适于低层农房的装配式轻钢边框-薄墙板组合结构抗震性能试验研究

贾穗子　 曹万林　 王如伟　 刘文超　 任乐乐

(1中国地质大学(北京) 工程技术学院，北京 100083)(2北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京100124)

住宅产业化在城市住宅建设中正发挥着越来越大的作用，节能减排、减少污染、快速装配的优势逐渐被市场所接受.然而，农房产业化发展缓慢，研发模块化低层农房结构体系和工业化建造技术，成为农村建设与发展的巨大需求.基于我国农房量大面广、多数地区经济技术基础薄弱、抗震节能技术不足的现状，研发利用建筑垃圾资源化建材和轻钢建材的装配式抗震节能一体化农房结构，具有广阔的应用前景.

国内外学者已对轻钢框架节点及框架与墙板装配技术展开了众多研究.余志武等[1]进行了装配式剪力墙U型套箍连接节点抗震性能试验研究，结果表明，采用U型套箍连接方式的装配式剪力墙与现浇剪力墙的承载能力与抗震性能相似.Goggins等[2]通过循环加载试验分析了轴力作用下矩形和方形钢管支撑组合墙体构件的受力特性，发现构件的承载力退化，延性随构件的长细比变化而显著变化.Corte等[3]基于冷弯薄壁型钢组合墙体低周反复荷载试验，提出了考虑捏缩效应的Richard-Abbott滞回模型.

本文基于装配式钢框架结构的优越性能，并将墙体采用课题组前期研发的单排配筋再生混凝土墙板[4]，设计了装配式轻钢边框-单排配筋薄墙板组合结构，将轻钢材料用于农村住宅，提高了农房抗震性能，缓解了钢材产量过剩的窘境.将再生混凝土材料用于农房建造，是建筑垃圾资源化的重要组成部分.该装配式组合结构满足了绿色农房工业化生产、高性能抗震和生态环保建材利用的需求.

1　试验

1.1　试件设计及制作

设计了6个装配式轻钢边框-单排配筋薄墙板组合结构试件.试件主要参数为再生混凝土墙板厚度、钢筋暗支撑及钢管边框截面面积(见表1).

表1　试件具体参数

薄墙板采用单排配筋再生混凝土墙板，钢骨架包括厚4 mm宽40 mm的边框钢板、直径为5 mm的双向分布钢筋和钢筋暗支撑.在位于墙板四周的边框钢板上设螺栓孔，用于连接框架梁、柱上钢板条对应的螺栓孔，墙板与框架连接螺栓为M10型螺栓.再生混凝土粗骨料取代率为100%，再生粗骨料粒径为5～10 mm，细骨料为天然砂，再生混凝土设计强度为C40.墙板内钢板边框、梁柱侧钢板条采用Q235级钢材，方钢管采用无缝钢管.框架梁柱节点由2个等边角钢组成，一端与柱焊接，另一端靠螺栓与梁栓接，在角钢中部焊接加劲肋，并在其斜边上焊接直径为20 mm的短钢筋，形成加强型节点构造.试件尺寸及构造见图1.

图1试件几何尺寸及构造(单位：mm)

试件所用的再生混凝土各组分含量见表2，钢材力学性能见表3.

表2　再生混凝土各组分体积质量　kg/m3

表3　钢材力学性能

1.2　加载方案

试验时，首先在分配梁顶面中心处通过竖向千斤顶-滚轴支座-反力架-油压控制系统施加竖向荷载600 kN，并控制该荷载在试验过程中保持不变，轴压比约为0.59.然后，分级施加低周反复水平荷载，加载点在加载梁高度中心处，距基础顶面高度为1 480 mm.

试验采用位移控制加载.加载至位移角为1/500 和1/50之前，位移增量分别为1/2 500和1/500；加载至位移角为1/50时，位移增量为3/500.试验过程中，加载速率保持一致，直至试件明显破坏、无法继续加载或水平荷载下降到峰值荷载的85%以下，结束加载.试验加载制度及试验现场见图2.

