钢框架内嵌轻质夹芯外墙板钢板连接试验研究

杨艳敏 龚玉宝 王 勃 陈 宇 田锌如

(吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118)

0 引言

轻质夹芯外墙板由于密度低、刚度和强度高的优点逐渐被推广为钢结构建筑的外围护体系，而墙板与钢框架的连接方式是保证钢框架与墙板协同工作的关键，因而,研究嵌入式夹芯墙板-钢框架的连接方式具有一定的现实意义.本文通过不同钢板厚度连接下的钢框架内嵌轻质夹芯外墙板拟静力试验,分析夹芯墙体破坏形式及抗震性能.

1 试验概况

内嵌轻质夹芯外墙板在钢板连接下进行低周往复荷载试验,研究二榀轻质复合保温外墙板钢框架结构的抗震性能，并利用墙板上下4个钢板预埋件与框架顶梁及底梁焊接连接.图1为夹芯墙板与钢板连接件的示意图.试件设计具体参数见表1.

图1 夹芯墙板与钢板连接件的示意图Fig.1 Schematic diagram of sandwich panel and steel plate connector

ProjectMaterialSize/mmwallboardLC201500×1500×200Frame beamQ235BHW200×200×8×12Frame beamQ235BHW250×250×9×14Frame columnQ235B□200×200×5LESEW1Q235B360×80×3LESEW2360×80×6

2 破坏机理

2.1 破坏现象

试验应用美国MTS公司生产的电液伺服作动器进行加载.采用0.3mm/s速率位移加载,加载位移4mm后,位移增量改为2mm直至试验结束.破坏现象见表2.

表2 破坏现象Table 2 Damage phenomenon

2.2 破坏形式

结构的破坏分为3种:

(1) 当连接件刚度较大时,连接件附近混凝土丧失粘结力导致墙板破坏.

(2) 当连接件刚度较小时,结构破坏是由连接件被剪断引起.

(3) 适宜的钢板厚度介于二者之间,使内嵌轻质夹芯外墙板-钢框架体系协同工作,此时墙板连接件周围产生明显裂缝,混凝土丧失粘结力的同时连接件恰被剪断.

LESEW-1与LESEW-2破坏形式见图2.

图2 试件的破坏形式Fig.2 Destruction form of specimen

3 试验结果分析

3.1 滞回曲线

滞回曲线是指结构在低周往复荷载作用下荷载与位移的关系变化曲线[1],各试件滞回曲线见图3.

图3 滞回曲线Fig.3 Hysteresis curve

试件在位移加载初期,位移与荷载基本呈线性变化且滞回环包围的面积很小,说明此时试件处于弹性工作阶段.随着水平位移增大,曲线的斜率逐渐减小、滞回环包围的面积变大、滞回环呈梭形,此时试件进入弹塑性工作阶段[2].位移继续加载,同一位移循环周期下加载曲线的斜率比前一次显著减小,荷载减小.LESEW-1和LESEW-2内嵌墙板的钢框架结构滞回曲线存在不同程度的捏缩现象,表明试件内部存在剪切滑移,剪切滑移主要发生在墙板与钢框架的连接处.LESEW-1出现反“S”形滞回曲线,未出现“Z”形滞回环说明构件滑移很小,能量大部分损耗靠构件的塑性消耗[3].LESEW-2的滞回曲线与LESEW-1相比开始出现“Z”形滞回环,反映了大量的滑移影响,这种滑移增大了结构的耗能能力，利于结构的抗震.LESEW-2连接件处混凝土破坏严重，所以未见承载力下降段.

3.2 骨架曲线

骨架曲线是指在低周往复荷载作用下滞回曲线的每级荷载第一循环峰值点连接后的包络线[1].两种厚度钢板连接件对比反映构件受力与变形各个不同阶段的特性,是确定恢复力模型中特征点的依据,骨架曲线见图4.

通过分析骨架曲线可知,试件LESEW-1在弹性阶段骨架曲线水平位移较大时,试件LESEW-1骨架曲线斜率并未减小，甚至出现增大现象.对比试件LESEW-2与LESEW-1骨架曲线图可知,正向加载时骨架曲线走向一致,试件LESEW-2刚度与LESEW-1相比略有提高.反向加载时,试件LESEW-2的刚度有很大提高.钢框架内嵌轻质夹芯外墙板结构的破坏模式与墙板和钢框架连接钢板厚度有关.试件LESEW-1,连接钢板厚度为3mm,其破坏模式是连接钢板与预埋件焊接根部受到剪力被剪开或钢板与钢框架焊接部分开焊.而试件LESEW-2采用加厚的钢板与钢框架焊接,增大了连接件的刚度.左下角连接件附近混凝土丧失粘结力破坏严重.试件LESEW-2与LESEW-1相比,连接件强度有很大提高,充分利用了墙板的强度及刚度[4].

