冷弯薄壁型钢组合墙体抗震性能研究综述★

王若晨 张秀华 鄂云龙 严一帆 徐境艺

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

随着社会经济的快速发展，人们的生活水平不断提高，但随之而来的是环境的大肆破坏与能源的过度消耗。现如今，绿色、环保、节能与工业化成为时代主题，而冷弯薄壁型钢组合墙体作为冷弯薄壁型钢结构体系的重要组成部分，与其他复合墙体相比，具有较轻的重量、较高的强度以及较小的占地面积，并且构配件均为自动化、连续且高精度的生产，符合可持续发展战略，在未来将具有广阔的发展前景。从“十三五”规划中也可以看出，装配式建筑将是未来发展的主流，那么针对冷弯薄壁型钢组合墙体抗震性能的研究将具有重要意义。

1 组合墙体组成

冷弯薄壁型钢组合墙体主要由型钢骨架与墙面板组成。型钢骨架与墙面板通过自攻螺钉连接。墙面板通常有多种材料，常见的有稻草板、OSB板、石膏板、胶合板与钢板等。型钢骨架主要由上下导轨、刚性横撑与墙立柱组成。墙立柱作为结构主要受力构件，两侧端均采用背靠背连接，其形式为工字型截面。型钢的截面形式也多种多样，主要有U形、C形、T形、管形截面等。同时，为保证墙体的整体稳定，上下导轨与楼面或基础之间均设置抗剪连接件。以U型钢与C型钢组合型钢骨架为例，图1为组合墙体构造与截面形式示意图。

2 组合墙体抗震性能研究现状

目前，国内外学者已针对该结构体系进行了大量的试验研究，但截至目前，研究依然以模型试验为主，尚未形成相应完善的理论计算方法。

2.1 国外学者研究现状

国外针对冷弯薄壁型钢组合墙体的研究较早，并且美国、加拿大等国在这方面的研究现状领先于世界。

Fülöp等[1]对冷弯薄壁型钢组合墙体进行低周往复加载试验，对铺装不同墙面板时的抗剪承载力进行研究，得出结论：同类墙体开洞后，初始刚度、极限承载力以及延性均有所减少。Fülöp等[2]并在此基础上建立了剪力墙板滞回性能的数值等效模型，并使用冷弯型钢框架结构的三维动力非线性分析。初步分析得出，对轻型剪力墙结构来说，过高的强度和延性可能降低地震作用的影响。Serrette等[3]对单面OSB板组合墙体进行了水平低周往复加载试验研究，研究结果表明减小螺钉间距增加了墙面板与型钢骨架连接紧密性及组合墙体的承载力和刚度，提高了组合墙体抗震性能。S Mohebbi等[4]通过对单双面覆钢板的冷弯薄壁型钢组合墙体进行往复加载试验，得出结论：双面覆板组合墙体与单面覆板组合墙体相比，其耗能、抗剪强度和弹性刚度分别提高70%,63%和115%。

2.2 国内学者研究现状

由于十三五规划中提到大力发展钢结构，冷弯薄壁型钢组合墙体将是未来的发展主流，因此，我国针对该墙体的研究从未间断。石宇、周天华、赵根田等[5-7]通过对冷弯薄壁型钢组合墙体进行单调以及往复加载试验，研究分析OSB板、石膏板、水泥纤维板等对组合墙体的影响，结果表明：不同墙面板对组合墙体的受剪承载力有较大影响，施加竖向荷载可以改善组合墙体的承载力。彭林等[8]针对新型冷弯薄壁型钢组合墙体进行了弹塑性时程分析，比较了在罕遇地震下，不同结构组合墙体的位移和内力反应，结果表明：新型组合墙体的抗震性能较好。李玉顺、郭鹏等[9,10]研究了竹胶板和交叉扁钢对冷弯薄壁型钢组合墙体抗震性能的影响，并在此基础上，建立了相应的组合墙体最大抗剪承载力计算模型，并将计算结果与试验结果进行对比，得出结论：组合墙体组合效果显著，延性以及耗能能力较好，承载力计算模型合理。刘欣等[11]通过对冷弯薄壁型钢双层组合墙体的有限元模型进行分析，得出结论：轴压增加，组合墙体抗剪承载力降低；型钢骨架截面尺寸变大，组合墙体的抗剪承载力增加；增加加劲件，有助于提高组合墙体的抗剪承载力；并证明了在组合墙体中，墙面板具有明显的蒙皮效应。张秀华等[12]针对钢—稻草板组合墙体进行有限元分析，得出结论：开洞高度不影响组合墙体稳定承载力，但改变开洞率与开洞高度，组合墙体承载力变化明显。

3 组合墙体抗震性能影响因素

冷弯薄壁型钢组合墙体因其强度高，自重轻等优点，作为住宅的主要承重部分，其地震作用主要由冷弯薄壁型钢组合墙体来承担。因此，在试验中，其受力体系主要由竖向荷载以及水平荷载组成，并为防止墙体扭转，需提供足够的侧向支撑。本文通过总结前人对冷弯薄壁型钢组合墙体进行的试验研究，分析得出影响组合墙体抗震性能的关键因素包括：

1)墙面板材料以及单双面覆板；2)墙面板铺装方向；3)墙面板是否开洞；4)立柱间距；5)型钢截面尺寸；6)螺钉间距；7)墙体高宽比；8)荷载类型；9)型钢骨架形式。

4 组合墙体承载力计算

由于冷弯薄壁型钢组合墙体结构多样化，其抗震性能受到多种因素的影响，使其理论计算相当困难。国内针对其进行了大量试验，并对试验结果进行了分析研究，得出承载力计算模型：

1)宁波大学李玉顺通过对钢—竹组合墙体进行低周往复加载试验，并通过弹性阶段所表现的应力—应变曲线，结合力的平衡关系等多个条件建立了组合墙体承载力计算模型：

其中，fy为型钢的屈服应力；r为组合效应系数；H为试件计算高度。

2)刘斌等[13]通过试验结果对组合墙体抗剪承载力设计值进行分析，得到组合墙体在水平地震作用下的抗剪承载力的计算表达式：

3)郭鹏等通过对组合墙体在水平低周往复荷载作用下的可能破坏模式进行研究，提出了相应的最大抗剪承载力的计算模型：

Pmax={P3,P4,P5}；

其中，L为墙体宽度；H为墙体高度。

其中，Vb为一个螺钉的抗剪承载力；n为自攻螺钉个数。

其中，fy为斜拉条钢材屈服强度；A为其横截面面积；n为单侧斜拉条底部同一横截面自攻螺钉最大个数；df为螺钉直径；t为钢板厚度。

5 结语

目前，国内学者对于冷弯薄壁型钢组合墙体的抗震性能已进行了大量的试验研究并取得了阶段性的成果，但由于其覆板材料的多样性，我国规范尚未对冷弯薄壁型钢组合墙体的抗剪承载力有统一的计算方法，但针对各类墙体已有了各自的计算模型。随着冷弯薄壁型钢组合墙体的广泛应用，针对冷弯薄壁型钢组合墙体抗震性能的研究还应继续探索。