冷弯薄壁型钢-钢混合结构双层墙体抗剪性能试验研究

周绪红,邹昱瑄,姚欣梅,石宇,管宇,张海宾

1.长安大学建筑工程学院, 陕西 西安 710061 2. 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学), 重庆 400045 3. 重庆大学土木工程学院, 重庆 400045 4. 山东高速莱钢绿建发展有限公司, 山东 青岛 266101

冷弯薄壁型钢结构体系(简称冷弯结构)作为一种绿色、快速装配、环保的新型结构体系,在我国被广泛应用。冷弯结构最初起源于欧美等国家，后被引入我国并在我国得到迅速发展。在我国，一、二层建筑空间通常用于商铺、餐饮、洗车行等,底层结构往往需要较大的跨度。为了解决这一问题,并推动冷弯结构在我国的发展,课题组提出了冷弯薄壁型钢-钢混合结构(简称冷弯-钢混合结构)。冷弯-钢混合结构下部由钢结构框架组成，上部为冷弯结构,下部结构具有大跨度的优点，可以满足各种使用需要。该结构将2种体系的优点结合起来,更加适应我国国情。

在冷弯-钢混合结构中,上部冷弯结构所受水平侧向力(如地震荷载及风荷载等)由冷弯组合墙体承担,并通过各楼层组合墙体依次传递至下部钢结构,冷弯组合墙体及下部钢结构共同形成了冷弯-钢混合结构的水平侧向力体系。冷弯组合墙体由墙架柱与墙面板通过自攻螺钉紧密相连而构成,墙架柱与墙面板共同发挥蒙皮作用。目前国内外学者已经对冷弯结构抗侧力体系进行了大量的研究,周绪红、石宇等[1-4]采用试验方法分析了组合墙体的滞回曲线、骨架曲线、承载能力、延性、刚度退化和耗能等抗震性能指标,并建立了考虑刚度退化和捏拢效应的退化四线型恢复力模型。研究结果表明，墙面板类型对组合墙体的抗剪性能影响较大；施加竖向荷载导致墙体的耗能能力降低；增大立柱尺寸及减少立柱间距,组合墙体的抗侧刚度和承载能力有所增加,但延性和耗能系数有所降低。2007～2010年,AL-KHARAT等[5]、MOGHIMI等[6]、VELCHEV等[7]分别对设置交叉钢带支撑的冷弯薄壁型钢骨架抗剪性能进行了试验研究,结果表明，增强交叉钢带与螺钉之间的连接可以提高墙体的抗剪性能；增大钢带截面可以提高结构的抗侧刚度,但对结构的承载能力无显著影响；由于钢带的宽厚比较大,仅承受拉力而不能承受压力,导致滞回曲线捏缩严重。郭鹏等[8,9]对550MPa高强冷弯型钢骨架墙体进行了抗剪试验研究,研究表明，双面覆板(带肋钢板+石膏板)墙体抗剪承载力等于单面覆板石膏板墙体抗剪承载力与0.8倍单面覆带肋钢板墙体抗剪承载力之和；刚性撑杆的设置有利于提高墙体的抗剪承载力；抗拔连接件的设置可以显著提高墙体抗剪承载力及抗侧刚度。李元齐等[10]对使用S350龙骨的组合墙体进行了试验研究,结果表明：试件的破坏主要为石膏板的破裂、带肋波纹钢板的剪切屈曲和墙体边立柱底部的屈曲；随着墙体开洞率的提高,冷弯薄壁型钢组合墙体的承载能力明显降低。PAN等[11]、LIN等[12]通过试验研究对比了覆硅酸钙板、OSB板和石膏板组合墙体的抗剪性能,结果表明,石膏板的脆性较强,抗剪强度较低,在水平荷载作用下螺钉连接破坏较为严重；硅酸钙板与石膏板相比,提高了材料的强度和韧性,连接硅酸钙板的自攻螺钉强度有所提高,改善了墙体的抗剪性能；覆OSB板的抗剪承载力和耗能能力最好,覆硅酸钙板墙体次之,覆石膏板墙体较差。XU等[13,14]提出新型冷弯型钢覆麦秸秆板内填高强轻质泡沫混凝土组合墙体,并对高强轻质泡沫混凝土对组合墙体抗震性能的影响进行研究；结果表明,组合墙体破坏特征主要为混凝土开裂及压碎、麦秸秆板开裂、墙架柱局部屈曲及混凝土与立柱之间发生相对滑移。