图4 骨架曲线Fig.4 Skeleton curves

图5 刚度退化曲线Fig.5 Stiffness degradation curve

3.3 刚度退化

结构在地震作用下,自身的变形平衡和抵抗地震干扰受结构刚度的变化影响,根据试验荷载下刚度绘制刚度退化曲线[5],各试件刚度退化曲线见图5所示.刚度退化曲线基本经历如下3个阶段:

(1) 试验加载的初期,刚度退化曲线的斜率较大,意味此时的刚度比较大.随着加载位移增大,刚度位移曲线的斜率开始慢慢减小,刚度也随之逐渐减小.

(2) 试验加载后期,刚度退化曲线斜率趋于水平,此时刚度不再变化.

(3) LESEW-2初始刚度与LESEW-1相比有不同程度提高,说明刚度提高程度由墙板与框架之间钢板连接厚度决定.内嵌轻质夹芯外墙板与钢框架在连接件的作用下一起抵抗侧向位移,使产生同样大的形变需更大的荷载作用[6].框架对墙板约束由连接件形式、连接件数量以及边界约束条件决定,因此各试件对墙板刚度利用不同,初始刚度的提高亦不同[7].

3.4 耗能能力

结构或构件的耗能能力通常用滞回曲线所包围的面积和等效粘滞阻尼系数评定[2].试件耗能能力采用滞回环面积量化.10mm,30mm位移试件总耗能见表3.

表3 10mm，30mm位移时试件总耗能Table 3 Total energy consumption of each specimen at 10mm and 30mm displacement

当位移为10mm时,LESEW-1总耗能为148kN·mm,LESEW-2总耗能为222kN·mm.增加连接钢板厚度,前期加载过程中耗能明显.当位移为30mm时的总耗能,LESEW-1对比LESEW-2有很大的提高，说明随着加载位移的增大,连接钢板耗能影响程度减小,反应了连接件刚度在试验中结构耗能规律[8].

4 结论

通过对二榀内嵌轻质夹芯外墙板钢框架结构低周往复荷载试验研究分析，得到以下结论:

(1) 内嵌轻质夹芯外墙板钢框架结构的破坏形式主要有两种:LESEW-1焊接钢板连接件与墙板预埋件之间焊缝开焊,对墙板约束减小,使墙板不能继续贡献刚度从而退出工作.LESEW-2墙板预埋件处混凝土丧失粘结力，破坏严重，钢板厚度是内嵌轻质夹芯墙板破坏重要因素,决定墙板破坏或连接件破坏.

(2) 根据试验研究,此内嵌轻质夹芯外墙板钢板连接方式适宜钢板厚度在3mm～6mm之间.

(3) 墙板与钢框架之间采用了具有一定变形能力的钢板连接件,能在位移加载过程中吸收消耗一部分能量,位移为10mm时，LESEW-2比LESEW-1总耗能提高50%,位移为30mm时,LESEW-2比LESEW-1总耗能提高28%,连接件够起到阻尼器的作用,但随着位移增大，连接钢板耗能影响程度减弱.

(4) 增大连接件钢板的厚度,即增加连接件刚度，使其对墙板有更强的约束能力，墙板对结构提供了更大的刚度,增大了结构抗侧刚度，虽然提高结构极限承载力,但对结构耗能影响较小.

参 考 文 献

[1] 李国强,方明霁,刘宜靖,陆烨.建筑抗震试验方法规程[S].北京：中国建筑工业出版社，1996.

[2] 王波,王静峰,李响,屠来洪.填充ALC墙板钢管混凝土框架抗震试验与数值模拟[J].土木工程学报,2014,47(S2):56-61.

[3] 钢结构住宅体系加气混凝土外墙板抗震性能试验研究[J].土木工程学报,2005(10):31-35.

[4] 赵天龙,吕振利,陈林聪.梁不同配筋情况下页岩陶粒混凝土框架抗震性能研究[J].建筑科学,2017,33(11):54-61.

[5] 杨艳敏,王小玉.轻质夹芯外墙板不同连接方式抗剪试验研究[J].混凝土,2016(12):111-113.

[6] 田子玄.装配叠合式混凝土地下综合管廊受力性能试验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2016.

[7] 杨艳敏,章润涛,王小玉.全轻混凝土剪力墙抗震性能试验研究[J].地震工程与工程振动,2017,37(5):96-102.

[8] 侯和涛,臧海涛,王静峰.钢结构住宅墙体(板)连接节点应用与研究现状[J].钢结构,2012,27(9):1-5.