轻钢龙骨墙板力学性能研究综述

钱元弟，董阿雷，金仁才，方圆，于峰，陈隆

（1.安徽工业大学 建筑工程学院，安徽 马鞍山 243002；2.中国十七冶集团有限公司，安徽 马鞍山 243000）

0 引言

传统现浇混凝土结构一直是建筑市场发展的主流，但随着我国经济建设的不断推进，建筑发展趋势逐渐向“轻型化”、“装配化”转变。传统现浇混凝土墙板因其自重大、施工复杂等缺点，逐渐被更加轻质、高强的新型结构形式所取代。

混凝土夹芯墙板是在传统建筑隔墙基础上发展起来的一种新型墙板，主要作为多高层建筑的承重构件。该新型墙板具有施工方便、抗震性能好等优点，但因其自重较大，保温性能不稳定等问题，限制了其在实际工程中的广泛应用[1-2]。近年来，随着具有轻质高强、节能环保、施工周期短、抗震性能好的轻钢结构快速发展，轻钢龙骨组合板材已逐渐取代了传统混凝土板材成为装配式墙板的主要构件[3-6]。

轻钢龙骨墙板以轻钢龙骨作为主要受力组件，在轻钢龙骨两侧安装墙面板，选择性地在墙体内部空腔充填芯材。国内外学者对轻钢龙骨墙板的力学性能开展了相关研究，结果表明：相较于混凝土空心板及夹芯板，轻钢龙骨墙板具有绿色环保、加工简便、安装快捷、轻质高强、耗能能力强、废弃材料回收利用率高等优点[7-11]。与热轧型钢不同，作为组成轻钢龙骨的冷弯薄壁型钢[12]，在相同的截面尺寸下具有更大的截面回转半径、惯性矩和抵抗矩，提高了材料的利用率[13-14]。然而，轻钢龙骨的工作性能却容易受到温度变化和环境侵蚀的影响，造成墙板的保温性能不足[15-16]，难以满足工程耐久性的实际需求。

综上，本文从轻钢龙骨墙板的抗弯性能、抗剪性能、抗压性能以及抗震性能等方面，对轻钢龙骨墙板力学性能的研究现状和当前研究面临的主要问题进行研究分析。

1 轻钢龙骨墙板静力性能研究

1.1 抗弯性能研究

为研究轻钢龙骨墙板的抗弯性能，国内外学者对轻钢龙骨墙板的截面不同卷边形式、钢混组合板和组合楼盖承载力等方面开展了大量的试验研究和理论分析。

张耀春和王海明[14]发现C型截面的冷弯薄壁型钢短直卷边试件的受弯承载力高于短斜卷边试件，不同屈曲模式也会造成试件极限承载力不同。

在钢混组合板方面，由于轻钢结构墙板的跨厚比较大，需要额外的支撑结构去预防弯扭屈曲造成的失稳破坏。Selvaraj和Madhavan[17]就预制水泥墙面板对冷弯薄壁型钢龙骨的支撑效果开展了抗弯性能试验研究，结果表明，预制水泥墙面板可以对轻钢结构起到良好的支撑作用，增加水泥墙面板的支撑效果后试件的极限抗弯承载力提高了9%～55%。Qiao等[18]发现由冷弯薄壁型钢、钢筋、聚苯乙烯泡沫板和混凝土组合的钢混组合板，具有良好的承载力学性能，且随着板截面高度的增加，材料性能发挥程度增加。

此外，通过对设置抗剪连接键和加强节点连接的冷弯薄壁型钢桁架组合楼盖进行抗弯性能试验发现，试件的破坏形态主要表现为支座处楼面板与轻钢龙骨分离，从而造成板面发生断裂，连接处弦杆变形，自攻螺钉拔出，试件的极限承载力分别提高约10%和50%[19]。

在试验研究的基础上，国内外学者还通过有限元模拟的方法对冷弯薄壁型钢构件进行了抗弯性能研究。武胜和魏源[20]对腹板开洞后的冷弯薄壁型钢构件的抗弯性能开展有限元分析，发现腹板开洞对轻钢构件的初始刚度影响并不明显，但会对极限承载力造成10%以内的少量削弱，结构延性有一定的保留，腹板孔洞越长，构件的抗弯承载力越低，且屈服后结构延性较差。刘泰玉[21]利用ABAQUS软件对由水泥纤维板、轻钢龙骨和保温岩棉制备的复合墙板抗弯性能进行数值模拟研究，证实该复合墙板具有良好的力学性能和整体性，破坏形式表现为上部纤维板与轻钢龙骨接触位置出现贯通裂缝，下部纤维板与轻钢龙骨发生分离，轻钢龙骨整体受弯屈曲。结果表明，纤维水泥板可以有效限制试件的整体失稳现象，轻钢龙骨间距的加密和腹板高度的增加可以显著提高试件的抗弯承载力。

