钢网格框架墙的设计与结构的试验

李磊

摘 要：工业建筑的发展历来就依附于工业生产的发展。随着国民经济的迅速发展，工业建筑要不断满足现代大工业生产，工艺不断更新的要求。中城市中，由于城市用地紧张，多层厂房的发展就更为突出。随近几年来，国内外对工业建筑厂房的综合论证，都认为多层厂房无论在理论、经济、技术和使用等方面都有着明显的发展趋向。本文提出一种新型钢结构承重外墙及分户墙的制作方法，并按仿真尺寸建立模型进行试验研究。

关键词：滞回曲线；盒式结构元；装配整体式

中图分类号：TU973+.15 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）07-0041-01

试验主要分析了装配整体式钢网格框架墙的滞回耗能能力，并与理论分析作对比分析，试验证明此种新型钢结构承重外墙结构在往复荷载作用下具有良好的承载能力，耗能能力以及变形恢复能力，抗震性能良好。试验中梁端及柱端截面处的应变值、整榀框架墙的荷载—位移滞回曲线及骨架曲线与有限元分析的数值吻合的均较好。组成装配整体式钢网格框架墙的所有承重结构体系分单元在工厂焊接，工地现场采用高强螺栓连接，装配整体式网格式墙架与钢空腹夹层板连接形成空间钢网格盒式结构新体系。

1 试件设置

试验以装配整体式钢网格框架墙为研究对象。试验主要研究该框架墙抗震性能。本文进行了单个试件的试验研究，以框架墙仿真尺寸进行试件设计，图1为试件的几何尺寸及各构件单元（图1中A、B、C单元）的截面尺寸。由图1可知，该墙架柱采用焊接工字钢，每根墙架柱截面均相同，它沿高度的拼装点均为网格中部。在距柱脚1m、2m处分别布置相同截面的焊接工字梁，在距柱脚3.82m、4.5m处分别布置焊接T型梁。工字梁及T型梁的连接点亦在网格中央（反弯点），即沿高度为三个拼装单元，即图1所示的A拼装单元、B拼装单元和C拼装单元。限于试验现场条件，沿水平方向布置4根墙架柱，每1.8m一根，即整个构件水平方向长度3×1.8m=5.4m，由4个拼装单元组成。A、B和C单元均在钢构工厂进行焊接加工，每个单元的重量都比较轻，然后运送至试验现场，再自下而上于梁、柱拼接点处采用双拼板摩擦型高强螺栓连接完成整个模型的加工。其中所有钢构件均采用Q345钢材，拼接节点处螺栓根据等强连接原理，经计算后采用M16、M18、M20、M22及M27共5种型号的10.9级扭剪型高强螺栓。

图1 试件几何尺寸及各构件截面尺寸

2 试验主要结果分析

本文将试验结果与有限元分析结果结合起来进行对比分析，采用通用有限元软件ANSYS对该装配整体式钢网格框架墙模型进行模拟分析。根据试验观测将该框架墙高强螺栓连接节点简化为刚接，即在有限元分析时不考虑螺栓的滑动对结构受力的影响。梁柱构件均采用BEAM188单元进行模拟。墙架的柱脚依据试验模型的实际情况，在有限元分析中通过约束柱脚底板中心的单元节点进行模拟。材料采用双线性等向强化模拟，泊松比取为0.3，采用von Mises屈服准则。钢材的应力-应变关系假定为理想弹塑性，屈服强度取为345MPa。

利用有限元模型进行了滞回分析。从荷载-位移曲线、骨架曲线、梁端应变及柱端应变数值4个方面同试验结果进行比较，因钢网格装配整体式框架墙自身为轴对称结构，故本文只取一侧框架墙上的梁柱节点应变数值进比较。

3 试验现象

试验中墙架的变形如图2所示。钢框架的承载力-变形过程为：

当框架墙顶点正反向水平位移均小于30mm（即相对变形为h/150，h为墙高）时，钢框架的各个构件均未发现明显的屈服现象，应变片的数值可以发现钢框架处于弹性工作状态；当框架墙顶点正反向水平位移达到30mm（即相对变形为h/150）时，①截面及③截面处的T形梁开始出现屈服，应变片的数值可以验证这一现象。此时钢框架墙水平荷载为正反10kN左右；当框架墙顶点正反向水平位移达到40mm（即相对变形为h/112.5）时，②截面及④截面处的T形梁开始出现明显屈服，应变片的数值可以验证这一现象。此时水平荷载为正反14kN左右；当框架墙顶点正反向水平位移达到45mm（即相对变形为h/100）时，⑦截面处的工字梁开始出现明显屈服，应变片的数值可以验证这一现象。同时应变片数值还可以发现，此时钢框架墙（13）截面及（14）截面处的H形框架柱开始屈服。此时水平荷载为正反16kN左右；当框架墙顶点正反向水平位移达到50mm（即相对变形为h/90）时，（5）截面及（6）处的工字梁开始出现屈服，应变片的数值可以验证顶部T形梁面外屈曲图现象。同时还可发现此时框架墙顶部①截面与②截面之间的T形梁发生了比较明显的面外屈曲，此时水平荷载为正反18kN左右；此后随着框架墙顶水平位移的增大，在框架墙的柱脚及其他截面处相继出现屈服现象，而且框架墙顶部①截面与②截面之间的T形梁以及③截面与④截面之间的T形梁均呈现出明显的面外屈曲变形。

4 结语

综上，试验中装配整体式钢网络结构抗震性能强，延性好，并具有良好的承载、耗能以及变形恢复能力。整榀框架墙的荷载—位移滞回曲线及骨架曲线与有限元分析的数值吻合的均较好，在实际施工中，尤其针对T型墙顶端梁有楼盖梁约束，不会出现屈曲现象。因此，工地现场采用高强螺栓链接，现场无焊接工序，能防止火险出现，提高施工进度促进文明施工。