弱框架-轻钢复合墙体装配式房屋结构体系

周天华，王继琴，邵英豪，管 宇，吴函恒

(长安大学 建筑工程学院，陕西 西安 710061)

0 引 言

轻钢结构源于传统木结构，20世纪在美国受到关注。近几十年来，因其独特的性能优势和良好的经济效益受到越来越多的青睐并得到广泛应用[1-5]，目前，已成为欧美、日本、澳大利亚等国家建筑领域广泛应用的结构形式。

国外轻钢结构的应用技术趋于成熟，已逐渐运用于多层建筑结构，并且构件制作方面也高度实现了产业化和预制装配化的目标。中国轻钢建筑结构的发展依然处于初级阶段，发展空间广阔但仍面临诸多问题：①与传统砖混及剪力墙结构相比，其结构构件截面尺寸小且存在墙体敲击空腔等问题，有悖于对建筑厚重感的要求，社会认可度不高；②墙体及楼面防火、防腐、隔热等性能差，居住舒适度不佳；③由于其自身的结构组成和传力机理，一般只适用于低层建筑；④结构中仅墙体作为唯一的抗侧力构件，传力路线单一，强震作用下结构可能发生严重破坏。目前，为弥补传统轻钢结构受力性能等方面的缺陷，各国学者的研究主要集中于以下几个方面：蒙皮支撑[6-9]、钢带支撑[10-12]、填充材料[13-17]、混合结构[18-20]。这些研究主要针对轻钢组合墙体的力学性能，且主要适用于低层建筑，而对适用于多高层建筑的装配式轻钢复合结构的研究甚少。

为此，结合轻钢复合墙体结构现有研究成果及其发展趋势，笔者提出一种新型建筑结构体系：弱框架-轻钢复合墙体装配式结构体系。该结构体系在轻钢结构的基础上引入钢框架，两者共同形成复合结构体系。本文拟对这种新型结构体系的基本组成、特点及存在的问题做全面介绍，以期将该新型结构体系推广到多层建筑领域并促进装配式轻钢房屋结构体系的发展和应用。

1 结构体系简介

1.1 基本组成

弱框架-轻钢复合墙体装配式房屋结构体系主要由弱框架、轻钢复合墙体[21]以及组合楼盖[22]3个部分组成(图1)。弱框架借用传统砌体结构中“圈梁-构造柱”的概念，以热轧型钢或焊接组合型钢代替传统砌体结构中的圈梁和构造柱，以内填轻质混凝土的冷弯薄壁型钢复合墙体代替传统砖墙，形成新的“圈梁-构造柱”受力体系。为便于现场施工并满足安装精度的要求，构造柱根据位置不同可采用十字形、T形、L形等异形截面柱(见图2)，圈梁可选用H型钢。

图1 结构体系组成Fig.1 Composite of Structure System

图2 构造柱截面形式Fig.2 Section Forms of Constructional Column

轻钢复合墙体作为结构中重要的受力构件，主要包括轻钢骨架、墙面板以及轻质填充材料。轻钢骨架由龙骨立柱、导轨及钢带拼装而成，并通过自攻螺钉与墙面板连接固定，墙体填充材料浇筑于轻钢骨架中。施工时采用合理的连接构造措施实现组合墙体与弱框架的同步安装。

轻钢组合楼盖作为结构中的水平传力单元以及连接各竖向承重构件的媒介，主要由楼盖梁、压型钢板以及轻质混凝土组成。楼盖梁是由若干大截面C型钢按一定的间距(同立柱)铺设而成，并与覆盖于其上翼缘的压型钢板通过自攻螺钉连接，最后在压型钢板上浇筑轻质混凝土面层。该组合楼盖装配化程度高，满足保温、隔声、防水等功能要求，符合建筑工业化的发展要求。此外，若开间较大，也可采用轻型空腹钢桁架梁。