(a) 加载制度

(b) 试验现场

1.3　试验现象

对于试件FCW1，首先在框架梁中部出现轻微翘曲变形；随位移角增大，柱脚钢管呈内外凹凸变形；位移角达到1/62时，柱脚漆皮大面积脱落，柱脚钢管压屈(见图3(a))，试验结束.

对于试件FCW2，受压后钢管柱与再生混凝土分离工作，梁端连接节点螺栓轻微滑移，通过节点区耗能，减小梁端损伤；随位移角增大，框架梁发生翘曲变形(见图3(b))；位移角达到1/23时，钢管内再生混凝土压碎，柱脚内侧鼓凸变形，节点区下方柱顶内侧的钢板撕裂，试验结束.与试件FCW1相比，钢管柱脚部变形较小.

对于试件FCW3，随荷载增大，沿单排配筋再生混凝土薄墙板主对角线两侧再生混凝土开始剥落；继续加载，墙板边缘与轻钢边框连接螺栓松动，两者开始错动；加载至荷载达到极限值时，墙板角部及主斜裂缝两侧再生混凝土剥落现象显著，薄墙板作为第1道防线失效，呈剪切破坏；继续加载，薄墙板明显破坏，但骨架仍然与轻钢框架共同工作(见图3(c))；之后，轻钢框架作为第2道防线开始耗能，当位移角达到1/26时，轻钢框架的梁和柱弯曲破坏，墙板下部与轻钢边框部分分离.

试件FCW4的试验现象与试件FCW3相似，且通过斜向暗支撑的设置，有效抑制了墙板裂缝，使得墙板形成4个稳定的三角形区域，耗能较试件FCW3更高.当位移角达到1/19时，试验停止，钢管柱压屈(见图3(d)).

试件FCW5与试件FCW3相比，墙板过早出现裂缝，墙板与边框连接处再生混凝土剥落严重，墙板厚度降低了30%，结构整体承载力下降了29%；当位移角达到1/18时，试验停止，钢边框与墙板四角连接处发生破坏，墙板中分布钢筋在与钢边框的焊点处被拉断(见图3(e)).由于墙板本身厚度偏小，斜向暗支撑的设置会使得墙板中保护层厚度偏薄，墙板容易过早发生破坏，因此不宜设置暗支撑.

(a) FCW1

(b) FCW2

(c) FCW3

(d) FCW4

(e) FCW5

(f) FCW6

图3结构局部破坏

试件FCW6与试件FCW3 相比，钢管截面增大了4%，从而明显加大了钢边框的约束作用，墙板承载力提高了12%.由于柱子刚度过大，薄墙板与钢边框刚度不协调，不能与墙体更好地共同工作，结构破坏时上部柱角连接处钢板撕裂(见图3(f)).结构的整体破坏见图4.

(a) FCW1

(b) FCW2

(c) FCW3

(d) FCW4

(e) FCW5

(f) FCW6

图4结构整体破坏

综上，结构破坏形态为：空钢管框架结构中钢管在平面内发生鼓凸变形，平面外发生内凹变形，最终柱脚钢管压溃；钢管再生混凝土框架最终节点区下部再生混凝土压碎，钢板屈服形成塑性铰直至撕裂破坏；钢管边框-薄墙板组合结构中薄墙板剪切破坏，边框的约束作用可有效减缓轻墙的损伤破坏；轻钢框架的梁和柱破坏形态为弯曲破坏；加强型节点没有明显破坏，实现梁和柱的可靠连接.

