冷彎薄壁型鋼組合墻體軸壓性能研究進展

于灝，耿禹坤，馬彥龍，張華鵬

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 前言

住宅建筑在我國的建筑業中占有至關重要的位置。在環保和節能的觀念逐漸深入人心的今天，我國傳統的高耗能、低效率、長周期、高污染的建筑模式越來越不能適應現代社會發展的需求。為此，我國從國外引進了冷彎薄壁型鋼結構住宅，如圖1所示，該住宅由冷彎薄壁型鋼龍骨組成，以輕質、保溫的板材做圍護結構。由于這種結構具有綠色環保、抗震性能好、施工速度快、工業化程度高等優勢，符合我國可持續發展的戰略，而且，現階段我國鋼材產量高、價格低，建造此類結構的成本較低。我國的新農村建設也需要這種新型的結構形式，將來的市場需求不斷攀升。因此來說，冷彎薄壁型鋼結構體系在我國的應用范圍與前景必將非常廣闊[1]。

1 冷彎薄壁型鋼組合墻體

冷彎薄壁型鋼組合墻體是由自攻螺釘將頂梁、底梁、墻架柱、墻板、支撐連接形成的豎向受力構件，如圖2所示。頂梁和底梁一般為U型截面的冷彎薄壁型鋼梁，墻架柱為由單根或多根C型截面的冷彎薄壁型鋼柱組合而成，墻板一般采用定向刨花板(OSB板)、石膏板等，支撐一般采用扁鋼帶或冷彎薄壁型鋼構件。墻體的端部要設置抗拔連接件，覆面板起到了防止立柱整體屈曲，提高墻體的整體受力性能的作用[2]。

圖2 冷彎薄壁型鋼組合墻體

2 國內外的研究現狀

國外對冷彎薄壁型鋼結構的研究起步較早，成果頗多，規范較為完善。我國對該結構的研究起步較晚，大概在2000年前后，剛開始是主要從美國、日本、澳大利亞等國家引進冷彎薄壁型鋼住宅體系的技術和規范，但由于中西方的差異，在建造過程中造成了一定的安全隱患和材料浪費，近些年，我國在科研方面加大投入，在十幾年間涌現出大量的成果，其中冷彎薄壁型鋼組合墻體的軸壓性能就是其中的一個非常重要的研究方向。下面對國內外的學者的研究成果進行總結，并提出一些建議，希望能為今后的研究以及應用提供參考。

2.1 國外的研究現狀

Yaip Telue等[3]對40個全尺寸的組合墻體試驗與短柱試驗，試驗結果表明：對于有墻面板的墻架，局部屈曲性能的改善是非常小的，但是組合墻體整體的承載能力卻有了很大的提高。文中提到的利用澳大利亞規范[4]和美國規范[5]的有效長度因子預測立柱的破壞模式的方式，并不適用具有單面墻面板的墻體，需要進行有限元分析，建立合理的計算模型。

YomalDias等[6]通過了理論和試驗的分析，證實了帶肋立柱的優良性能，以及鋼板作為墻面板對于組合墻體的承載能力的提高具有重要作用，提出了一個基于彈簧的分析模型，這個模型可以快速的分析出帶有覆面板的立柱的破壞形式。與此同時，YomalDisa等[7]對組合墻體的防火性能做了研究，結果顯示，與常用的C型鋼相比，帶肋的立柱能夠承受更大的軸向壓縮荷載，并且，防火石膏板的厚度對組合墻體的防火性能影響較大。

L.C.M.Vieira Jr.等[8]對 26個短、中、長立柱進行了試驗，發現具有墻面板的立柱承載能力更高，因為墻面板能夠限制整體屈曲模式。文中對美國規范中的W inter方法進行了一定的解釋，將立柱的有效長度假設為螺釘間距的兩倍。文中還提出確定了墻面板對立柱的精確支撐剛度才能確定立柱的準確的有效長度，現在研究的主要工作是確定墻面板的精確支撐剛度。

Y.S.Tian等[9]對無墻面板墻骨架、單面墻面板以及雙面墻面板組合墻體進行了軸向受壓試驗，結果顯示：無墻面板骨架的立柱均發生了整體彎曲屈曲破壞，扭轉屈曲并不明顯。單面墻面板的組合墻體的破壞形式多為導軌嚴重的局部屈曲以及自攻螺釘的破壞，也會有因中間立柱的屈曲而破壞的情況。對于具有雙面墻面板的組合墻體，破壞模式為立柱的整體扭轉-彎曲屈曲以及靠近端部的局部屈曲。還比較了不同墻面板、螺釘間距以及立柱間距的組合墻體承載力情況，發現覆有OSB板的組合墻體的承載能力要強于CSB板以及CPB板，縮小螺釘間距以及立柱架間距對承載力的提升明顯。

