装配式钢框架-泡沫混凝土墙板结构力学性能

鲍 超，郭耀杰，李 旋

(武汉大学土木建筑工程学院，武汉 430072)

在“可持续发展战略”指导下，国家住房与城乡建设部将绿色、节能等纳入建筑规划中，鼓励研究和推广应用新型建筑材料及装配式建筑体系，促进国家住宅建筑产业的进步与转型。近年来，装配式结构体系依靠其材料性能、结构布局、施工操作性等优点在住宅建筑行业得到了广泛的应用[1]。然而，依照中国钢框架住宅设计原则，钢框架承担全部荷载，忽略墙体受力贡献，仅起建筑分隔和维护作用[2]。实际中，墙体会协同钢框架受荷。从经济上分析，传统的设计方法会增大钢框架的截面，造成材料浪费；另一方面，墙体可能会先于钢框架发生破坏，引发生命和财产损失[3]。综合理论与实践可知，墙体充当着受力贡献者的角色，需对带墙体的钢框架进行有关研究，完善现有设计方法。

Karaduman等[4]研究发现，内填砌体墙有提高外部结构承压能力的作用，结构设计中应予以重视；Balik等[5]针对填充墙与框架结构的协同受力性能进行了研究，结果表明，合理的构造措施可以增强填充墙与框架结构间的协同变形能力，改善结构的受力性能；钟亚曦[6]通过有限元软件，分析了钢框架内嵌填充墙结构的协同工作原理，研究表明，单层单跨满填充组合墙的承载能力和初始刚度值分别为纯钢框架结构的3.51倍和8.4倍。刘杰[7]根据水平荷载下组合墙的破坏现象及曲线，研究结构的传力机理和变形原因，并通过参数化分析，总结钢框架截面、墙板材料对结构抗侧移能力的影响；郝进锋等[8]提出采用苯板为夹芯层，外层敷钢丝网，浇筑C15混凝土构成墙板，具有良好的节能和承重效果。

以往组合墙板自重大、整体性不佳，为减轻墙板的自重，又考虑到墙体仅分担部分的荷载，提出一种可实现装配式施工的带钢框架组合墙结构体系，基本构想为：将聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrene,EPS)混凝土浇注于钢框架内部，养护成一种新型组合墙结构，并采用高强螺栓现场安装，形成装配式住宅建筑体系。EPS混凝土不同于普通混凝土，具有自重轻、隔音好、保温节能等特点，是一种新型的绿色材料。本文试验和有限元的方法，对足尺的纯钢框架结构和钢框架-EPS混凝土组合墙结构进行水平单调加载，观察结构在加载过程中所表现的破坏过程和模式，研究结构水平承载力和抵抗侧向变形的能力，对其力学性能进行综合性评价。

1 试验设计

1.1 试件模型设计

试验共有两榀试件，单层单跨纯钢框架结构SJ1及组合墙结构SJ2的设计图如图1、图2所示。

研究采用足尺模型，两榀钢框架型钢梁柱截面均为HW 150 mm×150 mm×4 mm×6 mm，梁与柱之间采用齐平端板连接，端板一端与梁端焊接，另一端与柱翼缘采用高强螺栓连接，螺孔根据相关建议[9]采用双排双列对称布置，连接端板尺寸为150 mm×150 mm×16 mm，柱高尺寸为3 m，柱中心线距离为3 m，钢材和端板的材质均为Q235B，高强螺栓选用10.9级。

组合墙结构SJ2中，墙板部分为150 mm厚EPS颗粒混凝土，为方便柱脚与刚性地梁安装固定，混凝土的高度取值为2.7 m，底部设置槽钢用以支撑EPS混凝土，型号选为[10。

1.2 测点布置及加载模型

应变测点布置遵循对称的原则，SJ1试件测点分别布置在梁柱两端的内外翼缘上，在柱顶非加载端布置位移测点；SJ2试件在钢架外翼缘和EPS混凝土正视面上布置测点，同样在柱顶非加载端布置位移测点，如图1、图2所示。

图1 SJ1结构及测点布置Fig.1 SJ1 structure and point arrangement

图2 SJ2结构及测点布置Fig.2 SJ2 structure and point arrangement

两榀试件均采用同样的加载方案，加载设备选用MTS液压伺服作动器，一端连接在反力墙，另一端对试验试件施加水平力，柱脚与地面之间采用刚性地梁、地锚栓模拟锚固连接，试件加载如图3所示。

图3 试件加载示意图Fig.3 Loading indication

2 试验现象及结果分析

2.1 SJ1试件

钢框架SJ1属于柔性结构，在加载初期，即产生明显的侧向位移。荷载持续增大至33.8 kN时，两端梁柱节点的柱翼缘与连接端板发生分离，柱翼缘出现局部变形现象；当柱顶水平拉力增至37.6 kN时，端板与柱翼缘分离程度加大，与螺栓连接部位的柱翼缘发生屈曲变形，肉眼可观察到钢框架柱顶弯曲变形，如图4所示；荷载继续增加，结构变形更严重，位移百分表指针转动加快且难以稳定，当荷载显示43.8 kN时液压伺服作动器开始卸载，钢框架结构未发生平面外失稳。

