聚氨酯夾芯鋼板冷彎薄壁型鋼復合墻體抗剪試驗研究

文/許金勇/秦雅菲

1.冷彎薄壁型鋼體系簡介

冷彎薄壁型鋼體系[1]是由卷邊槽型截面作為主承重梁柱構件，以槽型截面作為連接構件，并由結構板材共同構成的新型結構體系。其顯著特點是構件、板材和連接件均為定型化產品，易于實現工業化生產和裝配化安裝，見圖1所示。

圖1 冷彎薄壁型鋼建筑體系

其突出特點有以下幾個方面：

1.1 構件標準化

所有構件壁厚最薄為0.75mm，最厚不超過3mm，由冷軋或熱軋鋼板經冷彎成型機自動成型，并通過熱浸鍍鋅或鍍鋁鋅工藝作為防腐保護層，見圖2所示。以自鉆或自攻螺釘[2]連接為主，見圖3所示。

圖2 冷彎成型機

圖3 螺釘連接構件

1.2 設計制造一體化

設計軟件不僅具有建模、設計和分析的作用，還能夠自動生成包含截面信息的數據文件，實時在冷軋機上進行生產、編號和打包等后續工作，真正實現CAD-CAM的無縫銜接，見圖4所示。

圖4 設計制造一體化

1.3 板材兼有圍護和結構的雙重[2]-[6]作用

由于構件壁厚較薄，承載力較低，因此在該體系中板材不僅作為圍護系統起到建筑作用，而且作為結構系統與梁柱共同承受豎向力和水平力。

1.4 優良的保溫性能

鋼構件和板材之間的空隙填充保溫棉，墻體和屋面外側由保溫板覆蓋見圖5所示。完全隔斷了冷橋和熱橋效應，使得房屋具有優良的保溫性能，其保溫能力基本上為同等規模砌體房屋的2倍以上[7]。

圖5 保溫棉和保溫板

1.5 較強的抗震性能

柔性材料的板材和鋼構件共同承擔地震產生的水平力，使結構體系具有很強的變形性能能力。足尺振動臺試驗表明[8]，在9度罕遇地震作用下整個建筑保持完整，只有門窗周邊和板材接縫處局部被擠壓破壞，具有極其優良的抗震性能，見圖6所示。

圖6 振動臺試驗

表1 試件列表

聚氨酯夾芯鋼板作為一種新型的配套板材，是由兩側彩色涂層鋼板﹑中間聚氨酯材料復合而成，整個生產工藝由設備自動完成，見圖7所示。本次試驗所采用的聚氨酯夾芯鋼板厚度為50mm，板寬為1m，兩側彩色涂層鋼板厚度為0.5mm。

圖7 聚氨酯夾芯鋼板和連接節點

2.試驗研究

2.1 試驗內容

本次試驗準備了2塊足尺復合墻體試件，試件立柱為s350鋼材，屈服強度345MPa。試件按水平單調方式進行加載，墻體試件均施加豎向荷載，試件尺寸見圖8所示，試件編號和加載方式見表1所示。

2.2 試驗裝置

本次試驗在沈祖炎院士專家企業工作站實驗室進行，試驗設備為自平衡的抗剪試驗反力架，見圖9所示。豎向荷載利用20t的油壓千斤頂加載，水平荷載采用50噸作動器來施加。

圖8 試件尺寸

2.3 加載制度

根據本次試驗目的，為校核豎向荷載對復合墻體抗剪承載力的影響，試件施加豎向荷載后，再進行水平加載抗剪試驗。豎向荷載的取值，參照足尺模型振動臺試驗[8]的豎向荷載水平，換算到三層房屋結構底層墻體的豎向荷載。底層墻體的豎向荷載計算結果，折合到標準寬度2.4m，豎向千斤頂荷載約為20kN。

2.4 試驗過程及破壞特征

2.4.1 試件SW1

圖9 試驗反力架

圖10 水平荷載43kN時的破壞現象

試驗開始后，試件處在彈性變形的范圍，無明顯的破壞。在水平荷載達到43kN時，可觀察到墻體頂部邊立柱處石膏板受壓開裂，螺釘與石膏板相脫離，見圖10所示。

此后，隨著荷載的下降位移進一步增大，伴隨著“啪塔，啪塔”的聲音，連接PU板與鋼柱的螺釘頭沉入PU板中；PU板水平接縫處的相對位移明顯增大，另一側的石膏板出現貫通裂縫，并且向面外突起；從遠處看試件，可以看到三塊PU板在兩條水平接縫處出現明顯的水平錯動，見圖11所示。