2.2 國內的研究現狀

劉斌等[10]提出一種在冷彎薄壁型鋼骨架中填充聚苯乙烯泡沫板，并在外側噴涂輕質保溫材料的新型墻體，并進行了試驗研究，結果表明：與無墻板立柱的整體屈曲破壞相比，新型墻體的破壞原因是頂部的受壓屈曲，屬于鋼材強度的問題，因此，保溫物料能顯著提高立柱的穩定性，從而提高墻體的承載能力。

陳軍武等[11]在冷彎薄壁型鋼骨架中填充了石膏基復合材料，并進行了軸向加載試驗。結果顯示：填充的石膏基復合材料能有效的限制鋼立柱的局部屈曲，有填充物的墻體試件的軸向受壓承載力是無填充物的試件的 2.88～3.99倍，而且，隨著軸向壓力的增大，填充材料越來越密實，墻體試件的承載能力也逐漸提高。

劉前進等[12]分別對有墻板和無墻板的墻體進行了軸向受壓試驗，發現帶有墻面板的墻體的承載能力是無墻面板的3倍左右，在設計時考慮墻板的作用是經濟且實用的。然而施工階段，墻體多為無墻板支撐的立柱，此時可以按照中國規范[13]來計算，保證施工階段的安全穩定。

郭鵬等[14]通過對單面帶肋鋼板墻體立柱與雙面板墻體立柱進行了軸壓試驗，并進行了柔性拉條和螺釘間距等因素的有限元分析，結果顯示：采用相同用鋼量下的帶肋板以及設置柔性拉條對于單面鋼板墻體立柱的承載能力的提高較大，對于雙面板的墻體立柱作用很小或沒有影響。連接墻面板與中間立柱以及周邊的自攻螺釘間距分別小于300mm和150mm時，繼續減小螺釘間距對承載力的提高作用不大。

石宇等[15]對冷彎薄壁型鋼組合墻體試件的墻面板的種類、螺釘和墻架柱的間距進行了軸心受壓試驗研究，發現加密螺釘間距不一定能提高組合墻體承載能力，試驗中的纖維增強硅酸鈣板(CSB)由于脆性較大，提高螺釘間距的做法適得其反。但是，脆性較大的CSB板對墻架柱的約束作用要強于OSB板。而且，增加立柱的間距就會削弱墻面板對墻架的約束作用，從而降低組合墻體承載能力。

劉濤等[16]利用有限元分析的方法，將立柱與導軌的間距作為研究對象，結果表明：隨著間距的增加，導軌對立柱的約束作用減弱，立柱的屈曲模式轉化歷程為畸變屈曲或局部屈曲到彎曲屈曲或彎扭屈曲，最終，整體屈曲模式成為主要的破壞模式。并提出了既能滿足立柱承載力要求也能保證墻體美觀的立柱-導軌的限定值。

秦雅菲等[17]對幾個帶有不同支撐形式的墻柱骨架進行了軸壓試驗，研究了不同支撐形式以及腹板開洞位置對承載能力的影響，本文還針對我國規范和北美規范[18]中缺乏的對立柱在導軌和支撐約束條件下計算長度系數取值的空缺，根據試驗的結果，給出了計算長度系數取值的相關建議。

3 展望

近些年，我國關于冷彎薄壁型鋼組合墻體的軸壓性能的研究取得了不小的成果，但是目前尚有很多亟待解決的問題，以下針對研究方面的一些問題以及以后研究的方向提出了些許的建議：

①實際工程中的墻面板和型鋼腹板都需要因開門窗或走管線而開洞，現有的開洞的研究還比較少，開洞情況下的軸壓性能需進一步進行研究；

②組合墻體的實際受力相當復雜，豎向荷載、地震荷載、風荷載等可能會同時作用于墻體，那么針對組合墻體在復雜受力情況下的研究需更進一步；

③墻面板對鋼骨架的支撐作用不可忽略，如何計算這一支撐作用現在還沒有一個統一的方法，盡快形成一個完整的計算體系有利于建造成本的降低以及此種結構類型的推廣；

④軸心受壓條件下，具有單面墻面板墻體的破壞模式還沒有一個系統的計算以及評估體系，這方面的工作還需進一步深入；

⑤隨著建筑技術的發展，各類新型的板材層出不窮，鋼材的強度也有了大幅度提升，針對新型板材以及高強鋼材在冷彎薄壁型鋼組合墻體軸心受壓性能的研究還比較少，需要不斷推動此方面的研究。