目前国内外学者的研究多集中在冷弯结构组合墙体,而对冷弯-钢混合结构双层墙体的相关研究甚少。为了进一步推动冷弯-钢混合结构的发展,笔者对4个冷弯-钢混合结构双层墙体进行了拟静力试验,得到了荷载位移曲线,并根据试验结果对结构破坏模式等进行分析。

1 试验概况

1.1 试件设计

共设计了4个尺寸为2400mm(宽)×4800mm(高)的冷弯-钢混合结构试件,试件编号如表1所示。所有试件上部均为冷弯结构组合墙体,其尺寸为2400mm(宽)×2400mm(高),龙骨采用C140×40×11×1.2mm,间距600mm,双面覆盖9mm OSB板材。在墙体角部分别布置抗拔件,通过M22抗拔高强螺栓与下部钢结构连接。导轨处间距400mm布置抗剪螺栓与钢框架连接,传递剪力。其中试件W2与W4增设斜撑作为对照试验,斜撑采用C140×40×11×1.2mm龙骨,上部冷弯墙体具体布置如图1所示。

4个试件下部结构为钢框架,尺寸为2400mm(宽)×2400mm(高),钢材等级为Q345B级。梁柱节点采用栓焊连接,梁翼缘为对接焊缝,梁腹板采用高强螺栓连接。柱脚设置翼缘和腹板加劲肋,并采用8个M22摩擦性高强螺栓与台面相连。下部钢框架具体参数如表1所示,试件W-1如图2所示。

表1 试件参数表Table 1 The specimen parameters

图1 上部冷弯结构墙体示意图Fig. 1 Schematic diagram of cold-formed thin-walled steel upper wall

1.2 材料材性

根据GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验: 第一部分: 室温试验方法》[15]的相关规定对试件所用的构件进行材性试验,测得冷弯龙骨钢材屈服强度fy=271.3N/mm2,抗拉强度fu=336.3N/mm2,弹性模量E=2.24×105Mpa,伸长率为33%。

1.3 试验装置及加载制度

试验在长安大学结构实验室进行并使用MTS装置加载,试件顶部施加80kN竖向力,模拟实际工况。竖向力分配梁将竖向力传递至加载顶梁,试件顶部通过螺栓与加载顶梁连接传递竖向力。为模拟实际情况中的侧向力,采用水平力分配梁来确保底层墙体顶部所受的水平力是上层墙体顶部水平力的1/2。水平作动器作用在水平力分配梁2/3处,此时二层处的水平力为一层处的水平力的2倍。一层和二层的水平力通过连接在水平力分配梁与试件间的力传感器读取,具体加载装置如图3所示。

图2 W-1试件Fig. 2 Schematic diagram of specimen W-1

加载制度如下：首先施加竖向荷载,持荷10min后再施加水平低周往复荷载。试验采用位移控制,试件屈服前以2mm作为位移增量加载,每级循环1次；试件屈服后以4mm作为位移增量,每级循环3次。当水平荷载降至峰值荷载的85%后,认为试件破坏停止加载。

图3 加载装置Fig. 3 Schematic diagram of loading device

2 试验现象

在试验过程中,4个墙体的破坏特征较为相似,均为螺钉破坏,板角挤碎等。限于篇幅,笔者仅以W-2试件破坏现象来说明。位移加至10mm时,OSB板与边柱柱顶连接处出现鼓曲。位移加至18mm时,试件发出螺钉拔出的声响,右侧角部四枚螺钉有拔出趋势。位移达到24mm时,OSB板发生轻微的转动,试件中部2块OSB板拼缝处缝隙逐渐消失发生挤压,螺钉发生倾斜见图4(a)。位移达到-24mm时,试件中部OSB板挤压程度进一步增加,个别螺钉被拔出。位移28mm时,试件中部拼缝处螺钉倾斜严重,OSB板角破坏螺钉失效见图4(b)。位移加载至-28mm时,试件上部接近加载顶梁处螺钉持续发生声响,螺钉陆续被拔出。位移32mm时,试件持续发生声响,螺钉倾斜现象严重,OSB板角部压碎；-32mm时,在中柱底端处约600mm范围OSB板发生凸起,附近螺钉凹陷入板内见图4(c)。加载至-36mm时,中部拼缝处螺钉陷入OSB板中,右侧OSB板角翘起约20mm。加载至40mm时,OSB板与中柱连接螺钉破坏严重。加载至44mm时,OSB板上侧螺钉基本全部陷入OSB板中,中柱柱脚屈曲,OSB板向外侧鼓曲60mm。加载至-44mm时,OSB板转动严重顶部被加载梁挤压碎裂。加载至52mm时,加载过程中可以听见明显的两板挤压声,OSB板与中柱连接的螺钉基本全部失效,OSB板翘起约60mm。下部钢框架无明显的破坏。试验结束后,对上部冷弯墙体拆卸呈现：左侧OSB板中222颗螺钉中有11颗拔出、3颗剪断,右侧OSB板222颗螺钉中有11颗拔出、3颗剪断。中柱龙骨破坏严重,柱顶和柱底均屈曲。试件破坏时特征见图4(d)和图4(e)。

