冷弯薄壁型钢-稻草板组合墙体抗剪性能研究*

申 奥 张秀华 杨景程 袁 爽 张璐倩

（东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

目前国家大力推广城镇绿色建筑，绿色建筑材料因此备受关注。建筑用纸面稻草板（以下简称稻草板）是一种以天然稻草为原料，表面粘贴护面纸的新型环保建筑板材。其具有较高强度、抗冲击与耐火性能，保温及隔音效果好，能够满足结构对建筑材料的主要性能要求[1-3]，同时符合国家大力发展装配式建筑和新农村改造政策的思想和战略要求。

典型的轻钢住宅组合墙体由冷弯薄壁型钢骨架与石膏板、定向刨花板（OSB）等轻质建筑板材通过自攻螺钉连接而成[4-7]。承重组合墙体作为轻钢住宅体系的主要承重构件，具有自重轻、延性好等特点，能较好地抵抗地震作用与风荷载，目前已成为轻钢住宅结构体系研究中的热点问题。国内外学者针对轻钢组合墙体抗剪性能进行了大量的试验和理论研究，取得了阶段性的研究成果[8-18]。但墙面板主要集中在纸面石膏板、OSB板、夹心板、喷涂砂浆等材料，针对稻草板作为墙面板材料的研究较少。在JGJ 227—2011《低层冷弯薄壁型钢房屋技术规程》[19]中也仅给出了波纹钢板、纸面石膏板和OSB板等作为墙面板组合墙体的抗剪强度设计值。

为丰富轻钢住宅组合墙体的类型，提高乡村住宅水平，结合稻草板在建筑工程的应用和发展，提出一种由冷弯薄壁型钢骨架和稻草板为材料组合而成的新型组合墙体。张秀华[20]等对稻草板单侧覆面冷弯薄壁型钢组合墙体进行抗震试验研究，结果表明：稻草板可作为冷弯薄壁型钢组合墙体的墙面板，带交叉扁钢拉条支撑的稻草板单侧覆面组合墙体有较高抗剪承载力和抗侧刚度。

为进一步研究冷弯薄壁型钢-稻草板组合墙体的抗剪力学性能，对4 面稻草板双侧覆面冷弯薄壁型钢组合墙体试件进行单调水平抗剪性能试验，分析各试件抗剪承载力、破坏过程与破坏模式，计算其延性系数、抗侧移刚度，并分析其破坏机理。将试验结果进行对比分析，研究组合墙体上部竖向荷载、龙骨斜撑形式等对其抗剪承载力的影响规律，为其工程中的应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试件设计

试验设计4 面宽度为1.2 m、高度为2.4 m的组合墙体试件。组合墙体由镀锌冷弯薄壁型钢骨架与双面稻草板通过自攻螺钉连接而成。稻草板由哈尔滨天成顺杰实业有限公司生产，钢骨架采用鞍钢生产的镀锌钢板加工而成。型钢之间由自攻螺钉连接形成骨架。其中中立柱和斜撑为单根C型钢，两侧边立柱采用2 根背靠背C型钢在腹板上用单排间距为300 mm自攻螺钉连接成工字形组合截面，立柱与斜撑均采用截面尺寸为C90 mm×40 mm×15 mm×1.0 mm 的C型钢；上下导轨和横撑均采用截面尺寸为U93 mm×45 mm×1.5 mm U型钢。稻草板尺寸均为2 400 mm（长）×1 200 mm（宽）×58 mm（厚）。采用长度为75 mm的ST4.8 级自攻螺钉与钢骨架相连。稻草板与边立柱及上下导轨螺钉间距为150 mm，稻草板与中立柱及横撑螺钉间距为300 mm。各组合墙体设计参数见表1，构造及截面形式见图1。

表1 组合墙体试件设计参数Tab.1 Design Parameters of composite wall specimens

图1 组合墙体构造及截面形式Fig.1 Construction and cross section of composite walls

1.2 材料属性

试件型钢骨架的钢材选用Q235B镀锌钢板，钢板厚度为1.0、1.5 mm，按照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验第1 部分：室温试验方法》[21]相关规定进行材性试验，结果见表2。

