内嵌CCA板填充墙对钢框架结构受力性能的影响

郁有升，梅 灿，雷 鸣

(青岛理工大学 土木工程学院,山东 青岛 266033)

0引 言

钢结构具有工业化程度高、施工周期短、绿色环保、可持续发展、抗震性能好、使用中易于改造、灵活方便等优点，被称为“绿色建筑”。近年来国家大力推进钢结构装配式建筑，带填充墙的钢框架结构体系得到广泛的应用[1-4]。在传统的框架结构设计中，填充墙只是作为围护构件，不参与框架结构的抗震计算。然而在框架结构的实际受力过程中，由于填充墙与框架之间的耦连作用，填充墙对框架结构的承载能力、抗侧刚度、延性以及耗能能力等方面会产生一定的影响。针对带填充墙框架结构中填充墙对框架结构受力性能的影响，国内外学者进行了大量的研究工作[5-11]。

目前国内外[12-14]学者普遍认为：在侧向荷载作用下，填充墙对框架结构的承载能力和抗侧刚度等方面具有提高作用。李国强等[15]对外挂式和内嵌式ALC墙板钢框架分别进行了水平静力及低周往复加载试验，研究ALC墙板对钢框架结构受力性能的影响。贾连光等[16]利用有限元软件ABAQUS对不同开洞率的带填充墙框架结构分别进行了单调荷载、循环荷载作用下的有限元分析，研究了开洞填充墙的破坏模式以及开洞填充墙对框架结构受力性能的影响。赵欣等[17]根据已有的带填充墙钢框架结构理论研究成果，提出了一种适用于结构整体分析的带填充墙框架有限元模型，并且运用该模型分析了轻质砌体填充墙对钢框架结构抗震性能的影响。

然而，目前国内外对于蒸压无石棉纤维素纤维水泥板(Cellulose Fiber Cement Autoclaved Plate，CCA板)填充墙对钢框架结构受力性能影响的研究还比较少。CCA板填充墙是以冷弯薄壁型钢为骨架，内嵌EPS泡沫混凝土，两侧分别外装CCA面板而构成的轻质复合墙体。CCA板填充墙具有轻质高强、保温隔热、绿色环保等优点，已成为钢结构装配式建筑中选择的填充墙形式之一。本文通过对纯框架和带CCA板填充墙钢框架的试验及有限元对比分析，研究CCA板填充墙对钢框架结构受力性能的影响以及带CCA板填充墙钢框架的受力性能。

1试件设计

本文设计了1榀足尺的单层单跨纯框架KJ-1和1榀足尺的单层单跨带CCA板填充墙钢框架KJ-2。2榀框架的尺寸均相同，如图1所示。图1为试件示意。

试件KJ-1的跨度为1 500 mm，层高为2 000 mm，梁、柱截面尺寸分别为HN300×150×6.5×9，HW200×200×8×12，均采用Q235B钢。试件KJ-2的框架梁、柱材料和截面均与KJ-1相同，墙体横龙骨为QC100×50×50×0.6，横龙骨竖向间距为400 mm,龙骨与框架柱之间采用ZD4.2×19射钉连接。CCA板选用8 mm厚的中密度板，通过自攻螺钉固定在龙骨上，自攻螺钉水平间距为200 mm。CCA板内填充EPS泡沫混凝土，EPS泡沫混凝土配合比参考文献[18]选用,见表1。

2试验概况

加载装置及测量系统布置如图2所示。试验过程中使用500 kN液压水平作动器在柱端施加低周往复荷载。柱顶的力由作动器上的力传感器读出，在框架柱不同高度处对称布置了8个位移计，即WY1～WY8，其中位移计WY1和WY5用于测量地梁的滑移，WY9用于测量柱顶的侧向位移。

图3为试验现场照片。水平作动器一端与反力墙固定，一端通过高强螺栓与柱顶连接，水平荷载的作用线与框架梁的形心线重合。参考规范[19]规定的钢框架结构弹性阶段以及塑性阶段层间侧移值设计了本试验加载制度。位移角达到1/500 rad之前，每级循环1次。位移角达到1/500 rad之后，每级循环2次。当水平荷载下降至峰值荷载的85%以下时，停止加载，试验结束。位移加载制度如图4所示。

3试验结果与分析

3.1试验现象

2榀试件的破坏形态分别如图5(a)，(b)所示。

试件KJ-1：当位移角在1/100 rad范围内时，钢框架处于弹性阶段，无明显试验现象；当位移角达到1/28.6 rad时，节点域变形严重；当位移角达到1/25 rad时，地梁东侧端部下翼缘屈曲、腹板开裂，

