鋼框架-裝配式預制墻體連接研究綜述及改進

(華南理工大學 廣東 廣州 510641)

引言

鋼結構建筑多采用螺栓連接，符合預制裝配建造要求。其中鋼框架結構布置靈活，工業化程度高，常用于多層建筑。但是鋼結構框架在外力作用下，變形能力較強，延性強，因此需要補充抗側力構件。預制裝配式墻體是預制裝配式結構體系中常見的抗側力構件。“鋼結構+預制墻體”的結構形式施工簡便，節能環保，節約工期，符合建筑工業化的發展方向。而預制墻體發揮抗側力性能的關鍵在于墻板和框架之間的連接方式是否可靠[1]。本文通過分析現有預制墻板與鋼框架連接方式，展望了下步預制墻板鋼框架結構的研究方向。

一、預制墻板鋼框架結構干法連接研究現狀

將預制墻板作為鋼框架抗側構件，并考慮墻板在體系當中的抗側力作用是近年以來預制裝配式建筑快速發展的成果之一。預制墻體的連接條件不同，在結構體系中起到的抗側性能，抗震響應時的破壞也會不同。干法連接預制墻板符合建筑裝配要求，可以實現墻板與框架的施工同步。近年來大量學者針對如何有效連接預制墻體墻體和鋼框架做出了研究。

李慧成[2]設計內置墻體與鋼框架通過墻體底部預留的齒槽吻合螺栓連接，建議框架梁與墻體位置利用長圓孔螺栓連接方式，并建議加強角部和周邊的配筋，確保墻體和框架之間有效的荷載傳遞。劉欠[3]設計1榀兩跨單層的1/3縮尺鋼框架內填預制鋼筋混凝土墻結構進行水平往復加載試驗，并采用U型鋼筋進行連接。并發現提高混凝土等級可以有效提高結構整體的極限承載力。趙偉[4-5]等將內填墻體與鋼框架之間通過U型板及耳板進行連接(見圖1-c)，試驗結果表明：耳板可以作為有效的連接件；豎縫墻體根部易破壞。2013年，李東輝[6]提出利用加強角鋼連接預制墻板與鋼框架(連接方式見圖1-d)并設計了兩組四個連接節點進行水平往復加載試驗，研究結果表明鋼板式連接件和雙側角鋼連接件都具有較好的延性性能，雙側角鋼連接件耗能性能相對鋼板式連接件要更改好。吳函恒[7]提出一種新型預制混凝土墻-鋼框架抗側力體系，并設計四個足尺單層單跨鋼框架墻體結構進行了水平往復加載試驗，框架與墻體之間的通過長圓孔預埋板式連接方式進行。作者研究了墻體破壞模態、傳力路徑以及鋼框架與墻體之間的合理剛度比，并建立了結構抗側剛度的計算模型，將結構簡化為“交叉撐桿+豎向桿件”的桿系模型，提出了不同破壞形態下的受剪承載力計算公式。王野[8]設計T型鋼板連接鋼框架與預制混凝土墻板之間連接(如圖1-e)，按1：3比例設計了兩組T型鋼板連接試驗試件，進行水平往復加載試驗，證實T型鋼板可以作為有效的連接件使用。連接件破壞模式為高強螺栓的剪斷。王坤[9]提出了兩種新型干法連接形式，通過H型鋼連接和箱型鋼連接預制剪力墻與鋼框架，利用逐漸發建立簡化力學模型，引入有效抗彎剛度表達半剛性連接方式對剪力墻彎曲剛度的削弱。建議通過結構頂層側移控制結構高度。

上述研究中總結可知，不同連接方式對于預制墻板抗側性能的發揮影響較大。在結構受力過程中，如連接位置發生破壞，則墻板迅速失去抗側工作能力，會降低結構整體抗震能力。預制墻板在框架中作為抗側力構件時，墻體都是通過連接件內嵌于鋼框架內，而外掛式墻板則常用作圍護構件。

