复合墙嵌入深度对装配式轻钢框架-复合墙结构抗震性能的影响*

2021-03-26王如伟曹万林

建筑结构 2021年5期

王如伟，曹万林，殷飞

(北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)

0 引言

在我国大力倡导建筑工业化、促进装配式结构发展的背景下，装配式钢框架结构体系因其加工精确度高、施工准确度好，近年来得到了快速发展。与装配式钢框架配套的墙体结构，也逐渐得到了专家学者的关注。

现阶段主要存在的钢框架装配墙板的结构形式为装配式外挂墙板结构与装配式剪力墙结构。装配式外挂墙板一般采用简易的安装方式，施工便捷，但安装连接的可靠性是外挂墙板的关键问题，专家学者针对这一问题进行了相关设计及试验、理论分析[1-3]。装配式剪力墙结构可承担结构中大部分侧向荷载，显著提高了结构的水平承载力[4-5]，其在钢框架内的性能也得到了专家学者的试验及理论验证[6-9]。

近年来，笔者课题组[10-13]在钢框架与墙体装配方面，进行了装配式墙体不同构造形式、不同装配连接形式的拟静力试验，研究了装配式钢框架-墙体结构的抗震性能。但已有研究均未涉及到墙体在钢框架内的嵌入深度对整体结构抗震性能的影响。本文通过改变装配式轻钢框架-XPS夹心保温复合墙结构中复合墙不同的嵌入深度，研究嵌入深度对装配式轻钢框架-XPS夹心保温复合墙结构抗震性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

装配式轻钢框架-XPS夹心保温复合墙结构由轻钢框架、XPS夹心保温复合墙通过螺栓连接而成，轻钢框架由钢管混凝土柱、H型钢梁通过螺栓连接而成，整个结构全装配式连接。试验共设计了3个足尺试件，试件编号为FW-150，FW-60和BF，其中，试件FW-150，FW-60分别表示复合墙在轻钢框架内的嵌入深度为150mm和60mm，试件BF为空框架试件。

各试件的轻钢框架部分与复合墙部分的构造完全相同，以试件FW-150为例，试件外形尺寸及构造如图1所示。轻钢框架钢管混凝土柱截面为□150×150×6，H型钢梁截面为H200×150×6×9。复合墙由内外页各60mm厚钢筋混凝土层及80mm厚XPS保温材料层组成，总厚度为200mm。复合墙钢筋分别在内外页混凝土层内居中布置，竖向及水平向钢筋直径均为5mm，钢筋间距为150mm。墙体四周设置宽度为80mm，厚度等于墙体厚度的钢筋混凝土加强边框，在加强边框内定位布置连接螺栓。混凝土浇筑后，连接螺栓部分浇筑在墙体内部，剩余螺杆裸露在墙体外部。沿轻钢框架内侧焊接带有螺栓孔的连接角钢，复合墙嵌入深度不同，连接角钢焊接位置不同。连接螺栓与连接角钢为复合墙与框架节点的主要连接构造。装配时，复合墙上的预埋螺栓穿过连接角钢上的螺栓孔后拧紧，完成整体结构的装配。

图1 试件外形尺寸及构造

结构装配完成后，试件FW-150的复合墙，除50mm厚外页钢筋混凝土层外，其余部分全部嵌入150mm宽的轻钢框架内。试件FW-60，除60mm厚内页钢筋混凝土层嵌入轻钢框架内，其余部分全部悬挑在轻钢框架外。两个试件复合墙四周与轻钢框架之间均保留10mm施工缝。

1.2 材料属性

本试验全部采用再生混凝土，钢管混凝土柱与复合墙采用不同再生混凝土配合比，如表1所示。再生粗骨料来自北京某公司，粒径为5～10mm，再生粗骨料取代率为100%。细骨料采用天然商品砂。混凝土的浇筑养护在中国地震局工程力学研究所恢先综合实验室完成。制作混凝土轴心受压试块，与钢管混凝土柱、复合墙同条件下养护，试件加载时测得试块抗压强度平均值分别为46.5，23.1MPa。

