硅酸钙复合墙板轻钢框架抗震性能试验研究①

□□ 冯 鸣，王秀丽，范 琛，侯鸿杰，苏晓斌 (.甘肃建投土木工程建设集团有限责任公司，甘肃 兰州 73007；2.兰州理工大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730050；3.西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，甘肃 兰州 730050)

引言

在国家大力提倡建筑工业化和推进装配式建筑的背景下，装配式建筑因其施工方便、安装快速且生产成本较低的优势，近年来得到了快速发展。与装配式结构相配套的墙体也得到了许多学者的关注。带有墙体工作的框架受力性能和抗震性能有着明显的差异，探究墙体对框架结构抗震性能的影响对于装配式住宅的发展有着重要意义。邹昀等[1]通过有限元软件分析了带填充墙钢框架的受力性能，研究表明填充墙能够提高结构的刚度和承载力。赵欣等[2]提出了一种分析整体框架填充墙结构的有限元模型。戴绍斌等[3]对加气混凝土填充钢框架的抗震性能进行了研究。耿悦等[4]、张爱林等[5]以及王雪芹等[6]对装配式外挂式墙板的抗震性能以及受力性能进行了试验研究和有限元分析，研究表明外挂墙板能够改善钢框架的受力性能。王静峰等[7]通过8榀框架研究了节能复合墙板对钢框架受力机理和破坏模式，研究表明该结构具有良好的抗震性能。曹正罡等[8]通过3榀缩尺模型研究了ALC墙板和LSF墙板对钢框架抗震性能的影响。熊清清等[9]研究了外包钢框架EPS混凝土块的破坏机理和变形能力。牟在根等[10]对钢框架内填竖向和横向组合式RC剪力墙体系进行了有限元分析，表明该结构具有良好的承载力和延性。曹万林等[11]提出了一种适用于低层装配式轻型钢管-轻墙体系，通过5榀框架研究表明框架和墙体具有良好的协同工作性能。贾穗子等[12]研发了一种轻钢边框-单排配筋薄墙板组合结构体系。对于地震区村镇住宅的低层装配式轻钢混凝土框架结构和硅酸钙复合墙板抗震性能还需要研究。因此，拟通过2榀单层装配式轻钢混凝土框架结构低周往复荷载试验，研究了硅酸钙复合墙板对于低层装配式轻钢混凝土框架结构承载力、滞回曲线、延性、刚度和强度退化以及耗能能力的影响，为装配式结构在低层建筑中应用起到促进作用。

1 试验设计

1.1 试件参数

设计了2榀试件，分别为1榀低层装配式轻钢混凝土框架试件和1榀带有硅酸钙复合墙板的低层装配式轻钢混凝土框架试件，构造如图1所示。

图1 框架构造图

框架柱为冷弯薄壁C型钢通过连接件拼接后浇筑混凝土而成，柱长为1 750 mm，冷弯薄壁型钢尺寸为140 mm×50 mm×20 mm×2.2 mm，浇筑的混凝土采用普通C35混凝土。钢梁采用H型钢梁，规格为HN150 mm×75 mm×5 mm×7 mm，梁长为1 818 mm。梁柱节点采用套筒式节点，套筒通过M16的高强螺栓与轻钢混凝土柱连接。将框架焊接于尺寸为2 400 mm×700 mm×20 mm的底板上，由于冷弯C型钢壁厚仅为2.2 mm，故每根柱脚设置6个厚度为6 mm的加劲肋。试件编号和具体尺寸见表1。

表1 试件尺寸

试件的制作顺序为：制作轻钢混凝土柱→安装轻钢框架→浇筑混凝土→安装硅酸钙复合墙板。其面板为硅酸钙板，夹芯为聚苯乙烯泡沫混凝土，如图2所示。

图2 试验试件

1.2 材料性能

混凝土由粒径为5～10 mm的粗骨料、细骨料、P·O水泥、粉煤灰、减水剂和水等按照一定比例拌合而成，混凝土标准立方体抗压强度均值为35.78 MPa，配合比见表2，钢材的力学性能见表3。硅酸钙复合墙板的性能根据出厂参数确定，抗压强度为3.6 MPa，面密度为54 kg·m-2，泊松比为0.21。