2　试验结果及分析

2.1　滞回性能

图5为各试件的实测荷载(F)-位移(δ)滞回曲线.由图可知，试件FCW1耗能能力差，试件屈服后，由于承载力低，很快进入破坏阶段，安全储备能力较小.试件FCW2钢管内灌入了再生混凝土，滞回曲线饱满，与试件FCW1相比，承载力与延性均明显提高，表现出较好的抗震耗能能力.试件FCW3中薄墙板与轻钢框架的装配，使得组合结构整体既为受力体系又为功能体系，滞回曲线表现出明显的2道抗震防线，薄墙板为第1道防线，轻钢边框为第2道防线，薄墙板的填充强化作用明显减缓了轻钢框架侧向位移的发展.与试件FCW3相比，试件FCW4中薄墙板中斜向钢筋暗支撑的设置，使得结构承载能力、延性及耗能能力明显提高.试件FCW5与试件FCW3相比，墙体变薄，承载力下降，滞回曲线不如试件FCW3饱满，但第2道防线延性增强.试件FCW6与试件FCW3相比，边框钢管柱截面增大，导致结构整体承载能力和延性增强.

2.2　承载力分析

结构在受力过程中峰值状态与破坏状态通过试验数据采集所得，屈服状态采用能量法计算得到.各试件特征点见表4.

表4　试件主要特征点

注：Fy，δy分别为屈服荷载与位移；Fm，δm分别为峰值荷载与位移；Fu，δu分别为极限荷载与位移.

(a) FCW1与FCW2

(b) FCW2与FCW3

(c) FCW3与FCW4

(d) FCW3与FCW5

(e) FCW3与FCW6

图5各试件滞回曲线对比

钢结构的弹性层间位移角限值为1/250.由表4可知，试件FCW1和试件FCW2的屈服位移角分别为1/99和1/55，说明带有加强型节点的钢框架在弹性阶段具有较好的变形能力，满足抗震要求.钢管内填充再生混凝土后，结构表现出更好的变形性能.钢结构的弹塑性层间位移角限值为1/50，FCW2的破坏位移角为1/23，远大于规定限值，说明装配式钢管再生混凝土框架具有较强的抗倒塌能力. 同时，规范规定了钢筋混凝土框架-抗震墙结构的弹塑性层间位移角限值为1/100.

试件FCW3～试件FCW6的破坏位移角为1/26～1/18，说明装配式轻钢边框-薄墙板组合结构能较好地保证结构完整性.对于一个低多层农房结构，其密度为1.5 t/m2.假设房间面积为100 m2，在8度抗震设防烈度情况下，取基本地震加速度最大值0.3g，此时产生的横向荷载为450 kN，试验中试件FCW3～试件FCW6的屈服荷载平均值为835 kN，说明结构满足低多层农房建造要求.

2.3　钢管框架及钢筋应变

本节给出作为第1道防线的薄墙板内竖向和水平分布钢筋的应变，以及第2道防线-轻钢框架柱脚的应变.分布钢筋实测屈服应变为1.72×10-3.框架柱钢板实测屈服应变为3.25×10-3.试验加载过程中各试件分布钢筋及柱脚外侧测点应力-应变曲线见图6.

由图6可见，斜向钢筋暗支撑的设置使得分布钢筋的应变在薄墙板承力性能失效之前较小.所有薄墙板在承载力未达到峰值荷载之前，应变较小，说明钢筋与墙体黏结界面未出现滑移，变形基本保持一致，达到峰值荷载之后，墙体主裂缝处再生混凝土逐渐退出工作，分布钢筋因水平剪力作用屈服.承载力未达到峰值荷载之前，柱脚应变较小；承载力达到峰值荷载之后，墙体破坏，柱脚应变存在突变，但仍保持良好的滞回特性，框架工作性能稳定.

2.4　耗能能力分析

本节基于Origin软件求取各滞回环外包络线所围面积，并累加计算出试件各道防线耗能及耗能总量，结果见表5.

(a) 水平分布钢筋的影响

(b) 竖向分布钢筋的影响

(c) 再生混凝土的影响

(d) 暗支撑的影响

(e) 墙板及钢管截面厚度的影响

图6实测钢筋及柱脚钢板应变

表5试件各阶段累积耗能MN·mm

注：E1为第1道防线耗能；Eg为第1防线道向第2道防线过渡耗能；E2为第2道防线耗能.