图4 SJ1试件加载Fig.4 Loading test of SJ1

图5 SJ1试件荷载变形曲线Fig.5 Load deformation curves of SJ1

提取应变箱采集的应变数值，绘制如图5所示的荷载-应变(P-ε)和荷载-位移(P-Δ)曲线，分析得到以下结论。

(1)加载初期，钢材处于弹性阶段，P-ε和P-Δ曲线近似为一条直线。从加载到破坏整个过程，框架梁的应变数值都很小，构件未屈服，而实际现象中框架梁也未发生破坏。

(2)柱上下两端应变数值相差较大：柱脚处应变较小，可认为此部位的钢材仍旧处于弹性阶段；柱顶端应变较大，分析原因是节点处存在应力集中，且柱顶变形较大，材料发生屈服，因此加载后期P-ε曲线呈现非线性变化。

(3)柱顶达到水平位移限值H/150(H为钢框架高度，mm)，侧向荷载约为21.4 kN；加载到33.8 kN时，柱翼缘与端板发生分离，在曲线中则表现为P-Δ的斜率变小，此时结构的抗侧移刚度已发生变化；加载后期，P-Δ曲线逐渐趋于横坐标轴，柱翼缘发生局部屈曲破坏，结构达到极限承载力。

2.2 SJ2试件

在整个加载过程中，组合墙结构SJ2所表现的现象与纯钢框结构SJ1有很大差异。在加载初期，柱脚螺栓连接部位曾发出摩擦声，且刚性地梁有轻微的滑动，组合墙无明显变化；荷载继续增加，左上角墙板出现裂缝，水平荷载约100.0 kN时，墙角开裂；在加载后期，沿左上到右下对角线方向，EPS混凝土墙面出现裂缝，第一条裂缝所对应的荷载为130.2 kN，且裂缝数量和宽度随试验进行而增多或变大；最终伴随一“咯噔”声，液压伺服作动器显示为142.0 kN并开始卸载，裂缝已基本贯穿整个墙面，如图6所示。

图6 SJ2试件加载Fig.6 Loading test of SJ2

组合墙结构部分测点的P-ε曲线及P-Δ曲线如图7所示，分析得出以下结论。

(1)框架梁、柱测点应变数值在整个加载中都很小，P-ε和P-Δ曲线近似为一条直线，可认为测点部位处的钢材均处于弹性阶段，未发生屈服。

(2)混凝土应变数值发展较快，当荷载加到约120 kN时，P-ε曲线出现明显拐点，刚度下降，表明EPS混凝土内部已经产生了裂缝，加载后期呈现近似水平线趋势变化。

图7 SJ2试件荷载变形曲线Fig.7 Load deformation curves of SJ2

(3)水平荷载在40 kN前荷载与位移之间近似线性变化；在40 kN左右时，曲线出现折点，结合加载过程中滑移现象，螺栓和刚性地梁发生移动后，结构整体进入受力状态，抵抗水平侧力的能力提升，因此斜率增大；试验加载中期阶段，因墙角混凝土破损以及墙面出现裂缝，组合墙结构抗侧移刚度降低；试验加载后期，裂缝贯穿至整个墙面，墙板退出工作，结构发生破坏。

2.3 试验对比分析

对比试验现象，施加水平荷载后，钢框架因属于柔性结构，柱的弯曲现象明显，柱翼缘与连接端板出现分离，而组合结构墙板的柱顶位移较小，可知内填EPS混凝土增加了钢框架的刚度；纯钢框架结构达到极限承载力的标志是节点域处的柱翼缘发生局部屈曲，而组合墙结构是由于混凝土破碎和裂缝扩展，破坏形式为墙板先于钢框架失效。

对比P-Δ曲线，在整个试验加载过程中，组合墙结构的抗侧移刚度始终远大于纯钢框结构，水平位移很小，极限承载能力得到了极大的提升，极限荷载接近于3倍关系，说明组合墙板结构抗侧力性能和整体性能较好，EPS混凝土能够提高钢框架的刚度和强度，属于可推广应用的结构体系。

3 有限元分析验证

3.1 有限元模型建立

选用SOLID185和SOLID65单元分别对钢材和混凝土材料进行模拟，采用牛顿-拉普森法求解，各构件的材料性能如表1所示。Q235B钢材在材性试验中，表现出了明显的弹性、屈服、强化和颈缩4个阶段，因此采用三线性本构模型，10.9级高强螺栓采用双折线本构模型，强化阶段弹性模量均为弹性阶段的1.5%[10]，针对EPS混凝土将采用VonMises屈服准则和MISO等向强化准则进行有限元计算和分析，底部的槽钢仅起支撑、增加墙板整体性的作用，对抗侧力的影响可以忽略。此外，建模中还应考虑各构件之间的相互作用，根据接触面的刚柔性，采用Conta174与Targe170单元模拟型面与面之间的接触，其中摩擦系数取0.30[11-12]。高强螺栓预紧力的施加由Pretsl179单元实现[13]。