表2 混凝土配合比 kg·m-3

表3 钢材力学性能

1.3 加载装置及加载制度

试验中采用低周往复加载方式，加载装置如图3所示。加载梁和框架通过栓钉连接，水平位移荷载通过25 t的MTS液压伺服作动器施加，作动器的量程为±250 mm，作动器末端通过锚栓固定在反力墙上，通过加载板、螺栓与加载梁相连。试验中，为实现楼板和梁对框架约束作用以及防止试件发生平面外失稳，在试件两侧安装钢管脚手架用于侧向支撑。

图3 加载装置

试件的水平加载采用位移控制，当位移角θ≤1/250时，位移增量为1 mm，每级循环1周；当位移角1/250≤θ≤1/100时，位移增量为3 mm，每级循环2周；当层间位移角1/100≤θ≤1/50时，位移增量为5 mm，每级循环2周；当层间位移角θ≥1/50时，位移增量为10 mm，每级循环2周。当加载至试件承载力低于峰值荷载的85%或出现明显破坏无法继续加载时则结束加载。

1.4 测点布置

试验中位移测点布置图如图4(a)所示，位移计D1、D2、D3分别测量柱脚、柱中以及梁端处的水平位移；位移计D4位于加载梁端，用于测量加载点处的位移；位移计D5和位移计D6测量节点的相对转角。

应变测点布置如图4(b)所示，S1～S6用于测量位于柱顶、柱中以及柱脚两侧连接件的应变，S7～S12分别测量柱顶、柱中及柱脚的应变，S13、S14、S15、S22、S23、S24测量套筒关键部位的应变，S16～S21、S25～S31测量钢梁上下翼缘和腹板中点处的应变，S32、S33、S34用于测量硅酸钙复合墙板与框架连接件的应变。

图4 测点布置

2 试验结果及其分析

2.1 滞回曲线

各试件的荷载-位移滞回曲线如图5所示。由图可知：在试验加载前期，水平位移荷载较小，试件处于弹性工作阶段，滞回曲线呈直线形状，随着位移荷载的增大，试件进入弹塑性工作阶段，滞回曲线呈梭形状态，曲线斜率逐渐减小，即试件刚度逐渐随着位移荷载的增加而降低，经过多次反复加载，滞回曲线出现“捏缩现象”，且试件出现明显的残余变形。在同一位移荷载等级下，随着循环次数的增加，滞回环面积逐渐减小，结构耗能能力降低，承载力有所降低；两个试件的滞回曲线表现出明显的不同，较试件CKJ相比，由于硅酸钙复合墙板的参与工作，试件EKJ的滞回曲线呈“蝶型”，且刚度较大，极限承载力有了显著提高。表明硅酸钙复合墙板对低层装配式轻钢混凝土框架的抗震性能和力学模式影响较大。试件CKJ的滞回曲线全过程分为弹性阶段、弹塑性增长阶段和塑性变形阶段；试件EKJ的滞回曲线全过程可分为弹性阶段、连接构造损伤阶段、框架与墙板协同工作阶段和墙板破坏阶段。

图5 荷载-位移滞回曲线

2.2 骨架曲线

各试件的骨架曲线如图6所示。从图中可以看出，各试件的承载能力以及变形能力有着显著差异，硅酸钙复合墙板的参与对结构的骨架曲线有着显著影响，相比于试件CKJ，硅酸钙复合墙板的安装极大地提高了低层装配式轻钢混凝土框架的承载能力和刚度。由于加载装置量程限制，试件均未加载至出现下降段曲线。