Zhou等[22]利用ANSYS软件建立了由冷弯薄壁型钢托梁和刨花板组成的轻质楼板有限元模型，发现楼板的模拟结果与试验结果吻合较好，同时进行了相应的参数分析，探讨了螺旋间距、托梁间距和盖板厚度等因素对楼板抗弯承载力的影响，提出了预测楼板抗弯承载力的简化计算方法。Kyvelou等[23]对一种由冷弯薄壁型钢和木质刨花板构成的新型轻钢楼板建立了预测精度较高的有限元模型。参数分析结果表明，减小连接紧固件的间距可以增强轻钢龙骨与刨花板间的连接性能，使楼板抗弯承载力提高140%，刚度提高40%。

1.2 抗剪性能研究

为进一步探究轻钢龙骨墙板的受力性能，推导其受剪承载力计算方法，部分学者对轻钢龙骨墙板的抗剪性能进行了研究分析。胡晓峰[24]采用整体分析法和剪力流简化分析法，推导了预测精度较高的冷弯薄壁型钢组合墙体抗剪承载力计算模型，确定了抗剪承载力设计值，并分析了抗侧移刚度计算及变形等问题。对于C型截面的冷弯薄壁型钢，研究发现，剪跨比对冷弯薄壁型钢C型梁的破坏模式影响较为明显，当λ=0.5～1.1时，试件发生剪切破坏；当λ=1.1～2.0时，试件发生弯剪破坏。且随着剪跨比的增大，试件越发趋向于弯曲破坏，试件受剪承载力和刚度随之减小。试件抗剪承载力随着高厚比和钢材强度的增大而增大[25]。许业玉和肖亚明[26]考虑了材料非线性和几何非线性，利用有限单元法对钢轻龙骨住宅组合墙体的受剪性能进行了分析。研究发现，组合墙体的墙面板材料特性对组合墙体的受剪承载力影响明显，随着墙架柱间距的缩小以及边缘自攻螺钉间距的加密，组合墙体的受剪承载力提高。

1.3 抗压性能研究

对轻钢龙骨墙板的抗压性能，学者们主要考虑了截面形式和墙面板对试件轴压性能的影响。通过对冷弯薄壁型钢立柱组合墙体开展轴压试验，确定了立柱为C形截面轻钢和Σ型截面轻钢试件的极限承载力较立柱为复杂截面轻钢的试件分别提高了30%和50%以上，且定向刨花板（OSB）对试件强度的提升幅度比石膏板更高[27]。边瑾靓等[28]对由轻钢龙骨和尾砂微晶发泡板组合而成的组合轻钢龙骨墙板进行了受压试验研究。结果表明，轻钢龙骨厚度对组合墙承载力影响较大，增加轻钢龙骨厚度可明显提高组合墙的稳定性。吕国玉等[29]对足尺的不带墙面板和带墙面板的轻钢龙骨复合墙板进行了受压试验研究。通过简化墙板对柱的约束作用，推导了轻钢龙骨复合墙板的受压承载力计算模型。

综上所述，轻钢龙骨墙板的抗弯、抗剪和抗压性能的相关理论与试验研究已经较为成熟。已有研究表明，轻钢龙骨组合墙板充分利用了材料的力学性能、发挥多材料组合优势，具有承载性能高、绿色环保、制作方便、安装快捷、轻质高强等优点，可较好地应用于实际工程中。

2 轻钢龙骨墙板抗震性能研究

对轻钢龙骨墙板的抗震性能，国内外学者从轻钢龙骨的组合墙板、组合剪力墙和墙体-楼板节点等方面开展了相关研究。

王宇航等[30]对4面轻钢组合墙体开展抗震性能试验，证实了斜撑可以有效增加轻钢结构的承载力、刚度和耗能能力，试件的薄弱位置主要集中在斜撑与整体结构连接节点处，限制其性能的发挥。鲁萌萌[31]研究了低周反复加载下钢框架填充轻钢龙骨注浆式复合墙板的破坏模式和受力机理。基于试验结果，采用等代拉杆法原理，推导了试件抗侧移刚度和抗剪承载力的计算模型。

在轻钢龙骨组合剪力墙方面，方钢管构成桁架支撑体系可以提高墙体的抗剪承载力和抗剪刚度，能作为中高层装配式建筑结构的抗侧力结构系统，具有较高的比强度，在墙体表面安装石膏板等饰面材料可有效提高墙体的强度和延性[32]。冷弯薄壁型钢边柱内置薄钢板剪力墙具有良好的抗震性能，主要破坏形式为薄钢板屈曲后产生拉力带后发生撕裂，同时轻钢边柱柱脚鼓曲撕裂，因此，通过提高边柱截面壁厚或采用帽形截面可进一步提高剪力墙承载力和耗能能力[33]。Feng等[10]设计制作了一种薄钢板石膏板复合面板冷弯薄壁型钢框架剪力墙，并对其进行了低周反复加载试验研究以及Open Sees结构分析，结果表明，试件的主要破坏模式为节点连接处螺钉屈曲和延性破坏，螺钉屈曲始于受压侧螺钉屈曲，随即发生墙体的整体失稳，延性破坏始于钢板发生剪切屈曲，石膏板开始出现脱落和破碎，连接螺钉发生剪切和拔出，最终墙体发生整体破坏。