表2 钢材的材料性能Tab.2 Material properties of steel

稻草板内部秸秆排列方式决定其为各项异性材料，根据GB/T 31264—2014《结构用人造板力学性能试验方法》[22]，对试验所需方向材料的抗弯强度和弹性模量进行测试，其抗弯强度为1.87 MPa，弹性模量为400.6 MPa。

1.3 试验装置及加载制度

试验在东北林业大学土木工程学院结构馆进行，采用MTS系统公司生产的电液伺服程控结构试验机加载，作动器量程为-250 ～ +250 mm，可施加最大水平荷载250 kN。试验装置见图2。

图2 试验装置Fig.2 Test setup

试验前设计了与组合墙体相固定的基础梁，以及用于和组合墙体上导轨、MTS作动器相连接的加载梁。MTS作动器与加载梁通过4 个8.8 级M30 高强螺栓连接，加载梁与组合墙体的上导轨采用3 个10.9 级M16高强螺栓相连。基础梁置于两侧支墩下，支墩通过4个地锚螺栓与地槽相连。因组合墙体上的竖向力主要由钢立柱承担，在每根钢立柱对应的上下导轨处设置抗拔连接件，每个抗拔连接件通过1 个10.9 级M16 高强螺栓和10 个M6 的普通螺栓将组合墙体和基础梁连接在一起。在墙体两侧安装侧向滚动支撑，以确保墙体在加载过程中不发生平面外失稳。

本试验采用MTS作动器施加单调水平荷载，采用螺旋千斤顶施加竖向荷载，竖向千斤顶与反力架之间设置水平滑动导轨。为模拟墙体上的竖向荷载，按表1 在试件上施加竖向荷载，试验时竖向荷载保持恒定。根据JGJ 101—2015《建筑抗震试验规程》[23]，采用力-位移联合控制施加单调水平荷载：先按荷载控制加载，每级荷载2 kN，持续时间2 min，当试件荷载-位移曲线斜率发生明显变化时，改为位移控制加载。直至试件破坏不适宜继续加载或荷载下降至荷载-位移曲线峰值85%时停止加载。

1.4 测点布置

钢骨架上的应变通过JM3813 静态电阻应变仪测得，在钢立柱下部、横撑及斜撑腹板上布置应变片，见图3，图中1～11 为应变测点编号。

墙体试件上水平荷载和位移通过MTS试验测试系统测试，竖向荷载通过东华DH3818 传感器测试。为得到组合墙体顶部净水平位移值，除记录MTS作动器自身位移计的位移值外，还需设置5 个位移计，编号为D1～D5：位移计D1 用于测量墙体顶部的水平位移，D2用于测量墙体底部的水平位移，D1 和D2 的差值即为墙体顶部的实际水平位移， D3 用于测量墙体受压侧底部相对地面的竖向位移， D4 用于测量墙体受拉侧底部相对地面的竖向位移， D5 用于监控墙体面外的侧移值。测点布置见图3。