再生混凝土配合比表1

复合墙板XPS夹心保温材料采用绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料(XPS)。XPS保温板材燃烧性能依据《建筑材料及制品燃烧性能分级》(GB 8624—2012)[14]检测，测得氧指数28.6%，燃烧等级达到B2(E)级。

钢管混凝土柱钢材采用冷弯薄壁方钢管，H型钢梁、连接角钢钢材采用热轧型钢，复合墙配筋采用冷拔螺纹钢筋。钢材规格及材性试验结果见表2。

钢材力学性能表2

1.3 加载方案

采用拟静力试验方法，对试件进行低周反复荷载试验，加载装置如图2所示。采用高强螺栓将试件与基础钢梁紧固连接，采用地锚螺栓将基础钢梁固定于地面。加载时，首先在轻钢框架的每根框架柱顶部施加500kN的竖向荷载，并在试验过程中保持恒定，然后沿试件H型钢梁水平轴线位置施加水平荷载。

图2 加载装置

水平荷载采用位移控制，控制位移取水平加载点实测位移。加载制度为：加载到1/500位移角之前，加载位移增量为1/2 500；加载到1/500位移角到1/50位移角之间，加载位移增量为1/500；加载到1/50位移角之后，加载位移增量为3/500。试验过程中，加载速率保持一致，每级加载循环2次。荷载降低到85%或结构丧失承载能力时结束试验。规定千斤顶推出时水平力为正。

1.4 测点布置

采用IMP数据采集系统采集加载过程中试件的荷载、位移以及应变数据，观测并记录试件裂缝开展及损伤情况。图3为位移计及应变片布置，图中位移计D1，D2用于测量试件南、北加载点位移，位移计D3，D4用于测量试件南、北柱脚相对滑移，位移计D5用于测量基础相对滑移；钢管混凝土柱应变测点编号为Z1～Z8，每一测点布置水平及竖向应变片，应变片分别编号为Z1x～Z8x及Z1y～Z8y，H型钢梁应变片编号为L1～L4；轻钢框架与复合墙连接角钢应变片编号为J1～J12。

图3 位移计及应变片布置

2 试验结果及分析

2.1 试验现象及损伤演化过程

2.1.1 试件FW-150

试件FW-150的破坏特征及滞回曲线如图4所示。加载位移为2.13mm(点1)时，框架-复合墙底部水平节点连接螺栓出现轻微滑移；加载位移为5.36mm时，复合墙右下角出现第一条混凝土裂缝。之后随着加载位移的增大，多处水平及竖向节点连接螺栓滑移且逐渐增大，连接角钢出现屈曲变形。加载位移为38.14mm(点2)时，框架、复合墙之间相互挤压协同变形，试件承载力出现明显增长。加载位移大于54.73mm(点3)后，复合墙节点部位混凝土压碎掉渣，节点逐渐失去连接作用，试件承载力保持稳定，停止增长。加载位移超过71.02mm(点4)时，复合墙应力重分布，试件承载力继续上升。加载位移为86.99mm(点5)时，复合墙内部出现较长斜裂缝，试件承载力降低。5个曲线特征点将试件FW-150损伤过程分为6个阶段：弹性阶段、连接构造损伤阶段、框架-复合墙共同受力阶段、节点区混凝土损伤阶段、应力重分布阶段和承载力下降阶段。

图4 试件FW-150破坏特征及滞回曲线

2.1.2 试件FW-60

试件FW-60的破坏特征及滞回曲线如图5所示。加载位移为2.37mm(点1)时，框架-复合墙竖向节点连接螺栓滑移；加载位移为4.45mm时，复合墙右上角出现裂缝。随后加载中，连接构造损伤明显，连接螺栓滑移及连接角钢屈曲变形。加载位移为22.07mm(点2)时，复合墙四角裂缝明显增多，试件承载力增长加快。加载位移大于32.74mm(点3)后，节点区混凝土损伤加剧。加载位移为43.79mm(点4)时，试件承载力达到最大，之后承载力开始下降。4个曲线特征点将试件FW-60损伤过程分为5个阶段：弹性阶段、连接构造损伤阶段、框架-复合墙共同受力阶段、节点区混凝土损伤阶段和承载力下降阶段。