通过对轻钢龙骨墙体进行有限元分析，叶继红等[34]发现冷弯薄壁型钢复合墙体Open Sees数值分析模型具有较高的预测精度，试件的滞回曲线表现出明显的捏缩滑移特征基于数值分析结果，得到试件的抗剪刚度，并对墙板螺钉力流模型进行简化，发现该模型能较为精确的对螺钉群进行受力分析。Kechidi和Bourahla[35]考虑了材料强度、刚度退化及滞回曲线捏缩效应对冷弯薄壁型钢剪力墙板滞回性能的影响，采取了2种分析方法对试件的侧向荷载位移进行分析，提出了基于EEEP模型的多线型滞回环包络曲线模型，通过Open Sees有限元分析程序计算发现，该模型对冷弯薄壁型钢剪力墙板滞回性能具有较高的预测精度。Guan等[36]在设防烈度为7度的条件下，对全尺寸装配式冷弯薄壁型钢结构房屋开展地震反应振动台试验和简化非线性有限元模型分析。研究表明，装配式冷弯薄壁型钢结构房屋具有优良的抗震性能，满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》规定的最大层间位移角要求，具有较高的地震作用安全储备。

此外，有学者发现冷弯薄壁型钢墙体-楼板节点在低周反复荷载作用下，节点承载力和耗能能力增大，但对于角钢加强型节点，覆板后节点的耗能能力反而下降。这是因为，覆板对于自攻螺钉的力学性能要求较高，当自攻螺钉失效后，试件将快速发生破坏[37]。

综上所述，轻钢龙骨组合剪力墙具有良好的抗震性能，斜撑可以有效提高轻钢结构的承载力、刚度和耗能能力。采用等代拉杆法原理，推导了试件抗侧移刚度和抗剪承载力的计算模型。

3 展望

目前轻钢龙骨墙板大多应于中低层民用住宅和轻型工业厂房的结构或围护构件中，是一种力学性能好、施工周期短、经济效益高且节能环保的新型钢结构体系。因此，在我国大力推行建筑产业化的背景下，轻钢龙骨墙板有着非常广阔的市场前景。但轻钢龙骨的工作性能易受到温度变化和环境侵蚀的影响，保温性能较差，易出现工程耐久性方面问题，因此选择合适的材料作为轻钢龙骨墙板的芯材将成为今后的研究重点。

与此同时，随着我国城市化进程加快，越来越多的人口向城市集中，造成了城市用地紧张。为满足住宅需求，城市高层或超高层建筑发展必然成为一种趋势，因此如何将轻钢龙骨墙板应用到高层建筑中，大力发展标准化和工业化生产，是未来较好的研究方向。

此外，在轻钢龙骨墙板的施工过程中，如何解决墙板缝的密封与防裂、爆板防控、空鼓外胀以及脱钉防控等重点技术问题，以及优化冷弯薄壁型钢组装结构形式、连接形式和面板材料，仍需进一步深入研究。

4 结论

（1）轻钢龙骨墙板材料利用率高，结构性能好，结构自重较传统的砖混结构和钢筋混凝土框架结构降低了50%以上。目前轻钢龙骨墙板及楼板应用范围广泛，是一种力学性能好、施工周期短、经济效益高且节能环保的新型钢结构体系。

（2）轻钢龙骨组合墙板具有良好的抗弯性能，冷弯薄壁型钢短直卷边试件的受弯承载力高于短斜卷边试件；通过设置抗剪连接键和加强节点连接，可使冷弯薄壁型钢桁架组合楼盖的抗弯极限承载力分别提高约10%和50%；在试验研究及有限元模拟分析的基础上，给出了其抗弯承载力的简化计算方法。

（3）立柱为C形截面轻钢和Σ型截面轻钢的极限承载力比立柱为复杂截面轻钢分别提高30%和50%以上；在试验研究的基础上，简化墙板对柱的约束作用，给出了轻钢龙骨复合墙板的受压承载力计算公式。

（4）轻钢龙骨墙板表现出了优良的抗震性能，有足够的耗能储备，可作为地震区建筑的竖向承重单元和围护构件。

（5）优选合适材料作为轻钢龙骨墙板的芯材，将轻钢龙骨墙板有效推广应用于高层建筑以及进一步加强板缝的密封与防裂、爆板防控、空鼓外胀以及脱钉防控等重点技术问题的研究，将成为今后的研究重点与方向。