帶預制墻體的半剛性鋼框架結構體系受力研究綜述

(華南理工大學土木與交通學院 廣東 廣州 510640)

一、引言

“鋼結構+預制墻體”的結構形式是我國推行住宅產業(yè)化，響應國家“十三五”期間的國家有關去過剩產能、節(jié)能減排與綠色建筑等相關政策的一種優(yōu)良結構形式。在這種體系中，框架結構因其結構簡單、平面布置靈活、易于標準化生產、施工速度快等優(yōu)點成為目前多高層建筑中倍受青睞的結構形式。預制墻體施工簡便，節(jié)約工期，便于震后墻體的修復與更換，可以進一步推進建筑的綠色化、工業(yè)化與信息化，實現(xiàn)傳統(tǒng)產業(yè)轉型升級。

為了實現(xiàn)鋼結構中墻板的快速裝配，外掛式墻板應運而生，克服了內填式墻體的現(xiàn)場濕作業(yè)，鋼框架在承受水平荷載作用時，外掛式墻板會在早期參與結構受荷，共同抵抗水平力，但墻板角部連接處容易過早出現(xiàn)開裂而退出工作，外掛墻板被定位為外圍護構件，而非承重構件，將其作為增加結構的冗余度的措施來考慮。因此，傳統(tǒng)的“鋼結構+預制墻體”結構形式設計中，無論何種預制墻體往往僅作為外掛式墻體，不參與內力計算。然而，近些年國外眾多學者研究表明，不同的預制墻體設計，結合可靠的連接方式，預制墻體能發(fā)揮結構功能，成為結構體系中耗能的重要一環(huán)。同時，半鋼性鋼框架結構體系歷經長久的發(fā)展，已開始應用國內外眾多工程中，然而半剛性鋼框架的抗側剛度較小，在水平荷載作用下層間位移較大，僅限用于中低層建筑，對與多高層結構抗震而言尤其不利，設計中常采用抗側力單元(中心支撐，偏心支撐與剪力墻)來滿足相關要求。半剛性鋼框架與預制輕墻體的協(xié)同受力體系，不僅僅避免額外的抗側力構件，而且設置了多道抗震防線，同時能夠實現(xiàn)墻體的輕型化與綠色環(huán)保，但分析墻板連接的力學性能、理清輕墻體與半剛性鋼框架的共同作用機理是該結構體系推廣與應用的關鍵。

二、建筑鋼結構的預制墻體研究

墻體類型種類繁多，連接方式多樣。目前我國鋼結構建筑的外墻根據(jù)墻體自身結構分為：鋼板剪力墻、鋼筋混凝土剪力墻、砌塊填充墻、薄壁鋼骨架外墻板、蒸壓加氣混凝土板與復合夾層墻板等。此外根據(jù)墻板與鋼框架連接形式的不同。帶墻板的鋼框架結構一般分為三種：一種是墻體通過現(xiàn)澆的方式內填在鋼框架內，通過預埋的剪力鍵與鋼框架成為一體共同抵抗水平與豎向荷載，內填式墻體鋼結構的需要現(xiàn)場濕作業(yè)，施工速度較慢，該類型結構的抗側剛度與承載力較大，研究表明過剛的內填墻體雖然可以滿足大多靜力荷載的需求。第二種是墻板通過連接件掛接于鋼框架上，墻體的構造與建筑性能上能夠實現(xiàn)多樣性與輕型化，且便于快速安裝，但外掛式墻板容易在四角連接處出現(xiàn)過早的破壞，無法達到理想的協(xié)同作用效應。第三種是抗側力墻板通過預留鋼板或套筒與主體結構進行螺栓連接內嵌，該種連接方式需要特殊的處理才能避免出現(xiàn)預埋鋼板與混凝土連接界面處首先出現(xiàn)破壞。后兩種連接方式為目前研究中預制墻體主要的連接的基本形式。

為了更加準確的獲取墻體受力性能，部分學者對獨立的墻體單元進了一系列研究，其中代表性的研究有：李升才等[1]進行了14塊CL復合墻板抗剪性能試驗和12塊復合墻板軸壓性能試驗。田海等[2]通過拼接ALC墻體的抗剪試驗認為：墻體的自身的抗剪性能的因素為拼合界面的粘結性能、連接方法等，協(xié)同作用下底層墻板側向剛度貢獻率為21%。侯和濤等[3]進行了5塊復合墻板的抗彎試驗和有限元參數(shù)分析，在此基礎上進一步對塊復合墻板的振動特性展開試驗研究，探究了鋼絲布置對復合墻板的抗彎性能與阻尼比的影響。Gara等[4]對夾層墻體在面內壓力、對角壓力下的受力性能進行了試驗與數(shù)值模擬的研究，Ehab[5]進行內桁架式剪力鍵的夾層混凝土墻板的試驗研究，并建立了理論計算模型與分析方法，Douglas[6]等建立部分組合效應的夾層墻板承壓數(shù)值分析模型。預制墻板的抗剪、軸壓與抗彎試驗表明，墻板自身具備一定的能力承受外部荷載，能夠參與結構共同受力。