1.2 连接构造

对于整个结构体系而言，合理的连接构造措施和节点性能对整体结构的受力性能具有至关重要的控制作用，因此，结构体系中各部分之间合理可靠的连接方式是新型装配式房屋结构体系的关键以及核心。

1.2.1 弱框架梁柱节点连接

根据中国《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)[23]的构造要求进行节点设计，保证节点具有一定的强度，不先于构件发生破坏。为了便于实现墙体(楼盖)之间的装配化施工，梁柱节点可采用平齐端板式螺栓连接，具体方式为：试件加工制作时，梁端焊接端板(高度同梁高)并在端板一定位置开设螺栓孔，为便于调整安装误差，节点区柱翼缘对应位置可开设长圆孔，采用高强螺栓实现梁柱节点的连接。梁柱节点构造见图3。

图3 梁柱节点连接Fig.3 Connection of Beam-column Joint

1.2.2 复合墙体与弱框架连接

为便于现场施工及调节安装误差，复合墙体与弱框架可采用角钢连接件进行连接，见图4。试件加工制作时，预先在连接件单边及梁柱翼缘一定位置设置大小相同的螺栓孔。现场安装时，梁柱翼缘与角钢连接件在对应的螺栓孔位置处通过高强螺栓进行连接，从而实现框架与横、纵向及左、右侧复合墙体的紧密结合，以满足轻钢复合建筑结构的装配化施工，同时角钢连接件也为墙体提供了一定的侧向支撑。

图4 复合墙体与弱框架连接Fig.4 Connection of Composite Wall and Weak Frame

1.2.3 组合楼盖与弱框架连接

在H型圈梁腹板两侧设置加劲肋，其间距同楼盖梁，并与圈梁同时加工。采用标准化定制的节点板实现楼盖梁与圈梁的连接，该节点板分别与圈梁腹板加劲肋及楼盖梁通过高强螺栓和自攻螺钉连接，节点板可以调节安装误差，有利于高效率装配化施工，圈梁与上、下层墙体的连接同柱与墙体的连接，如图5所示。

图5 组合楼盖与弱框架连接Fig.5 Connection of Composite Floor and Weak Frame

2 结构体系的特点

本文提出的新型装配式房屋结构体系由外部弱钢框架和轻钢骨架组装成整体，并采用轻质混凝土材料填充墙体和楼盖，通过合理的构造措施实现整个结构的装配化施工及协同受力的设计理念，可以认为是传统砌体结构圈梁构造柱房屋结构体系的升级。

2.1 全装配化施工

弱钢框架梁柱节点、轻钢复合墙体、组合楼盖与圈梁-构造柱之间均通过高强螺栓连接，各构件均可实现工厂化生产与加工、现场安装，施工高效快捷，可有效减少现场工作量和湿工作，实现了绿色轻钢复合建筑的全装配化施工，对促进建筑行业科技进步，推动装配式房屋住宅结构工业化和产业化进程具有积极作用。

2.2 结构安全裕度大

新型结构体系充分结合了弱框架与轻钢复合墙体各自的性能优势，共同抵抗外力作用。轻钢复合墙体对外部弱框架形成支撑作用，地震作用下，可有效避免框架发生过大变形而导致损坏，同时，外部弱框架对轻钢复合墙体提供一定的约束作用，防止墙体产生大面积倒塌，两者相互影响，在一定程度上极大增强了结构的安全裕度。

2.3 抗侧刚度和承载力高，居住舒适度高

相比传统轻钢结构，采用轻质混凝土填充组合墙体并浇筑组合楼盖，不但提高了组合墙体和组合楼盖的承载能力和刚度，也可实现组合墙体和组合楼盖自保温的性能要求和舒适度要求，符合对建筑厚实感的追求，社会认可度高，是良好的居住选择。

