钢框架-填充墙组合墙体研究现状

2020-02-18李相学王小平万良东

建材世界 2020年4期

关键词：轻钢砌块结果表明

李相学，王小平，万良东

(武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉 430070)

钢框架是钢结构中最常见的结构形式，一般由钢梁、钢柱在端部刚接而成，具有结构布置灵活、可以获得大开间、自重轻、安装方便等优势。但这种结构形式抗侧刚度低，一般用于低多层建筑和层数不超过30层的高层建筑。

目前钢框架空当常见的填充方式有两种：轻质混凝土砌块和轻质条板。

钢框架中的轻质混凝土砌块一般采用抗压强度为3 MPa左右的加气混凝土砌块，通过水泥砂浆与周围钢梁、钢柱相连。为增加组合墙体的整体性，钢柱每隔一定高度有钢筋深入墙体。

显然，由轻质混凝土砌块形成的填充墙不仅能满足保温隔热、防火和维护等功能，更能和钢框架一起共同承受荷载，形成钢框架-填充墙组合墙体。

钢框架-填充墙组合墙体具有如下优势：

1)组合墙体的水平抗侧刚度比钢框架本身高得多，且其抗侧极限承载力也大于单纯钢框架的抗侧承载力。

2)相对于混凝土结构，组合墙体延性好、自重轻，有利于抗震。

3)小震动时，组合墙体可抵抗水平地震剪力；中震、大震时，填充墙体会产生裂缝，通过耗能吸收地震能量，从而保护框架，达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的要求。

为了解钢框架-填充墙组合墙体的抗侧承载力、刚度和简化计算方法，国内外学者进行了大量的试验研究和理论分析，取得了丰富的研究成果。

1 国外钢框架-填充墙组合墙体研究现状

国外关于钢框架-填充墙组合墙体的研究相对较早。

早在20世纪60年代， Polyakov等[1]以钢框架-填充墙组合墙体为研究对象，提出了一种等效支撑斜杆简化模型，并得到广泛学者的认同。Holmes等[2,3]在Polyakow研究的基础上对简化模型进行改进，重新定义对角支撑有效截面宽度、提出五支杆简化模型。

EI-Dakhakhni等[4]提出钢框架中的填充墙对结构有很大的影响，在结构设计中不能忽略填充墙的性能等。

Hajjarb等[5]进行了一组两层一跨、缩尺比为1/3的钢框架-钢筋混凝土填充墙组合墙体水平低周往复试验。钢框架内侧等间距地焊接抗剪栓钉，然后在框架内部现浇钢筋混凝土墙体。结果表明，在抗剪栓钉破坏之前，随着水平荷载的增加，内部钢筋混凝土填充墙的剪切变形呈线性增加；当水平荷载达到组合墙体设计值时，内部混凝土填充墙大概承担了80%的水平荷载，外部的钢框架柱承担了约80%的倾覆力矩，钢筋混凝土填充墙的剪切模量大约为混凝土材质剪切模量的60%。

Mohammed M Eladly[6]采用有限元软件ABAQUS探索不同的梁柱节点形式对钢框架-混凝土填充墙组合墙体的影响。结果表明，当竖向荷载施加在水平梁上时，增加竖向荷载可以减小不同模型的抗侧性能差异，当梁柱节点连接形式采用端部刚接时，钢框架-混凝土填充墙组合墙体具有更好的抗侧性；当竖向荷载施加在两端的柱上时，增加竖向荷载除了对组合墙体的整体刚度有些影响外，对组合墙体的极限抗侧强度和耗能能力没有任何影响。

Seyed Jafar等[7]设计三组钢框架-混凝土夹层板组合墙体试件，对其进行水平低周往复荷载试验研究。三组试件包括一组纯钢框架、一组混凝土夹层板与钢框架分离的组合墙体(FSI)和一组混凝土夹层板与钢框架有紧密连接的组合墙体(IFM)。结果表明，两组组合墙体在水平荷载作用下差别很大，试件FSI除了耗能性能高于纯钢框架结构，其余的抗侧性能基本与纯钢框架结构一致，整个试验过程中，试件FSI的填充墙无裂缝产生；试件IFM比钢框架具有更好的初始抗侧刚度、极限抗侧强度以及更好的耗能性能，试件IFM最终破坏形式为内部填充墙体形成对角裂缝。

Sidi Shan等[8]为了研究钢框架-砌块组合墙体在连续性倒塌时，内部填充砌块对整体结构力学性能的影响，设计了三组两层四跨的钢框架，包含一组纯钢框架，一组钢框架内部含有砌块开洞的钢框架-砌块组合墙体，一组钢框架内部含有砌块但不开洞的钢框架-砌块组合墙体。结果表明，内部含有砌块的钢框架-砌块组合墙体比纯钢框架具有更好的极限承载力和初始刚度，加载初期的水平荷载基本由砌块承担，但是组合墙体的延性不如纯钢框架，并且组合墙体与纯钢框架的破坏形式不一致。