二、墻板抗側剛度計算理論研究現狀

針對墻板抗側剛度研究，目前常用的等效方法包括：Homes[10]提出的等效斜撐模型，Liauw TC,Kwan KH[11]提出的單壓桿模型，Mosalam[12]提出的等效對角支撐模型，EI-Da-khakllniW.W[13]提出的三支杠模型等，國內的學者們在這些計算模型的基礎上，結合預制墻板的特點，進行了相關研究。

李國強[14]分別對鋼框架及帶填充墻鋼框架結構進行了擬靜力試驗，研究了結構的破壞模態和變形能力，結合等效三支桿模型，提出了填充墻- 鋼框架結構體系抗側剛度的簡化公式。孟永杰[15]模擬了內嵌圍護墻板鋼框架，建議鋼框架可用實體單元，墻板可用混凝土單元，墻板節點可用彈簧單元。高松召[16]針對輕質內填墻板在側向荷載下的變形及受力特性提出了等效多桿彈塑性模型，并利用已有試驗驗證了等效多桿模型的有效性。吳函恒[17]提出“交叉撐桿+豎向桿”的桿系模型用以等效預制墻體的抗側力，并結合試驗驗證了在彈性階段預制墻體可等代為桿系模型進行。朱賀[18]等人建立等效雙壓桿模型，研究表明填充墻會影響鋼框架抗側強度和剛度，同時也會改變框架結構的塑性鉸分布以及發展情況。郭子雄等[19]通過對填充墻的布置方式對整體結構抗震性能的影響進行研究，結果表明填充墻的布置方式對整體結構的破壞形式以及耗能能力有顯著的影響。趙亞莉對再生混凝土預制墻板-鋼框架結構進行試驗，發現此結構中三支桿模型等效結果優于斜向板帶模型，并提出了再生混凝土墻板的抗側剛度計算公式。

以上研究顯示，墻板抗側剛度的研究主要通過多桿等效模型進行，這樣的等效方式對于內填墻板的邊界條件反映程度不高。不同墻體材料情況下，各等效模型計算的有效性也有一定差異。

三、鋼框架預制墻板研究方向展望

預制墻板作為鋼框架的抗側力構件，目前的研究大多采用普通的鋼筋混凝土墻體，研究重點為墻體在不同連接形式下的承載能力、變形、破壞模式等。結合現澆剪力墻的研究路徑，筆者認為針對鋼框架預制墻板體系話需要從以下方面進一步研究：

(1)采用內置型鋼方式加強預制墻板抗側性能，同時能降低同等抗側強度下的墻體厚度，優化墻體的整體性能，也方便墻體與鋼框架進行更加有效的連接。

(2)現有墻體采用的商品混凝土自重較大，對鋼框架會產生較大的豎向荷載，因此需要將墻體材料替換為更加輕質高強的材料，為框架提供足夠的抗側強度且不增加過多的豎向荷載。

(3)目前對墻體連接方式的研究集中于構件層面，關注的多為連接方式的傳力有效性，破壞模式等，較少考慮如何針對墻體連接構造進行優化來實現更加方面的工業化施工，距離成果落實使用仍有一定距離。因此需要加強對于連接工業化的研究。

四、結語

內嵌型預制墻體鋼框架是建筑裝配式發展中值得推廣的一種重要結構。內嵌墻板-鋼框架體系是一種典型的具有兩道抗震防線的結構。在預制墻體受到地震作用破壞后，如鋼框架經過評估仍能繼續使用，則結構可以通過更換預制墻體進行有效修復。通過本文分析提出以下兩點建議：

(1)內嵌式預制墻體連接方式，材料，骨架方面需要進行改進，以促進預制墻體鋼框架結構裝配的實用性和便捷性提高，推進預制墻體抗側力構件的推廣使用。

(2)預制墻體的剛度計算方式需要結合鋼框架與墻體的連接方式，預制墻體的骨架類型進行具體分析，并需針對不同受力模態分別考慮。