图6 骨架曲线

2.3 承载力和变形

参照JGJ/T 101—2015《建筑抗震试验规程》[16]进行计算各试件的荷载和位移特征值，包括屈服荷载Fy、屈服位移Δy、极限荷载Fm、极限位移Δm、破坏荷载Fu、破坏位移Δu。

骨架曲线的特征值如图7所示。其中极限荷载为骨架曲线中荷载峰值点对应的值，极限位移为荷载峰值点对应的位移值，破坏荷载为试件出现峰值荷载之后，随着位移荷载的增大荷载减小至峰值荷载的85%(即Fu=0.85Fm)时对应的荷载值，破坏位移为破坏荷载对应的位移值。试件的屈服点通过等效能量法来确定，当SOAB=SACD时，骨架曲线与C点垂线相交点为屈服点，屈服点所对应的荷载和位移值分别为屈服荷载和屈服位移。各试件的骨架曲线中荷载和位移特征值见表4。

图7 骨架曲线特征值

表4 骨架曲线特征值

分析各试件的骨架曲线位移和荷载特征值可知：

(1)试件CKJ和试件EKJ的屈服位移和极限位移的比值分别为0.66和0.64，说明两个试件在达到屈服后仍有较大的承载力储备。

(2)试件CKJ和试件EKJ正向加载峰值荷载比为1∶1.80，负向加载峰值荷载比为1∶1.37，试件EKJ的峰值荷载明显大于试件CKJ的峰值荷载，说明硅酸钙复合墙板的参与能够显著提高低层装配式轻钢混凝土框架的极限承载能力。

(3)试件CKJ和试件EKJ正向加载峰值位移比为1∶1.002，负向加载峰值位移比为1∶1.001，两者的峰值位移相差很小，说明硅酸钙复合墙板对低层装配式轻钢混凝土框架的延性影响较小。

2.4 强度退化

强度退化是试件在低周往复荷载试验中，经过多次反复循环加载后，出现在相同等级的位移荷载下，承载力随着加载循环次数的增加而降低的现象。试件的强度退化现象用强度退化系数λi来表示，即同级循环加载中每次循环的峰值荷载与前一个循环的荷载峰值的比值，具体见式(1)：

(1)

式中：λi——第i循环的强度退化系数；

各试件的荷载强度退化系数如图8所示。其中，试件在加载位移为8 mm之前每级循环1次，故不计算强度退化系数，加载位移11 mm及以后，每级荷载循环2次，所以强度退化系数为第2次循环荷载峰值与第1次循环荷载峰值之比。由图8可知：

图8 荷载强度退化

(1)试件CKJ的荷载强度退化系数>0.95，试件EKJ荷载强度退化系数保持在0.85以上，说明两个试件结构承载力具有良好的稳定性，没有出现明显的强度退化，结构产生的位移变形损伤对结构极限承载力影响较小。

(2)试件EKJ的荷载强度退化系数明显小于试件CKJ，说明硅酸钙复合墙板对试件的承载力有着显著的影响，随着位移荷载的增大，硅酸钙复合墙板损伤的增大会导致对结构承载力贡献的降低。

2.5 刚度退化

为描述试件刚度的退化，采用归一化割线刚度-位移关系进行分析，割线刚度Ki为不同加载循环下峰值荷载点的割线刚度，即每级循环加载下第1循环中正负峰值荷载绝对值与位移绝对值之比，见式(2)：

(2)

