钢框架-装配式预制墙体连接研究综述及改进

(华南理工大学 广东 广州 510641)

引言

钢结构建筑多采用螺栓连接，符合预制装配建造要求。其中钢框架结构布置灵活，工业化程度高，常用于多层建筑。但是钢结构框架在外力作用下，变形能力较强，延性强，因此需要补充抗侧力构件。预制装配式墙体是预制装配式结构体系中常见的抗侧力构件。“钢结构+预制墙体”的结构形式施工简便，节能环保，节约工期，符合建筑工业化的发展方向。而预制墙体发挥抗侧力性能的关键在于墙板和框架之间的连接方式是否可靠[1]。本文通过分析现有预制墙板与钢框架连接方式，展望了下步预制墙板钢框架结构的研究方向。

一、预制墙板钢框架结构干法连接研究现状

将预制墙板作为钢框架抗侧构件，并考虑墙板在体系当中的抗侧力作用是近年以来预制装配式建筑快速发展的成果之一。预制墙体的连接条件不同，在结构体系中起到的抗侧性能，抗震响应时的破坏也会不同。干法连接预制墙板符合建筑装配要求，可以实现墙板与框架的施工同步。近年来大量学者针对如何有效连接预制墙体墙体和钢框架做出了研究。

李慧成[2]设计内置墙体与钢框架通过墙体底部预留的齿槽吻合螺栓连接，建议框架梁与墙体位置利用长圆孔螺栓连接方式，并建议加强角部和周边的配筋，确保墙体和框架之间有效的荷载传递。刘欠[3]设计1榀两跨单层的1/3缩尺钢框架内填预制钢筋混凝土墙结构进行水平往复加载试验，并采用U型钢筋进行连接。并发现提高混凝土等级可以有效提高结构整体的极限承载力。赵伟[4-5]等将内填墙体与钢框架之间通过U型板及耳板进行连接(见图1-c)，试验结果表明：耳板可以作为有效的连接件；竖缝墙体根部易破坏。2013年，李东辉[6]提出利用加强角钢连接预制墙板与钢框架(连接方式见图1-d)并设计了两组四个连接节点进行水平往复加载试验，研究结果表明钢板式连接件和双侧角钢连接件都具有较好的延性性能，双侧角钢连接件耗能性能相对钢板式连接件要更改好。吴函恒[7]提出一种新型预制混凝土墙-钢框架抗侧力体系，并设计四个足尺单层单跨钢框架墙体结构进行了水平往复加载试验，框架与墙体之间的通过长圆孔预埋板式连接方式进行。作者研究了墙体破坏模态、传力路径以及钢框架与墙体之间的合理刚度比，并建立了结构抗侧刚度的计算模型，将结构简化为“交叉撑杆+竖向杆件”的杆系模型，提出了不同破坏形态下的受剪承载力计算公式。王野[8]设计T型钢板连接钢框架与预制混凝土墙板之间连接(如图1-e)，按1：3比例设计了两组T型钢板连接试验试件，进行水平往复加载试验，证实T型钢板可以作为有效的连接件使用。连接件破坏模式为高强螺栓的剪断。王坤[9]提出了两种新型干法连接形式，通过H型钢连接和箱型钢连接预制剪力墙与钢框架，利用逐渐发建立简化力学模型，引入有效抗弯刚度表达半刚性连接方式对剪力墙弯曲刚度的削弱。建议通过结构顶层侧移控制结构高度。

上述研究中总结可知，不同连接方式对于预制墙板抗侧性能的发挥影响较大。在结构受力过程中，如连接位置发生破坏，则墙板迅速失去抗侧工作能力，会降低结构整体抗震能力。预制墙板在框架中作为抗侧力构件时，墙体都是通过连接件内嵌于钢框架内，而外挂式墙板则常用作围护构件。

二、墙板抗侧刚度计算理论研究现状

针对墙板抗侧刚度研究，目前常用的等效方法包括：Homes[10]提出的等效斜撑模型，Liauw TC,Kwan KH[11]提出的单压杆模型，Mosalam[12]提出的等效对角支撑模型，EI-Da-khakllniW.W[13]提出的三支杠模型等，国内的学者们在这些计算模型的基础上，结合预制墙板的特点，进行了相关研究。

李国强[14]分别对钢框架及带填充墙钢框架结构进行了拟静力试验，研究了结构的破坏模态和变形能力，结合等效三支杆模型，提出了填充墙- 钢框架结构体系抗侧刚度的简化公式。孟永杰[15]模拟了内嵌围护墙板钢框架，建议钢框架可用实体单元，墙板可用混凝土单元，墙板节点可用弹簧单元。高松召[16]针对轻质内填墙板在侧向荷载下的变形及受力特性提出了等效多杆弹塑性模型，并利用已有试验验证了等效多杆模型的有效性。吴函恒[17]提出“交叉撑杆+竖向杆”的杆系模型用以等效预制墙体的抗侧力，并结合试验验证了在弹性阶段预制墙体可等代为杆系模型进行。朱贺[18]等人建立等效双压杆模型，研究表明填充墙会影响钢框架抗侧强度和刚度，同时也会改变框架结构的塑性铰分布以及发展情况。郭子雄等[19]通过对填充墙的布置方式对整体结构抗震性能的影响进行研究，结果表明填充墙的布置方式对整体结构的破坏形式以及耗能能力有显著的影响。赵亚莉对再生混凝土预制墙板-钢框架结构进行试验，发现此结构中三支杆模型等效结果优于斜向板带模型，并提出了再生混凝土墙板的抗侧刚度计算公式。

以上研究显示，墙板抗侧刚度的研究主要通过多杆等效模型进行，这样的等效方式对于内填墙板的边界条件反映程度不高。不同墙体材料情况下，各等效模型计算的有效性也有一定差异。

三、钢框架预制墙板研究方向展望

预制墙板作为钢框架的抗侧力构件，目前的研究大多采用普通的钢筋混凝土墙体，研究重点为墙体在不同连接形式下的承载能力、变形、破坏模式等。结合现浇剪力墙的研究路径，笔者认为针对钢框架预制墙板体系话需要从以下方面进一步研究：

(1)采用内置型钢方式加强预制墙板抗侧性能，同时能降低同等抗侧强度下的墙体厚度，优化墙体的整体性能，也方便墙体与钢框架进行更加有效的连接。

(2)现有墙体采用的商品混凝土自重较大，对钢框架会产生较大的竖向荷载，因此需要将墙体材料替换为更加轻质高强的材料，为框架提供足够的抗侧强度且不增加过多的竖向荷载。

(3)目前对墙体连接方式的研究集中于构件层面，关注的多为连接方式的传力有效性，破坏模式等，较少考虑如何针对墙体连接构造进行优化来实现更加方面的工业化施工，距离成果落实使用仍有一定距离。因此需要加强对于连接工业化的研究。

四、结语

内嵌型预制墙体钢框架是建筑装配式发展中值得推广的一种重要结构。内嵌墙板-钢框架体系是一种典型的具有两道抗震防线的结构。在预制墙体受到地震作用破坏后，如钢框架经过评估仍能继续使用，则结构可以通过更换预制墙体进行有效修复。通过本文分析提出以下两点建议：

(1)内嵌式预制墙体连接方式，材料，骨架方面需要进行改进，以促进预制墙体钢框架结构装配的实用性和便捷性提高，推进预制墙体抗侧力构件的推广使用。

(2)预制墙体的刚度计算方式需要结合钢框架与墙体的连接方式，预制墙体的骨架类型进行具体分析，并需针对不同受力模态分别考虑。