聚氨酯夾芯鋼板冷彎薄壁型鋼復(fù)合墻體抗剪試驗(yàn)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(gòu)件，以槽型截面作為連接構(gòu)件，并由結(jié)構(gòu)板材共同構(gòu)成的新型結(jié)構(gòu)體系。其顯著特點(diǎn)是構(gòu)件、板材和連接件均為定型化產(chǎn)品，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)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(diǎn)有以下幾個方面：

1.1 構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化

所有構(gòu)件壁厚最薄為0.75mm，最厚不超過3mm，由冷軋或熱軋鋼板經(jīng)冷彎成型機(jī)自動成型，并通過熱浸鍍鋅或鍍鋁鋅工藝作為防腐保護(hù)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(jī)

圖3 螺釘連接構(gòu)件

1.2 設(shè)計(jì)制造一體化

設(shè)計(jì)軟件不僅具有建模、設(shè)計(jì)和分析的作用，還能夠自動生成包含截面信息的數(shù)據(jù)文件，實(shí)時在冷軋機(jī)上進(jìn)行生產(chǎn)、編號和打包等后續(xù)工作，真正實(shí)現(xiàn)CAD-CAM的無縫銜接，見圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)制造一體化

1.3 板材兼有圍護(hù)和結(jié)構(gòu)的雙重[2]-[6]作用

由于構(gòu)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(hù)系統(tǒng)起到建筑作用，而且作為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與梁柱共同承受豎向力和水平力。

1.4 優(yōu)良的保溫性能

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

圖5 保溫棉和保溫板

1.5 較強(qiáng)的抗震性能

柔性材料的板材和鋼構(gòu)件共同承擔(dān)地震產(chǎn)生的水平力，使結(jié)構(gòu)體系具有很強(qiáng)的變形性能能力。足尺振動臺試驗(yàn)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(yōu)良的抗震性能，見圖6所示。

圖6 振動臺試驗(yàn)

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(cè)彩色涂層鋼板﹑中間聚氨酯材料復(fù)合而成，整個生產(chǎn)工藝由設(shè)備自動完成，見圖7所示。本次試驗(yàn)所采用的聚氨酯夾芯鋼板厚度為50mm，板寬為1m，兩側(cè)彩色涂層鋼板厚度為0.5mm。

圖7 聚氨酯夾芯鋼板和連接節(jié)點(diǎn)

2.試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

本次試驗(yàn)準(zhǔn)備了2塊足尺復(fù)合墻體試件，試件立柱為s350鋼材，屈服強(qiáng)度345MPa。試件按水平單調(diào)方式進(jìn)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(yàn)裝置

本次試驗(yàn)在沈祖炎院士專家企業(yè)工作站實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備為自平衡的抗剪試驗(yàn)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(jù)本次試驗(yàn)?zāi)康?，為校核豎向荷載對復(fù)合墻體抗剪承載力的影響，試件施加豎向荷載后，再進(jìn)行水平加載抗剪試驗(yàn)。豎向荷載的取值，參照足尺模型振動臺試驗(yàn)[8]的豎向荷載水平，換算到三層房屋結(jié)構(gòu)底層墻體的豎向荷載。底層墻體的豎向荷載計(jì)算結(jié)果，折合到標(biāo)準(zhǔn)寬度2.4m，豎向千斤頂荷載約為20kN。

2.4 試驗(yàn)過程及破壞特征

2.4.1 試件SW1

圖9 試驗(yàn)反力架

圖10 水平荷載43kN時的破壞現(xiàn)象

試驗(yàn)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(dá)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(jìn)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(cè)的石膏板出現(xiàn)貫通裂縫，并且向面外突起；從遠(yuǎn)處看試件，可以看到三塊PU板在兩條水平接縫處出現(xiàn)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(xiàn)象

2.4.2 試件SW2

在試驗(yàn)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(xiàn)象。當(dāng)水平荷載達(dá)到42kN時，兩塊夾芯鋼板之間產(chǎn)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(yàn)結(jié)果一覽表

表3 聚氨酯夾芯鋼板抗剪參數(shù)

在試驗(yàn)后期，采用位移控制加載，水平荷載最大達(dá)到了56kN。此時，墻體受壓區(qū)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(xiàn)較大水平位移，見圖13所示。

圖13 試驗(yàn)后期破壞模式

3.試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 數(shù)據(jù)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(dá)到42kN之后，隨著荷載微小的增長，水平位移大幅度增加。在達(dá)到最大水平荷載49.4kN后，曲線開始出現(xiàn)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(jù)我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)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(yīng)于墻體剪切變形H/300時對應(yīng)的水平荷載P300。

根據(jù)以上原則，確定的試驗(yàn)荷載見表2所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果﹑計(jì)算公式和規(guī)范取值，可以求得聚氨酯夾芯鋼板的抗剪參數(shù)取值，見表3所示。

4.結(jié)論

本次試驗(yàn)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(jié)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(jié)構(gòu)的抗側(cè)力板材，具有優(yōu)良的抗剪強(qiáng)度和抗剪剛度，抗剪強(qiáng)度為：11.4kN/m；抗剪剛度為：1900kN/m·rad?？辜魪?qiáng)度大于《低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的定向刨花板(OSB板)的抗剪強(qiáng)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(cè)力板材。

4.3 考慮到聚氨酯夾芯鋼板優(yōu)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(jié)構(gòu)的新型結(jié)構(gòu)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(yàn)研究.上海:同濟(jì)大學(xué),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(jié)構(gòu)建筑節(jié)能體系及鋁鎂錳合金墻板技術(shù)研究報(bào)告.上海:同濟(jì)大學(xué),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(jié)構(gòu)足尺模型振動臺試驗(yàn)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(shè)計(jì)規(guī)范.