圖11 水平荷載下降時的破壞現象

2.4.2 試件SW2

在試驗開始的初期，由于聚氨酯夾芯鋼板本身具有足夠的剛度和抵抗變形的能力，同時在接縫處與鋼立柱用兩排螺釘緊密連接，試件本身沒有明顯的破壞現象。當水平荷載達到42kN時，兩塊夾芯鋼板之間產生水平錯動，見圖12所示。

圖12 夾芯鋼板水平錯動

表2 試件試驗結果一覽表

表3 聚氨酯夾芯鋼板抗剪參數

在試驗后期，采用位移控制加載，水平荷載最大達到了56kN。此時，墻體受壓區石膏板與鋼立柱脫離，向外突出。夾芯鋼板在兩塊板接縫處出現較大水平位移，見圖13所示。

圖13 試驗后期破壞模式

3.試驗結果及分析

3.1 數據分析

3.1.1 試件SW1

試件SW1的荷載-位移曲線見圖14所示。從圖中顯示，試件在水平荷載達到42kN之后，隨著荷載微小的增長，水平位移大幅度增加。在達到最大水平荷載49.4kN后，曲線開始出現了下降段。

圖14 SW1試件墻體荷載-位移曲線

3.1.2 試件SW2

試件SW2的荷載-位移曲線見圖15所示。

圖15 SW2試件墻體荷載-位移曲線

根據我國《建筑抗震設計規范》[9],在小震下組合墻體的層間變形角限值為1/300層高，從P－Δ曲線中可以找到相應于墻體剪切變形H/300時對應的水平荷載P300。

根據以上原則，確定的試驗荷載見表2所示。

根據試驗結果﹑計算公式和規范取值，可以求得聚氨酯夾芯鋼板的抗剪參數取值，見表3所示。

4.結論

本次試驗完成了兩片聚氨酯夾芯鋼板冷彎薄壁型鋼墻體 的抗剪測試，得出如下結論：

4.1 50 mm厚度的聚氨酯夾芯鋼板作為冷彎薄壁型鋼墻體結構的抗側力板材，具有優良的抗剪強度和抗剪剛度，抗剪強度為：11.4kN/m；抗剪剛度為：1900kN/m·rad?？辜魪姸却笥凇兜蛯永鋸澅”谛弯摲课萁ㄖ夹g規程》規定的定向刨花板(OSB板)的抗剪強度7.2 kN/m；抗剪剛度比刨花板(OSB板)的抗剪剛度2000 kN/m·rad略小。

4.2 50 mm厚度的聚氨酯夾芯鋼板可以取代定向刨花板（OSB）板作為墻體抗側力板材。

4.3 考慮到聚氨酯夾芯鋼板優越的保溫性能和安裝的便利性，是一種適用于冷彎薄壁型鋼結構的新型結構板材，具有廣闊的推廣前景。

[1]秦雅菲.冷彎薄壁型鋼低層住宅墻柱體系軸壓性能理論與試驗研究.上海:同濟大學,2006,63-67

[2]North American Steel Framing Alliance.Prescriptive method for residential cold-formed steel framing[S].Year2000 Edition

[3]Miller TH, Pekoz TA.Behavior of Cold-Formed Steel Wall Stud Assemblies.Journal of Structural Engineering, ASCE 1993;119(2):641-651.

[4]Simaan, A.Buckling of diaphragmbraced columns of unsymmetrical sections and application to wall studs design.Rep.No.353,Dept.of Struct.Engrg., School of Civ.and Envir.Engrg., Cornell University, 1973,Ithaca,N.Y.

[5]Simaan A.Buckling of diaphragmbraced columns of unsymmetrical sections and application to wall studs design.PhD thesis,Cornell University, Ithaca, USA; 1973

[6]Simaan A, Pekoz TA.Diaphragm braced members and design of wall studs.Journal of Structural Division, Proceedings of American Society of Civil Engineers 1976;102(ST1):77–93.

[7]張其林，黃明鑫，秦雅菲等.鋼結構建筑節能體系及鋁鎂錳合金墻板技術研究報告.上海:同濟大學,2006.

[8]沈祖炎，李元齊，劉飛，秦雅菲，吳曙崠.低層冷彎薄壁型鋼龍骨式住宅結構足尺模型振動臺試驗研究.The 5th Cross-strait Conference on Structural and Geotechnical Engineering (SGE-5)，Hong Kong, China, 13-15 July 2011，70-77

[9]GB50011-2010,建筑抗震設計規范.