试件承载力下降较多；当位移角达到1/21.9 rad时，腹板进一步开裂，地梁翼缘屈曲严重，水平荷载下降至峰值荷载的85%以下，停止加载，试验结束。

试件KJ-2：当位移角在1/250 rad范围内时，钢框架与CCA板填充墙均处于弹性阶段，无明显试验现象；当位移角达到1/200 rad时，CCA板接缝处硅酮密封胶出现轻微裂缝，同时由于CCA板与龙骨间小滑移摩擦，试件发出吱吱的响声；当位移角达到1/125 rad时，CCA板表面出现1条裂缝，自攻螺钉周围CCA板出现挤压开裂；当位移角达到1/50 rad时,自攻螺钉周围CCA板挤压开裂更加明显，并且向外延伸，CCA板角部出现轻微裂缝；当位移角达到1/33.3 rad时，CCA板角部被完全压碎，自攻螺钉周围CCA板完全开裂；当位移角达到1/22.2 rad时，顶梁腹板、翼缘屈服，CCA板角部斜裂缝继续延伸并且部分CCA板脱落；当位移角达到1/20.6 rad时，顶梁屈曲较大，水平荷载下降至峰值荷载的85%以下，停止加载，试验结束。

3.2滞回曲线

滞回曲线是在循环往复荷载作用下反映结构承载能力、刚度退化以及能量消耗的曲线。各试件的滞回曲线如图6所示，其中，F1为荷载，Δ为位移。

由图6可知：试件处于弹性阶段时，卸载后试件变形可恢复。试件进入非弹性阶段，卸载后试件出现残余变形，残余变形随着循环荷载的增加不断增大。试件KJ-1与KJ-2均具有饱满的滞回曲线，表现出良好的滞回性能。试件KJ-2在加载过程中，由于EPS混凝土压碎，CCA板出现一定的滑移，滞回曲线呈现由梭形向弓字形发展的趋势。与试件KJ-1相比，试件KJ-2的滞回曲线更加饱满，表明CCA板填充墙参与了试件KJ-2的滞回耗能，对试件KJ-2的耗能能力具有提高作用。在位移角相同的情况下，试件KJ-2比KJ-1能够承担更大的荷载，表明CCA板填充墙对试件KJ-2的承载能力具有提高作用。

3.3刚度退化

每一个滞回环峰值点的割线刚度反映循环往复荷载作用下试件侧向刚度的变化情况，2榀试件的刚度K退化曲线如图7所示。各阶段2榀试件的割线刚度见表2。

由图7中KJ-1刚度退化曲线可知：当位移角在0～1/100 rad范围内时，试件KJ-1的刚度近似为一条直线，试件KJ-1处于弹性阶段，刚度无太大变化。当位移角达到1/100 rad之后，试件KJ-1进入非弹性阶段，刚度曲线出现明显的下降段。随着位移角的逐步增加，试件KJ-1的刚度也逐渐降低。当位移角达到1/33.3 rad之后，试件KJ-1的刚度退化速率逐渐减小。与初始刚度相比，当位移角为1/33.3 rad时，试件KJ-1的刚度下降了43%；试验加载结束时，试件KJ-1的刚度下降了约57%。

表2各阶段试件的割线刚度Tab.2Secant Stiffness of Specimens in Different Stages

注：K0，Ky，Ku分别为初始刚度、屈服荷载对应的刚度和极限荷载对应的割线刚度；η1为带CCA板填充墙钢框架的初始刚度与纯钢框架初始刚度的比值。

由图7中KJ-2刚度退化曲线可知：当位移角在0～1/150 rad范围内时，试件KJ-2的刚度近似为一条直线。当位移角达到1/125 rad时，试件KJ-2的刚度退化曲线出现明显下降段。随着位移角的逐步增加，试件KJ-2的刚度逐渐降低。在位移角达到1/33.3 rad之前，CCA板填充墙、钢框架共同提供整体结构的刚度。当位移角达到1/33.3 rad之后，试件KJ-2的刚度退化速率逐渐减小，整体结构的刚度主要由钢框架提供。与初始刚度相比，位移角为1/33.3 rad时，试件KJ-2的刚度下降了约65%；试验加载结束时，试件KJ-2的刚度下降了约76%。

由表2和图7可知：试件KJ-2的初始刚度是KJ-1的1.85倍，表明CCA板填充墙对钢框架结构的初始刚度有提高作用。当位移角达到某一限值时，CCA板填充墙的损坏会引起试件KJ-2的刚度发生突变，并且在同级荷载循环中，试件KJ-2的刚度退化速率大于KJ-1。当位移角达到1/33.3 rad之后，2榀试件的刚度退化速率基本一致并且具有相近的刚度。

3.4耗能能力

参照《建筑抗震试验规程》(JGJ/T 101—2015)[20]，根据试件在各级加载第1次循环的滞回曲线计算试件的等效黏滞阻尼系数。采用等效黏滞阻尼系数衡量框架结构耗能能力的高低，等效黏滞阻尼系数越大，说明结构在侧向荷载作用下耗能能力越强。各级荷载第1次循环对应的等效黏滞阻尼系数见表3。各试件等效黏滞阻尼系数对比如图8所示。

表3各级荷载第1次循环对应的等效黏滞阻尼系数Tab.3Equivalent Viscous Damping Coefficients of the First Cycle of Loading