由表5可见，试件FCW2钢管内灌入再生混凝土，其耗能较空钢管提高了6.36倍.试件FCW3中，薄墙板与轻钢再生混凝土框架通过装配共同工作，使得组合结构耗能较试件FCW2提高了7.63倍，轻钢边框作为第2道防线耗能比试件FCW2提高了2.75倍.试件FCW4中，斜向钢筋暗支撑的设置使得第1道防线及总体结构耗能较试件FCW3明显提高.试件FCW5中，墙板变薄，影响了钢框架与墙板的共同工作，使得墙板耗能较少，钢管柱耗能比例明显提高.试件FCW6边框柱截面积增大4%，使得第2道防线耗能增加50%，边框柱的约束作用使得墙板耗能提高，但是墙板失效后墙板钢骨架与轻钢边框的工作性能下降.

2.5　损伤性能分析

本节采用延性退化损伤指数Dy[5]、刚度退化损伤模型Dr[6]和Park-Ang 损伤指数Dp[7-8]对比分析结构损伤过程及破坏特征，具体结果见表6.

表6　结构各阶段损伤指数

注：Dy1，Dyg，Dy2分别表示结构在第1道防线、第1道向第2道防线过渡直至第2道防线开启前及第2道防线破坏时的延续退化损伤指数；Dr1，Drg，Dr2分别为各阶段刚度退化损伤指数；Dp1，Dpg，Dp2分别为各阶段Park-Ang损伤指数.

由表6可得，结构延性损伤指数偏低，在第1道防线破坏时，薄墙板已经失效，而对应的结构损伤指数Dy1最大值为0.115，远小于正常的震害破坏界限最小值0.25[9-11]， 与试验现象不符.试件FCW1和FCW2 在破坏阶段钢板已经撕裂，钢管框架受力性能失效，结构刚度损伤指数Dr2计算结果偏低，同时在第1道防线向第2道防线的过渡阶段，Drg计算结果偏高，说明第2道防线在整个组合结构抗倒塌能力方面发挥重要作用.Park-Ang损伤指数介于两者之间，更能够反映该组合结构的损伤发展过程.试件FCW4各阶段损伤指数最低，说明斜向钢筋暗支撑的设置延缓了薄墙板的损伤，同时有利于薄墙板与轻钢边框的协同工作.试件FCW5和FCW6比试件FCW3各阶段损伤严重，说明减小墙板厚度或者增加边框截面面积会影响轻钢框架与薄墙板相互作用.综上，利用Park-Ang损伤指数来划分结构各损伤阶段，在各损伤阶段对应的损伤现象与结构实际的试验现象吻合较好.

3　结论

1) 带有加强型节点的钢框架在弹性阶段具有较好的变形能力，满足抗震要求.钢管内填充再生混凝土后，结构表现出更好的变形性能，滞回曲线饱满，承载力与延性均提高，表现出较好的抗倒塌性能.

2) 装配式轻钢边框-单排配筋薄墙板组合结构在受力过程中呈现2道明显的抗震防线，边框的约束作用可有效减缓轻墙的损伤破坏.薄墙板作为第1道防线呈剪切破坏，在失效后，钢筋骨架仍然与轻钢框架共同工作.轻钢框架作为第2道防线继续耗能，最终破坏呈框架梁和柱弯曲破坏.加强型节点没有明显破坏，实现梁和柱的可靠连接.

3) 斜向暗支撑的设置可有效抑制墙板的裂缝，且使得墙板形成4个稳定的三角形区域，耗能更加充分.

4) 利用Park-Ang损伤指数来划分结构各损伤阶段，在各损伤阶段对应的损伤现象与结构实际的试验现象吻合较好，Park-Ang损伤指数可作为该类结构损伤评估的参考值.

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