2.4 可持续且经济效益好

轻质混凝土是一种节能、低廉、保温隔热性能良好且具有不燃性的新型建筑材料，将其应用于新型结构体系中，符合中国可持续发展战略及建设节约型社会的目标。将该新型结构体系广泛应用于多高层轻钢房屋结构及工业化绿色钢结构建筑体系中，对提高和发展中国经济与科技水平具有重要的推动作用。

3 结构体系设计方法

3.1 设计理念

本文提到的新型结构体系是由2种刚度不同的子结构组合而成，两者形成协同受力体系，共同抵抗水平和竖向荷载。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[24]，为确保结构满足承载力和变形要求，应对结构在多遇地震作用下进行弹性设计；为了更好发挥结构的抗震性能，在罕遇地震作用下应控制轻钢复合墙体的破坏先于弱框架,一方面可充分耗散地震能量,另一方面则保证了弱框架的约束作用,从而有效避免结构发生整体倒塌。

3.2 设计步骤

结构设计时，应保证体系中的外部弱框架、轻钢复合墙体以及内填轻质混凝土材料有较好的强度匹配,从而使得荷载作用下结构具有合理的破坏机制。

(1)初步设计时，借用传统砌体结构中“圈梁-构造柱”受力的概念，考虑弱钢框架与复合墙体协同受力，同时兼顾强度、刚度、稳定性、构造要求以及结构高宽比等综合因素，根据经验初选弱框架梁柱及轻钢复合墙体截面尺寸。

(2)对步骤(1)所确定的弱框架与轻钢复合墙体进行整体结构建模分析，并参考规范[24]判断层间位移角以及相关设计指标是否满足要求。

(3)依据相关规范对步骤(2)中的计算结果进行判断，调整步骤(1)中所确定的构件截面尺寸，并进行迭代、优化分析，直到计算结果满足各项要求。

(4)根据整体结构优化计算结果，对结构细部进行优化设计，以满足结构体系的各项设计要求。

4 结构体系的试设计

4.1 工程背景

以某6层宿舍楼为背景，结构平面布置及梁、柱布置如图6所示。结构长21.6 m,宽12.9 m，层高3 m。结构抗震设防烈度为8度，建筑场地为Ⅱ类场地，设计地震分组为第二组。梁采用H形截面，拟定尺寸为HN250×125×6×9，柱采用H形与T形组合截面，组合柱截面尺寸为200×200×8×12，立柱截面选用C140×60×20×1.5，导轨规格为U144×50×1.5，楼盖梁规格为C200×40×14×2，楼盖恒载取1.42 kPa，活载为2.0 kPa。钢材均采用Q235钢，填充材料选用强度等级为LC15的轻质陶粒混凝土[25]。

图6 结构平面布置(单位:mm)Fig.6 Plane Layout of Structure (Unit:mm)

4.2 有限元模型的建立

采用有限元分析软件SAP2000建立6层三维整体结构模型。模型中的梁、柱以及龙骨等构件选用框架单元进行模拟，墙板和楼板采用壳单元来模拟，建模时忽略墙板、楼板与梁、柱以及龙骨之间的滑移。

此外，为保证地震作用下侧向力的有效传递，多层新型房屋结构体系与基础的连接必须可靠。有限元建模时，弱框架柱与基础设为刚接，梁柱节点设为铰接，墙体与基础以及立柱与导轨的连接为铰接。多层结构体系有限元模型如图7所示。

图7 结构体系有限元模型Fig.7 Finite Element Model of Structural System

4.3 结构的自振周期

在有限元模型建立的基础上，对整体结构进行模态分析。结构前3阶振型见图8，变形形式分别为X方向整体平动、Y方向整体平动以及结构整体扭转变形，可见结构表现出良好的整体性，对应的自振周期分别为0.766、0.653、0.346 s。模型在X方向与Y方向的质量参与系数之和分别为0.939 9和0.947 2，均大于规范规定值0.9，满足要求。

4.4 反应谱分析

对6层结构模型进行弹性地震反应谱分析，模型在X、Y方向的分析结果见表1。由表1可以看出，水平地震作用下，结构体系各项指标均满足《建筑抗震设计规范》[24]的相关要求。