由表3和图8可知：随着位移角的逐渐增大，各试件的等效黏滞阻尼系数也逐渐增大。当位移角在1/100～1/33.3 rad范围内时，与试件KJ-1相比，由于CCA板填充墙参与了钢框架结构的滞回耗能，试件KJ-2等效黏滞阻尼系数增长幅度较大。当位移角为1/66.7 rad时，试件KJ-2的等效黏滞阻尼系数大约是KJ-1的2倍。随着位移角的增大，由于CCA板填充墙的局部破坏，试件KJ-2的等效黏滞阻尼系数增长速率逐渐减小。在位移角达到1/33.3 rad之后，2榀试件的等效黏滞阻尼系数逐渐接近。试验数据表明，当位移角在1/100～1/33.3 rad范围内时，CCA板填充墙参与钢框架结构的滞回耗能，对钢框架结构的耗能能力具有提高作用。

4有限元结果与分析

4.1有限元模型建立

为了深入研究内嵌式CCA板填充墙对钢框架结构受力性能的影响，利用有限元软件ABAQUS建立了带CCA板填充墙钢框架的数值模型。

框架梁、柱、加劲肋、CCA板均采用C3D8R实体单元，龙骨采用S4R壳单元。C3D8R实体单元是细网格划分的线性减缩积分单元，对大应变积分模型计算速度快，分析结果准确。S4R壳单元是线性有限薄膜应变四边形单元，属于一般壳单元，在大变形分析中单元局部材料轴随材料各积分点上的平均运动而转动。采用“TIE”模拟框架柱与龙骨、龙骨与CCA板的连接，使各连接处X，Y，Z方向平动耦合，不限制转动。约束耦合柱翼缘和顶梁所有节点沿Y方向的自由度，并在耦合点施加低周往复荷载。有限元模拟采用与试验相同的加载制度。对柱底施加所有方向的自由度约束，为限制墙体的平面外失稳，约束框架X向位移。纯框架和带CCA板填充墙钢框架的有限元模型如图9，10所示。

4.2对比分析结果

4.2.1骨架曲线

图11为2榀试件骨架曲线的有限元模拟与试验结果对比。由图11可知，2榀试件骨架曲线的有限元模拟与试验结果基本吻合，但存在微小的差别。有限元模拟结果与试验结果存在微小差别的主要原因是有限元模拟中框架柱脚的约束条件与试验中框架柱脚的约束条件存在一定的差异，而且有限元模拟中没有考虑钢框架结构的平面外位移。

4.2.2滞回曲线

图12，13分别为2榀试件滞回曲线的有限元模拟和试验结果对比。由图12，13可知，2榀试件滞回曲线有限元模拟和试验结果基本吻合。本文所建立的带CCA板填充墙钢框架模型能够准确有效地模拟带CCA板填充墙钢框架的受力性能。

由2榀试件滞回曲线有限元模拟和试验结果的对比分析可以得出，带CCA板填充墙钢框架在循环荷载作用下的滞回曲线呈梭形，表明带CCA板填充墙钢框架的滞回性能较好。与纯框架的滞回曲线相比，带CCA板填充墙钢框架的滞回曲线更加饱满，表明CCA板填充墙参与了钢框架结构的滞回耗能，对带CCA板填充墙钢框架的耗能能力具有提高作用。在位移角相同的情况下，带CCA板填充墙钢框架比纯框架能够承受更大的荷载，表明CCA板填充墙对钢框架结构的承载能力具有提高作用。

4.2.3刚度退化

图14为2榀试件刚度退化曲线的有限元模拟和试验结果对比。

由图14可知，有限元模拟的试件刚度退化趋势与试验结果基本一致，但是有限元模拟所得的钢框架结构初始刚度较大，这是由于有限元模型的建立未考虑CCA板填充墙与钢框架之间存在的初始间隙，假定其为密实连接。这种处理方法在一定程度上提高了带CCA板填充墙钢框架的初始刚度。当带CCA板填充墙钢框架在侧向荷载作用下的位移角达到一定数值后，CCA板填充墙与钢框架之间的初始间隙就会闭合，两者成为一个整体共同提供整体结构的刚度，此时有限元模拟的刚度退化曲线和试验结果基本吻合。

由2榀试件刚度退化曲线有限元模拟和试验结果的对比分析可以得出，带CCA板填充墙钢框架的初始刚度大于纯框架，表明CCA板填充墙对钢框架结构的初始刚度具有提高作用。当位移角处于1/100～1/33.3 rad时，由于CCA板填充墙的开裂及局部破坏，带CCA板填充墙钢框架的刚度退化速率大于纯框架。随着位移角的逐渐增加，带CCA板填充墙钢框架和纯框架的刚度退化速率基本一致，并且具有相近的刚度。

5结语

(1)在低周往复荷载作用下，CCA板填充墙提高了钢框架结构的承载能力、抗侧刚度。

(2)CCA板填充墙参与了钢框架结构的滞回耗能，带CCA板填充墙钢框架的累积耗能能力明显优于纯框架。

(3)与纯框架相比，带CCA板填充墙钢框架的初始刚度有所提高。当位移角达到某一限值时，CCA板填充墙的损坏会引起钢框架结构的刚度发生突变，钢框架结构非弹性设计不应考虑CCA板填充墙对钢框架结构刚度的提高作用。

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