overall flexible deformation ability of the structure，so that the wall panel and the frame can be cooperatively deformed， but the wall panel opening will weaken the structure integrity； different types of bolts used in the upper node have little effect on the bearing capacity of the structure during the elastic loading phase.

steel frame， point support， precast sandwich insulation concrete façade panel， low cyclic repeated loading， failure characteristics， seismic performance

2121-02-24

安徽高校协同创新项目（GXXT-2019-005）

穆 弘（1972-），河南开封人，正高级工程师，硕士研究生，合肥工业大学毕业，研究方向为工程结构。

联系作者：陈安英（1981-），安徽和县人，副教授，一级注册结构工程师，博士研究生，东南大学毕业，研究方向为建筑工业化。E-mail：doublemen@126.com