三、帶預制墻體鋼框架結構研究

關于預制墻板與框架協(xié)同受力結構體系的國外學者開展研究較早，相對于當前國內全方面開展裝配式結構的研究與工程實踐，國外的相關研究進展緩慢，且熱點集中在材料層面上創(chuàng)新與應用。大量的試驗與多次的震害表明多道抗側設防結構中，首道抗震設防容易產生變形集中和能量聚集，預制墻與鋼框架共同作用結構體系中墻板會首先受損，對帶預制輕墻的半剛性鋼框架結構的地震損傷性能清晰、準確、量化的把握是保證該類結構抗震可靠性的關鍵。

國內早期有關鋼結構中的預制墻板研究以外掛式墻板為主，李國強等[7]較早的開展了鋼結構住宅體系的外掛墻板足尺模型振動臺試驗,表明該結構具備8度抗震能力，墻板對鋼結構的地震作用及抗震性能有較大的影響，其中墻板連接節(jié)點的處理尤為關鍵。王靜峰等[8]進行了一系列復合墻板與半剛性組合鋼框架的試驗，考察該結構體系的破壞模式與耗能機制，并進行了有限元數(shù)值模擬，探究了墻板的開洞的影響。郭宏超等[9]從材料層面上采用再生塊體外掛混凝土墻板，并進行了鋼框架試驗，相對于純框架結構，其承載力、耗能、剛度均有提升，其極限承載力提高20%；另外梁柱節(jié)點的剛度對結構的整體性能影響較大，并建議梁柱采用半剛性連接。國外方面代表性研究：Wright和Gallocher[10]進行了4榀外掛復合墻板型鋼框架試驗，分別研究在施工階段和正常使用階段的結構受力性能，Hanaor[11]進行了內嵌復合墻板型鋼框架擬靜力試，Kwon[12]等采用玻璃纖維聚合物來修復墻板與鋼框架的設計流程與方法。綜合上述研究發(fā)現(xiàn)外掛式墻板在容易在受荷早期開裂，對結構在彈塑性階段提供的作用有限，在實際工程中將其設計為外圍護構件，不參與結構受力，但可提高結構的冗余度。

為了實現(xiàn)預制墻板與鋼框架的協(xié)同作用，曹萬林等[13]提出了一系列的輕墻體、暗支撐、裝配式單層鋼筋骨架等構造措施，研究得出輕墻能夠實現(xiàn)多道抗震的效果。吳函恒等[14]提出了幾種新型構造的預制抗側力墻板，研究了預制墻板與剛接鋼框架的連接效應、傳力機制與協(xié)同作用計算模型。江力強等[15]對幾種不同構造的裝配式深梁內填式墻板的抗側力性能進行了試驗與數(shù)值分析，并進行了地震的易損性分析。研究結果表明預制墻板與鋼框架是可以實現(xiàn)協(xié)同作用，并能實現(xiàn)多道抗震的設計目標，仍需進一步的深入研究。

四、結論

綜上所述，雖然國內外學者針對半剛性鋼框架力學性能、預制墻體與鋼框架協(xié)同作用進行大量分析和研究，得到一些有益建議和結論。但有關帶預制墻體鋼框架類結構的研究較少，更多的集中于鋼框架本身或者預制墻體本身，未能將其充分結合作為進行充分考慮其結構性能，而有關影響這類結構性能的墻體布置優(yōu)化理論更少。再者，在預制墻體與鋼框架連接構造的研究也較少。因此，需在尋求可靠的輕型預制墻體與框架的連接構造基礎上，研究預制墻體與框架結構的協(xié)同作用機理，提出能表征不同類型的半剛性鋼框架-輕型預制墻體協(xié)同計算模型，并探究不同建筑功能、結構功能需求的輕型預制墻體優(yōu)化方法，便可以得到能實現(xiàn)半剛性鋼框架結構中輕型預制墻體“構件-結構-體系”最優(yōu)的設計方案。