图5 试件FW-60破坏特征及滞回曲线

2.1.3 试件BF

试件BF的破坏特征及滞回曲线如图6所示。加载过程中，试件BF发生整体弯曲变形，当加载位移较大时，柱脚钢管发生明显的鼓曲变形，试验结束。试件BF滞回曲线经历了弹性阶段、弹塑性增长阶段及塑性变形阶段。

图6 试件BF破坏特征及滞回曲线

2.2 骨架曲线对比

图7为各试件骨架曲线对比图。由图7可知，各试件承载能力及变形能力显著不同，复合墙嵌入轻钢框架内的深度对装配式轻钢框架结构骨架曲线存在明显影响。另外，与空框架试件相比，XPS夹心保温复合墙的嵌入极大地提高了装配式轻钢框架结构的承载能力。

图7 骨架曲线对比

2.3 承载力与变形

表3为各试件荷载、位移特征值。《钢管混凝土结构技术规范》(GB 50936—2014)[15]规定：钢管混凝土框架-剪力墙结构弹塑性层间位移角限值为1/100，为分析本文提出的装配式轻钢框架-XPS夹心保温复合墙结构承载力及延性，在表3中取各试件位移角为1%时荷载值作为对比，相应位移Δ0.01为27.83mm。

各试件荷载、位移特征值表3

比较表3中各特征值可知：

(1)试件FW-60的开裂位移值比试件FW-150开裂位移值减小了23.6%，相应开裂荷载也减小了10.3%。试件FW-60外页钢筋混凝土层中心距离框架边缘悬挑110mm，而试件FW-150外页钢筋混凝土层中心悬挑距离为20mm，因此试件FW-60外页钢筋混凝土层对复合墙节点区弯矩作用大于试件FW-150，使试件FW-150节点区混凝土在应力作用下受拉较早开裂。

(2)试件FW-150，FW-60，BF的峰值荷载比为7.06∶4.50∶1，试件FW-150，FW-60的峰值荷载明显大于试件BF的峰值荷载，说明XPS夹心保温复合墙的嵌入显著提高了装配式轻钢框架的承载能力，且复合墙嵌入深度越大，对承载力的提高越显著。

(3)相比于试件FW-60，试件FW-150峰值荷载增大了0.57倍，峰值位移增大了0.91倍，因为试件FW-60仅60mm厚内页钢筋混凝土层嵌入轻钢框架一侧，其复合墙在节点区混凝土损伤后，内页钢筋混凝土层对框架的支撑作用达到最大值，试件承载力达到最大值；而试件FW-150复合墙在节点区混凝土损伤后，随着加载位移的增大，复合墙内页及部分外页钢筋混凝土层在框架内，与框架相互挤压，仍能够继续承担水平荷载，为框架提供较大的支撑作用，因此试件FW-150峰值位移、峰值荷载相对试件FW-60均显著增大。

(4)试件FW-150，FW-60，BF的峰值位移比为1.16∶0.59∶1，说明XPS夹心保温复合墙在轻钢框架内嵌入深度的不同，对装配式轻钢框架-XPS夹心保温复合墙结构的延性具有显著影响。