Reynaud Serrette等[9]对带X型剪刀撑的钢框架墙体、覆盖有石膏板的钢框架-填充墙组合墙体、既有X型剪刀撑又有石膏板的钢框架-填充墙组合墙体进行了水平方向的低周往复加载试验。试验结果表明，既有X型剪刀撑又有石膏板的钢框架-填充墙组合墙体可以显著地降低水平方向的位移，并且增加28%的最大极限承载力。

McCreless等[10]进行了16个石膏板覆面的冷弯薄壁型钢组合墙体的单调加载试验，结果表明，高宽比在0.3～2.0范围变化时，墙体的受剪承载力和抗侧刚度无明显的变化。Serrette[11]的研究得出，当高宽比从2增至4时，OSB板墙体的受剪承载力降低，主要原因为面板的受力形式由剪切变形主导过渡到弯曲变形。

Ruey-ShyangJu[12]设计四组对比试验，以观察不同构件在水平循环往复荷载下的结构性能。四组试件中包括一组纯钢框架、一组钢框架-混凝土填充墙以及两组在钢框架与混凝土填充墙体之间设置不同类型灰缝连接的组合墙体。试验结果表明，不做任何灰缝连接的钢框架-混凝土组合墙体比纯钢框架具有更好的抗侧性能，加载初期的抗侧刚度显著提高(约为纯钢框架的3.78倍)，但当层间位移角到达1.5%左右时，混凝土墙体破坏严重；在钢框架与混凝土墙体间采用灰缝粘结组合墙体的初始抗侧刚度与纯钢框架基本一致，但其极限抗侧承载力是纯钢框架的1.35倍，抗侧性能明显增强。

Mallick等[13]通过有限元方法分析钢框架-填充墙结构的受力性能，采用了具有两个节点自由度的四节点矩形平面应力单元模拟填充墙，并考虑了填充墙的各向异性。接着Thiruveng-adam[14]采用有限元软件，利用等效单对角支撑模型和等效多对角支撑模型对开洞填充框架的自振频率进行了研究，结果显示多重压杆模型可以预测框架-填充墙的分离部位。

Memari A M[15]等人对六层填充墙钢框架结构进行了足尺模型的环境振动和强迫振动试验。环境振动测试分两个阶段进行，第一阶段为仅建成框架和楼板时，第二阶段则是施工完成了所有墙体。强迫振动试验在部分墙体施工完成后进行。试验结果表明，加气混凝土砌块对钢框架有一定的刚度贡献，但不如砖和混凝土砌块。

Moghadam H A[16]研究了内填砌块墙或者混凝土墙钢框架在水平静力往复荷载作用下的开裂强度。试验结果表明，在较低的荷载下，砌块黏结界面处就出现开裂和相对滑移,且开裂逐渐贯通发展成为对角线开裂形态，而混凝土墙则是在角部压碎。说明相比于混凝土墙，砌体墙的抗侧能力和刚度都较低，塑性和变形能力较好。

Dawe等[17]通过大比例模型试验对填充墙钢框架的性能进行了研究。单调振动荷载下，对钢框架-砖块填充墙结构的动力性能进行试验，采用单自由度模型、支撑框架模型和等效对角支撑模型分析了试验的动力反应结果，表明等效对角支撑模型在预测填充框架的动力反应时结果不令人满意。

2 国内钢框架-填充墙组合墙体研究现状

近20年来，国内学者对钢框架-填充墙组合墙体的承载力和刚度进行了大量的试验研究和理论分析。

管克俭等[18]提出了一种新型空腔结构复合填充墙-钢框架结构体系，该填充墙体外部为钢框架，内部为一种新型空腔结构复合材料。作者将空腔结构复合填充墙体与同尺寸的纯钢框架进行了水平抗侧对比试验。结果表明，空腔结构复合墙体的极限抗侧承载力、抗侧刚度分别为纯钢框架结构的1.5倍和4.5倍，且空腔结构复合填充墙的延性高于同尺寸纯钢框架。

谷倩[19]以一组1∶2的双层单跨钢框架填充墙缩尺模型的试验研究结果为研究对象，提出一种三支杆简化力学模型，并对试验模型进行简化计算。结果表明，通过该三支杆简化力学模型所计算出的结果，在刚度、位移以及内力等方面均能够与试验结果很好地吻合，该简化力学模型拥有较好的合理性和实用性。

孙国利等[20]通过Perform-3D非线性分析软件对框架填充墙组合结构进行抗震分析。结果表明，布置合理的内部填充墙体有利于提高结构整体的抗震性能。

邹昀等[21]通过ABAQUS有限元软件对带填充的钢框架-填充墙组合墙体进行抗侧分析。结果表明，内部填充墙可以明显提高结构整体的抗侧刚度和抗侧极限承载力；组合墙体具有较好的滞回性能；填充墙体开洞的大小以及钢框架的高宽比均会影响组合墙体的抗侧性能，底层墙体开洞对整体结构性能的影响比上部结构开洞影响大。