图4 W-2试验现象Fig. 4 W-2 test phenomenon

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

分别读取一、二层墙体处的传感器数据,可以得到各个试件一层、二层墙体的水平荷载-位移曲线,如图5所示。

3.2 主要试验结果分析

1)观察各个试件的一层滞回曲线可知,4个试件的滞回曲线均为“梭形”、残余变形较小,滞回曲线无捏缩现象。试件W-1与W-2一层滞回曲线最大位移为9.5～10mm,最大荷载为60kN左右,最大残余变形3mm。试件W-3与W-4一层滞回曲线最大位移为5.1～6.5mm,最荷载为65kN左右,最大残余变形1mm。下部结构钢框架仍处于弹性阶段,框架的位移与荷载呈线性关系。增强钢框架刚度对其抗剪性能影响不大,但是可以一定程度上缩小变形。

2)对于上部冷弯墙体,在加载初期,试件处于弹性阶段,滞回曲线呈“梭形”,残余变形较小。进入弹塑性阶段后,墙面板边缘处自攻螺钉出现倾斜、内陷并逐渐破坏,墙体发生损伤、残余变形变大,滞回曲线出现捏缩现象,呈“反S形”。在破坏阶段,自攻螺钉挤逐渐失效残余变形较大,呈“Z形”。结构上部冷弯墙体的失效模式与文献[1-3]中单层冷弯组合墙体的破坏模式基本一致。冷弯墙体与钢框架间无明显滑移与拔起,通过抗拔和抗剪螺栓能可靠的传递剪力与柱端附加轴力，说明冷弯墙体和钢结构良好的共同作用。

3)试件W-1、W-3与设置斜撑的试件W-2、W-4相比其滞回曲线较为相似,但在荷载下降阶段,由于斜撑仍具有一定程度的支撑作用,所以并未出现明显的空载滑移现象。试件W-2与W-4滞回曲线介于“反S形与Z形之间”。对比W-1与W-2、W-3与W-4可知,设置斜撑的试件在弹性阶段刚性大于未设置斜撑试件,其中W-4峰值荷载(37.1kN)较W-3峰值荷载(25.4kN)增大46.1%,说明设置斜撑可以一定程度上增加初始刚度和抗剪能力。

4 结论

1)在冷弯-钢混合结构中,冷弯墙体与钢框架通过抗拔和抗剪螺栓形成可靠连接传递剪力与柱端附加轴力。试验中冷弯墙体与钢框架间无明显滑移与拔起,说明两者可以良好的共同工作。冷弯-钢混合结构能发挥钢结构与冷弯结构的特点,可以实现底层大跨度。

2)试验过程中,下部钢框架均处于弹性阶段,其滞回曲线均为“梭形”、残余变形较小、无捏缩现象,下部框架可以为上部冷弯墙体提供可靠的支撑。增强钢框架刚度对其抗剪性能影响不大,但是可以在一定程度上减小变形。

3)试验过程中,上部冷弯墙体主要破坏特征为面板螺钉破坏及OSB板角部破碎,与单层冷弯组合墙体的破坏模式基本一致。设置斜撑试件,中柱龙骨破坏严重,柱顶和柱底均屈曲。在荷载下降阶段并未出现明显的空载滑移现象,滞回曲线介于“反S形与Z形之间”。设置斜撑可以一定程度上增加试件弹性阶段刚度和抗剪性能。