图3 测点布置Fig. 3 Arrangement of settlement monitoring points

2 结果与分析

2.1 试验现象

试验中，4 面墙体试件情况基本相同，只是产生不同现象时的荷载与位移值不同。限于篇幅，仅以试件WDAS3 为例进行分析。

当加载至8.0 kN时，稻草板轻微作响。加载至10.0 kN时，稻草板受压区表面出现斜向褶皱。当加载至12.0 kN时，稻草板受压区表面斜向褶皱增多，部分纸面褶皱转化为纸面开裂，稻草板发出声响增大。当加载至14.0 kN时，荷载-位移曲线斜率明显变化，对应位移为51.3 mm，观察到受压区边立柱底部型钢有轻微变形，此时由荷载控制加载改为位移控制加载。当位移加至63.3 mm时，稻草板受压侧自攻螺钉尖端上翘、受拉侧自攻螺钉尖端下翘，并且稻草板发出的声响持续。当位移加至77.0 mm，达到荷载峰值时，对应荷载为16.6 kN，受压区边立柱底部型钢产生明显的局部受压屈曲，墙体表面自攻螺钉多处凹陷，部分稻草板在自攻螺钉孔处被撕裂，型钢骨架与稻草板出现黏结滑移。当位移加至91.8 mm时，抗拔连接件处螺钉松动，边柱与下导轨分离。当位移加至105.1 mm时，荷载下降至峰值荷载的85%，试验结束。卸载后，拆除稻草板，除受压区边立柱底部局部屈曲外，型钢骨架其余部分基本完好。试件的破坏形态见图4。

图4 组合墙体试件破坏形态Fig.4 Failure modes of composite wall specimens

4 面组合墙体试件各自的破坏形态及其对应的荷载(P)、水平位移(Δ)值见表3。

表3 试件的主要破坏形态Tab.3 Failure modes of wall specimens

2.2 荷载-水平位移曲线

墙体试件荷载-水平位移曲线中水平位移为墙体顶部的净水平侧移Δ（剪切变形），即试验过程中墙体试件顶部实测水平侧移Δ0与由作动器拉伸引起墙体试件转动的试件顶部水平侧移Δ1和试件与底梁相对水平位移Δ2之差[24]，如图5 所示。

图5 试件的实际剪切变形Fig.5 The actual shear deformation of specimens

式中：Δ0按位移计D1 计算，即Δ0=Hδ1/(H-E)，其中H为试件高度，E为试件顶部至位移计D1 的距离，δ1为位移计D1 实测结果；Δ2为试件相对底梁水平位移，即Δ2为位移计D2 实测结果；Δ1为试件转动引起顶部侧移，按图6 计算得：Δ1=HΔα/(L-H1-H2)，其中Δα=δ4-δ3，δ3和δ4为位移计D3 和D4 实测结果，L为试件宽度，H1和H2分别为位移计D3 和D4 距试件底部距离。单位：mm。

图6 试件的转动变形Fig.6 Rotating deformation of specimens

4 面组合墙体荷载-位移关系曲线如图7 所示。

图7 试件荷载-位移曲线Fig.7 Load-displacement curves of specimens

由图7 可见，4 面组合墙体荷载-位移曲线变化趋势基本相同。在加载初期，组合墙体整体刚度较大，水平位移变化较小，因此曲线基本呈线性关系，且斜率较大，处于单调加载的第一阶段（弹性阶段），这一阶段型钢与稻草板协同受力。随着荷载继续增加，组合墙体受力情况由型钢与稻草板协同受力转变为型钢主要受力，两侧稻草板起约束效应，限制组合墙体的整体失稳破坏，曲线也进入到了第二阶段（弹塑性阶段），第二阶段斜率明显变小。当加至极限荷载时，组合墙体受压区型钢立柱底部出现局部压屈变形、型钢龙骨与稻草板出现黏结滑移、抗拔连接件处螺栓松动等主要破坏现象，此时处于极限状态，组合墙体表面虽有开裂但整体性良好。继续加载，荷载-位移曲线出现明显下降，即进入第三阶段（破坏阶段），型钢骨架无法承担更大的荷载，此时变形增大但受力明显下降。当荷载下降至荷载-位移曲线峰值85%时停止加载，以保证试验人员及试验设备的安全性。

由图7 可以看出，增加组合墙体上部竖向荷载，荷载-位移曲线在第一和第二阶段斜率也随之增大，说明增加组合墙体上竖向荷载能够增强型钢龙骨与两侧稻草板之间的相互作用，从而可以提高墙体的整体稳定性，但由于同时也增加了立柱轴力，致使组合墙体抗剪承载力有所降低；试件WDBS1 与试件WDAS3相比，极限承载力提高了30%，同时减小了水平位移，即带有斜撑的组合墙体能够显著提高其抗剪承载力。