暴伟等[22]研究了半刚性连接的钢框架-轻钢龙骨隔墙体系的抗侧力性能。结果表明，外部钢框架与内部的轻钢龙骨隔墙能够较好地协同工作；柱脚的节点形式对结构耗能能力影响较大；增加轻钢龙骨隔墙节点数量，虽不能增加结构的初始刚度，但可以增强结构的滞回性能和延性。

程雅蒙[23]等通过对纯轻钢框架、纯加气混凝土砌块填充墙体以及轻钢框架-加气混凝土组合墙体三组试件进行水平抗侧力试验，以研究三者在水平荷载作用下承载力、刚度等性能。结果表明，纯钢框架和纯加气混凝土砌块的水平抗侧承载力均较低，分别为12 kN和3.7 kN；但将同尺寸的纯钢框架和纯加气混凝土砌块组合成组合墙体之后，其水平抗侧能力达到77 kN。轻钢框架与加气混凝土砌块能共同工作，相互制约，相互协调，共同提高结构的极限承载力。

郭宏超[24]等以四榀单层单跨缩尺比为1∶3的钢框架-填充墙组合墙体为研究对象，对其进行水平抗侧缩尺试验，四组试件中包含一榀纯钢框架、两榀钢框架再生骨料填充墙和一榀钢框架天然骨料填充墙。结果表明，在纯钢框架内填充再生混凝土骨料之后，结构的初始抗侧刚度提高了3.3～3.6倍，水平抗侧承载力提高了1.4倍，延性系数提高了2.44～3.28倍；增加了再生骨料后的钢框架-填充墙组合墙体具有更高的安全储备。

郭彦利[25]等通过SAP2000有限元软件，对钢框架-内填冷弯型钢组合墙体进行分析。结果表明，外部的钢框架与内部的填充冷弯型钢能较好的协同作用，并且符合刚度分配原则；同时作者在研究的基础上提出了一种便于在工程抗剪设计时使用的剪力分配计算简化公式。

侯莹莹等[26]根据组合墙钢板的剪切破坏先于屈曲变形发生的原则，提出了新型钢框架-组合墙结构的设计方法，提出了基于塑性理论的侧向极限承载力的计算方法，并通过ANSYS建立非线性有限元模型。结果表明，塑性分析方法可用于预测结构侧向极限承载力，安全储备为9.4%。

张文莹等[27]对内填冷弯薄壁型钢组合墙体钢框架体系进行了数值模拟，通过两种不同连接方式试件的比较，分析冷弯薄壁型钢组合墙体与钢框架之间的协同工作性能和剪力分配关系。结果表明，填充墙钢框架屈服荷载、最大荷载均大于单纯钢框架和墙体相应值之和。

袁昌鲁等[28]阐述了钢框架-填充墙结构的受力特性和简化计算模型，系统回顾和总结了其理论分析、试验研究和数值模拟等多方面发展和研究状况，最后针对这种结构的研究不足，指出今后应对钢框架与填充墙连接方式和填充墙开洞情况对结构性能影响开展系统研究。

邹昀等[29]为了分析填充墙对钢框架结构抗震性能的影响,利用大型非线性有限元软件ABAQUS对带填充墙钢框架进行了计算分析,主要研究了填充墙钢框架体系在单调荷载、循环荷载作用下的受力性能。研究结果表明:在水平荷载作用下,填充墙能够提高钢框架的刚度和承载力;在循环荷载作用下,结构整体的耗能性能较好。填充墙开洞大小和框架高宽比均对结构整体的承载力和滞回曲线有影响。

李国华[30]对钢框架-内填混凝土墙体进行了非线性有限元分析，在竖向和水平荷载作用下，若钢框架与内填混凝土墙体间的连接不切实可靠，内填混凝土墙体与钢框架之间会出现分离现象，这种现象往往是由于钢框架与组合墙体在外力作用下变形不一致造成的，使得钢框架-内填混凝土墙体不能联成整体发挥作用，关于组合墙与钢框架间的连接需要进一步的研究。

万良东[31]研究了一种新型的轻钢框架-轻混凝土组合墙体，轻钢框架梁由标准U型冲压件和方矩形钢管通过自攻螺丝连接而成，框架柱采用方钢管，轻钢框架空当则由轻质加气混凝土砌块墙填充。通过低周往复加载试验和有限元分析，研究组合墙体的抗侧性能，并与单层轻钢框架进行比较。结果表明，组合墙体试件的极限承载力是轻钢框架试件的3～4倍；组合墙体试件的抗侧刚度是轻钢框架试件的26倍；组合墙体试件的延性系数约为3.0，是轻钢框架的1.6倍。