4.5 弹塑性时程分析

选取El Centro波、Taft波和天津人工波3种地震波对结构体系进行8度抗震设防区罕遇地震下的弹塑性时程分析，结构弹塑性层间位移角如图9所示，可以看出3种地震波作用下结构最大层间位移角均在第2层出现，对应的最大弹塑性层间位移角分别为1/111、1/200、1/128，均小于规范[24]中层间位移角限值的要求。

图9 结构弹塑性层间位移角Fig.9 Elastic-plastic Inter-story Drift Angles of Structure

5 结构体系存在的问题及对策

5.1 连接构造的可靠性

结构各部分之间的连接方式是保证结构整体性和抗震能力的关键。弱框架与轻钢复合墙体相互影响，形成协同受力体系，在水平荷载作用下，应保证结构具有合理的破坏顺序，各部分之间的连接应满足可靠性要求。因此，对于第1.2节提出的各部分之间的连接方式，应进行相关试验研究，对其连接的可靠性进行验证，并结合试验结果提出合理的改进措施。

5.2 结构承载力及刚度计算方法

弱框架-轻钢复合墙体结构体系的受力特点不同于传统轻钢墙体和混凝土剪力墙，为了分析结构内力并进行构件设计，应对复合墙体承载力以及刚度的计算方法开展研究。轻钢复合墙体同弱框架相互作用协同受力，应进行相关研究并根据两者的变形特点建立两者相互作用下的刚度及内力计算公式。同时明确结构具有合理的破坏机制，揭示不同因素(墙体高宽比、混凝土强度、立柱间距)影响下复合墙体的受剪破坏机理，从而建立弱框架与复合墙体的承载力分析模型，进一步提出承载力计算理论。

5.3 弱框架与轻钢复合墙体的刚度匹配

弱框架和轻钢复合墙体共同形成一种复合结构体系，荷载作用下两者各自承担的荷载水平取决于两者之间的刚度比。若两者在水平荷载作用下承载力和刚度不相匹配，不但会降低整体结构的刚度(墙体的刚度较弱)，而且还可能造成弱框架提前破坏(墙体刚度较大)。因此，亟需探究满足结构合理破坏机制的适宜刚度，同时通过改变相关参数来调整墙体承载力和刚度对结构体系安全储备的影响，这将是后续研究的重要内容。

5.4 复合结构体系的变形能力

新型装配式房屋结构体系是一种复合结构体系，为使整个结构在外荷载作用下具有良好的变形能力及各部的刚度相互匹配，可以采取以下措施：①选用合理的连接构造措施；②选择合理的高宽比；③选择合理的构件截面；④选择合适的材料强度等级。

5.5 结构弹(塑)性层间位移角限值

抗震设计时，应对结构在多遇及罕遇地震作用下的变形进行分析,中国抗震规范[24]以弹性和弹塑性层间位移角作为控制参数。后续应参考已有研究和经验，并根据该结构体系本身的特点进行相关试验研究，同时考虑建筑的功能要求、经济性等其他综合因素，给出结构层间位移角的合理取值。

6 结 语

本文提出了一种新型“装配式弱框架-轻钢复合墙体结构体系”，介绍了结构体系的基本组成、连接方式、体系特点等内容；通过对6层房屋结构的试设计，展示了大致的设计流程，讨论了尚须解决的问题及对策。该新型房屋结构体系是一种装配化程度高、施工快捷、综合性能良好的结构体系，适用于多层房屋建筑，符合新时代中国装配式结构体系的发展及建筑结构工业化、产业化的需求，具有广阔的应用前景，该体系的应用可促进中国新型装配式建筑结构体系的推广进程。

对于该新型结构体系的抗震性能、连接构造、破坏模式以及关键参数等，后续将开展系列试验研究及理论分析，并结合中国相关规范的规定，提出切实可行的设计和计算建议。