(5)试件FW-150，FW-60的有效破坏位移均大于位移角为1%对应的位移，说明试件FW-150，FW-60的变形满足实际工程抗震设计的弹塑性位移角要求。

2.4 承载力退化

图8为各试件承载力退化曲线，图8中承载力降低系数η=F1/F2，F1，F2分别为同一位移幅值下第一、二次循环的峰值点荷载值。

由图8可知：在加载位移角θ到达1%之前，试件FW-150及试件FW-60的承载力降低系数均大于0.90，说明位移角为1%之前，装配式轻钢框架-XPS夹心保温复合墙结构承载力具有良好的稳定性。位移角为1%之后，试件FW-60的承载力降低系数明显小于试件FW-150，说明复合墙内嵌深度越大，结构的承载力稳定性越好。同时，两个试件在到达其峰值荷载之前，承载力退化系数均大于0.85，说明试件到达峰值荷载前，结构产生的位移变形损伤不会对承载力造成较大波动。

图8 承载力退化曲线

2.5 刚度退化

图9为各试件刚度退化曲线，图中Ki为第i级循环对应的割线刚度，计算公式为：

式中：i为循环级数；Fi为第i级循环对应的峰值荷载，+，-分别表示正向及负向水平力。

由图9可知：相同位移下，比较试件FW-150与试件FW-60刚度，位移角为0.4%之前，前者刚度明显大于后者；位移角为0.4%～1.2%内，两个试件刚度值接近；位移角大于1.2%后，试件FW-60 刚度退化开始大于试件FW-150。因为两个试件在轻钢框架内嵌入深度不同，位移角为0.4%之前，试件FW-150复合墙对框架支撑作用更大；位移角为0.4%～1.2%内，复合墙与框架之间通过节点构造传递荷载抵抗水平力作用，嵌入深度不影响节点区力的传递，因此刚度相差不大；位移角大于1.2%后，试件节点区开始明显损伤，复合墙与框架直接接触传递荷载，复合墙嵌入深度越小，对刚度贡献越小，刚度下降越大。因此，复合墙在轻钢框架内嵌入深度不同，对试件在不同位移下刚度的影响不同。另外，整个加载过程中，试件FW-150，FW-60刚度明显大于空框架试件BF的刚度，说明XPS夹心保温复合墙的嵌入显著提高了轻钢框架的刚度。

图9 刚度退化曲线

2.6 耗能能力

图10为各试件累积耗能曲线。由图10可知：1)相同位移下，试件FW-150的累积耗能曲线与试件FW-60累积耗能曲线相近，均明显大于试件BF的累积耗能。2)试件FW-150在整个加载过程中的累积总耗能为试件FW-60累积总耗能的2.4倍，因此试件FW-60节点构造损伤，失去连接作用后，试件破坏无法继续耗能，因此整体总耗能较小，但其累积总耗能值仍为空框架试件的1.6倍，复合墙的嵌入增大了轻钢框架的耗能能力。

图10 累计耗能曲线

2.7 应变分析

取各试件柱脚测点Z3、梁端测点L4，绘制的应变骨架曲线见图11。由图11可知，从竖向应变来看，各试件的柱脚均能在试件达到其峰值荷载之前屈服，说明各试件均能在轻钢框架柱脚位置形成塑性铰。另外，试件FW-150柱脚环向应变达到屈服应变，试件FW-60及试件BF的柱脚环向应变也可以达到较高的水平，说明钢管对混凝土提供了有效的约束作用。对于梁端应变，试件FW-150与试件BF梁端上下翼缘在其峰值荷载前屈服，因此梁端位置也形成了塑性铰，试件FW-60梁端上翼缘屈服，下翼缘达到较高应力水平，接近塑性铰状态。

图11 柱脚、梁端应变骨架曲线

取试件FW-150及试件FW-60连接角钢测点J4，J6，J11及J12，绘制的应变骨架曲线见图12。由图12可知：各试件应变骨架曲线趋势沿对称轴大体一致，连接角钢在加载过程中具有良好的滞回性能和协同工作性能。可以看出，水平荷载达到300kN左右时，试件FW-150与试件FW-60测点应变已达到屈服应变且部分达到较大应变，结合试验现象可知，装配式轻钢框架-XPS夹心保温复合墙连接角钢在结构承受水平荷载超过300kN后，连接角钢仅起到连接作用，对结构承载力不再有贡献。