表1 钢材、EPS混凝土材性特征Table 1 Properties of steel and EPS concrete

3.2 有限元求解分析

3.2.1 SJ1试件

钢框架破坏时的应力云图及柱翼缘应力如图8所示，可见在整个加载过程，节点域应力明显高于其他部位，且产生明显的应力集中现象。在整个有限元分析过程中，钢框架均处于弹性阶段，破坏的形式表现为柱翼缘与连接端板分离，柱翼缘局部屈服，表明有限元模拟求解吻合度较好。

图8 SJ1试件有限元结果Fig.8 Finite element result of SJ1

图9 SJ2试件有限元结果Fig.9 Finite element result of SJ2

3.2.2 SJ2试件

带有EPS混凝土墙板的组合墙结构，在柱顶水平推力作用下，整体变形明显不同于纯钢框架结构。加载前期，墙板与钢框架间能够协同相互作用，在加载后期，两者之间发生相对滑动，组合墙结构抗侧移刚度则会降低。从受力形式上分析，在荷载作用下，墙板发生剪切变形，仅靠连接形式较弱的接触对，钢框架与墙板将会产生分离现象。由图9可见，在两个对角部位的墙板应力较大，右下角最先出现裂缝，随着荷载的增大，裂缝沿着角部向中间扩展，形成贯穿裂缝。

综合分析试验的P-ε曲线和有限元的应力云图可知，钢框架整体基本处于弹性阶段，未出现屈服现象，故试验中钢框架柱的测点应变数值较小；墙板产生较多裂缝，因此EPS混凝土的P-ε曲线逐渐趋于平缓，试验与有限元分析结果基本相符。

3.2.3P-Δ曲线对比

分析有限元结果，得到两榀钢架的P-Δ曲线如图10所示。

图10 试验与有限元P-Δ曲线对比Fig.10 P-Δ curves comparison betweenexperiment and finite elementresult

SJ1试验加载和有限元分析分别得到的P-Δ曲线变化趋势相同，在加载前期，两者曲线近似为斜直线且基本重合。试验加载得到的最大水平承载力为43.8 kN，在有限元分析中因未考虑材料缺陷、螺栓错动等因素，最大承载力要比试验结果高出17.9%，为51.6 kN。

SJ2有限元分析得到的曲线比试验结果平滑，承载力高，试验P-Δ曲线一直以非线性关系变化，分析原因：在加载初期，构件之间存在间隙以及支座滑移，墙板受力不均，试验P-Δ曲线增长缓慢，在加载至约40 kN时，墙板与钢框架协同工作，整体性能提升，构件才开始进入弹性阶段，弹性阶段试验曲线斜率与有限元相接近,最大水平承载力分别为142.0 kN和157.5 kN，两者相差10.9%，有限元模拟较好。

3.3 墙板最优厚度分析

组合墙的自重和承载力大小与内填EPS混凝土厚度有着密切的联系。为了找到最优厚度，对SJ2有限元模型进行参数化分析，结果如图11所示。

图11 不同厚度EPS混凝土墙板的组合墙承载力对比Fig.11 Bearing capacity comparison of composite wall with different thickness of EPS concrete wallboard

随墙板厚度的变化，组合墙的承载力在墙板厚度为150 mm时达到峰值。当墙板厚度大于150 mm后，外伸墙板面承受偏心荷载作用，承载力会显著降低；当厚度大于200 mm时虽然承载力又有所提高，但无疑会影响装配施工和建筑尺寸。建议施工工程应用时，墙板厚度取值为与梁柱翼缘宽度相同，这样不仅能发挥装配式工艺特点，还能保证组合墙结构具有较好的抗侧移能力。

4 结论

(1)EPS混凝土墙板会改变钢框架的受力状态，结构体系属于墙板破坏形式。增加混凝土墙板后，结构的抗侧移能力有显著提升，极限承载力约为原来的3倍，整体不会发生明显的侧向位移。

(2)通过研究墙板厚度对组合墙水平承载力的影响发现，EPS墙板厚度为150 mm时，组合墙结构承载力最大。基于装配式施工特点，为保证组合墙结构体系具有较好的承载力，建议EPS混凝土板厚与梁柱翼缘宽度相等。

(3)钢框架与墙板间的有效连接是保证两者协同工作的前提，本文中钢框架与混凝土墙板靠摩擦传力(槽钢支撑)，在试验中并未有分析现象，但在有限元分析中随着荷载增大发生滑移，因此在实际应用中需要考虑连接的可靠性。

(4)组合墙板结构破坏形式为脆性破坏。纯钢框架结构破坏形式属于延性破坏，组合墙板结构因材料特性，属于脆性破坏。在加载过程中，角部混凝土会破碎，墙板出现裂缝，一旦裂缝继续扩大和贯穿，结构发生脆性破坏。该特性会影响此结构体系的应用和推广，在后续研究中可从钢框架与墙板的连接形式、墙板组成材料等方面入手，尽可能改善和提升结构体系的抗震性能。