2.3 荷载-应变曲线

组合墙体试件荷载-应变曲线如图8～11 所示。从图8～11 中可以看出：因钢骨架连接较弱，在受水平荷载过程中，钢骨架主要通过边立柱轴向压力产生的倾覆力矩抵抗试件的部分水平荷载。试件WDAS1～WDBS1 的受压区边柱压应变较大，中柱、受拉区边柱与横撑在试件达到峰值荷载时应变仍然较小，处于弹性工作阶段。试件WDBS1 受压区的上下两斜撑应变变化明显，起到了约束作用，明显提高了组合墙体承载力并减小了水平位移；而受拉区上下（测点9 和测点11）两斜撑应变变化较小，一直处于弹性工作阶段，对提高组合墙体承载力作用较小，但可以限制组合墙体的水平位移。

图8 试件WDAS1 荷载-应变曲线Fig.8 Load-strain curves of specimen WDAS1

图9 试件WDAS2 荷载-应变曲线Fig.9 Load-strain curves of specimen WDAS2

图10 试件WDAS3 荷载-应变曲线Fig.10 Load-strain curves of specimen WDAS3

图11 试件WDBS1 荷载-应变曲线Fig.11 Load-strain curves of specimen WDBS1

2.4 延性系数与抗侧移刚度

采用能量等效面积法确定各试件的屈服承载力Py和屈服位移Δy，其中最大荷载Pmax及其对应位移Δmax取荷载位移曲线中的峰值点，极限荷载Pu取最大荷载的85%及其位移Δu，如图12所示。

图12 弹塑性能量等效模型Fig.12 Equivalent energy elastic-plastic model

根据JGJ 101—2015《建筑抗震试验规程》[23]，延性系数μ按下式计算：

式中：μ为延性系数；Δu为极限点位移，mm；Δy为屈服点位移，mm。

根据美国规范ASTM E2126—07《建筑墙体循环荷载作用下抗剪性能试验标准》[25]，抗侧刚度K取荷载-位移曲线上原点与40%峰值荷载两点间割线斜率，即按下式计算：

式中：K为弹性抗侧刚度，kN/mm；0.4Pmax为40%极限荷载值，kN；Δ0.4Pmax为40%极限荷载值的对应变形，mm。

组合墙体抗剪性能相关参数如表4所示。由表4可知，各组合墙体的延性系数在1.45～2.1之间，表明冷弯薄壁型钢-稻草板组合墙体有一定的塑形变形能力，通过合理的设计可以满足构件对延性的需求；组合墙体具有一定的抗侧移刚度，抵抗侧向变形能力较好。

表4 组合墙体试件试验结果Tab.4 Test results of composite wall specimens

3 结论

1）冷弯薄壁型钢-纸面稻草板组合墙体的破坏过程经历弹性、弹塑性、破坏三个阶段。弹性阶段型钢与稻草板协同工作性能较好；弹塑性阶段受力情况由型钢与稻草板协同受力转变为型钢主要受力，两侧稻草板起约束效应，限制组合墙体的整体失稳破坏；破坏阶段，典型的破坏现象为边立柱底部局部屈曲，墙体表面自攻螺钉多处凹陷，部分稻草板在螺钉孔处被撕裂，型钢龙骨与稻草板出现黏结滑移。

2）冷弯薄壁型钢-纸面稻草板组合墙体具有较大的抗剪承载力，当组合墙体试件达到屈服荷载时，稻草板表面出现斜向裂缝，钢骨架大部分还处于弹性阶段，组合墙体在单调受力时表现为良好的延性破坏。

3）增大组合墙体上部竖向荷载，能够提高墙体整体稳定性，但同时增加了边立柱的轴力，致使组合墙体抗剪承载力有所降低；带有斜撑的组合墙体能够显著提高其抗剪承载力，提高组合墙体整体刚度和抗侧移能力。

4）冷弯薄壁型钢-稻草板组合墙体的延性系数和抗侧移刚度等指标表现良好，组合墙体有一定的塑形变形能力，整体刚度较大。