式中：Ki——加载第i级循环时的试件割线刚度；

+Fi——正向每级加载的最大峰值荷载；

-Fi——负向每级加载的最大峰值荷载；

+Δi——正向每级加载最大峰值荷载对应的位移；

-Δi——负向每级加载最大峰值荷载对应的位移。

绘制试件刚度退化曲线如图9所示。分析可知：

图9 试件刚度-位移关系曲线

(1)各试件的刚度退化速率比较均匀，刚度随着位移荷载的增大逐渐降低，曲线变化趋势比较一致，且无明显的刚度退化突变。

(2)试件EKJ的刚度退化系数大于试件CKJ的刚度退化系数，说明硅酸钙复合墙板在受力过程中能够延缓结构的刚度退化。

(3)造成结构刚度退化的主要原因有材料损伤积累、试件中焊缝撕裂、连接件变形、墙板破坏等。

根据滞回曲线计算出各试件特征点的刚度特征值，见表5。表5中K0为试件的初始刚度，即试件在初始阶段的滞回环割线刚度；Ky为屈服刚度，即试件在屈服荷载时的滞回环的割线刚度；Ku为峰值刚度，即试件在峰值荷载时的滞回环割线刚度。

表5 各试件特征点割线刚度 kN·mm-1

由表可知，硅酸钙复合墙板对试件的刚度影响较大，在墙板的参与下，试件EKJ的各项特征点的割线刚度均有所提高，初始刚度提高了31%，屈服刚度和峰值刚度分别提高了36.11%和36.46%。

2.6 耗能能力

试件的耗能能力通常用等效粘滞阻尼系数ξ和能量耗散系数E来评价，如图10所示。

图10 荷载-位移滞回曲线

其中，等效粘滞阻尼系数ξ计算见式(3)：

(3)

能量耗散系数E计算见式(4)：

(4)

式中：SABC——曲线ABC围成的面积；

SCDA——曲线CDA围成的面积；

SOBE——三角形OBE的面积；

SODF——三角形ODF的面积。

试件等效粘滞阻尼系数随加载位移的变化曲线如图11所示。由图可知，在屈服点之前，试件EKJ的等效粘滞阻尼系数大于试件CKJ的等效粘滞阻尼系数，加载初期，试件CKJ等效粘滞阻尼系数呈逐渐缓慢的增加趋势，试件EKJ的等效粘滞阻尼系数先降后增；在试件达到屈服阶段以后，试件CKJ的等效粘滞阻尼系数继续呈上升趋势，试件EKJ的等效粘滞阻尼系数缓慢下降。表明硅酸钙复合墙板对结构在受力过程中的等效粘滞阻尼系数发展影响较大；结构在第1道抗震防线(硅酸钙复合墙板)失效以前，轻质墙板能够提高结构的耗能能力。

图11 等效粘滞阻尼系数

同时取试件屈服点耗能Ey，峰值点耗能Eu和试件达到峰值滞回环的累积面积为累计总耗能Wtotal，实测耗能值见表6。分析表6可知，相比于试件CKJ，试件EKJ的屈服点耗能提高了38.42%，峰值耗能提高了35.59%，累计耗能总能量提高了32.27%，说明硅酸钙复合墙板对低层装配式轻钢混凝土结构的耗能有着显著的提高。

表6 试件的耗能能力

3 结论

3.1 硅酸钙复合墙板在地震作用下能够承受部分荷载、吸收部分能量，可以在一定程度上减轻主体结构的破坏，因而硅酸钙轻质复合墙板能够提高轻钢框架结构的整体耗能能力，研究表明带有轻质硅酸钙板的复合墙板的轻钢框架具有较好的抗震性能。

3.2 试验结果表明带有轻质硅酸钙板的复合墙板轻钢结构的承载力和抗侧刚度有着显著的提高，极限承载力提高了44.32%，初始刚度提高了31%，屈服刚度和峰值刚度分别提高了36.11%和36.46%。

3.3 硅酸钙复合墙板对低层装配式轻钢混凝土结构的耗能有着显著提高。相比于试件CKJ，试件EKJ的屈服点耗能提高了38.42%，峰值耗能提高了35.59%，累计耗能总能量提高了32.27%；结构在第1道抗震防线(硅酸钙复合墙板)失效以前，酸钙硅复合墙板能够提高结构的耗能能力。