多層輕鋼房屋建筑結(jié)構(gòu)
——輕鋼龍骨式復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)體系研究進(jìn)展

葉繼紅

(混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東南大學(xué))，210018 南京)

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多層輕鋼房屋建筑結(jié)構(gòu)
——輕鋼龍骨式復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)體系研究進(jìn)展

葉繼紅

(混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東南大學(xué))，210018 南京)

摘要:輕鋼結(jié)構(gòu)是天然的綠色建筑，也是天然的工業(yè)化建筑.中國(guó)人口眾多，土地資源緊張，地震災(zāi)害嚴(yán)重，因此發(fā)展多層冷成型鋼房屋建筑符合中國(guó)國(guó)情.將低層冷成型鋼結(jié)構(gòu)體系拓展至多層結(jié)構(gòu)，存在4個(gè)主要技術(shù)難點(diǎn).課題組通過(guò)結(jié)構(gòu)體系與主要部件兩個(gè)層面的改進(jìn)，提出了多層冷成型鋼龍骨式復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)體系及其兩個(gè)重要部件——冷成型鋼托梁龍骨-ALC板組合樓蓋和帶有夾心墻板單元的輕鋼龍骨式復(fù)合墻體.還針對(duì)該新型體系的抗側(cè)、抗火等基礎(chǔ)理論問(wèn)題，闡述了課題組研究進(jìn)展及國(guó)內(nèi)外同行的相關(guān)研究工作.最后，從宏觀角度指出了該新型體系尚需開(kāi)展的研究工作.

關(guān)鍵詞:冷成型鋼結(jié)構(gòu)；多層輕鋼龍骨式復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)體系；抗震；抗火；研究進(jìn)展

冷成型鋼(冷彎薄壁型鋼)厚度一般為0.4～6.4 mm，常用厚度一般低于3.0 mm，是目前最“輕”的一種建筑結(jié)構(gòu)用鋼.它是以熱軋或冷軋卷材和帶材為原料，在常溫下，用連續(xù)輥彎成型、拉拔彎曲成型、沖壓折彎成型等方法，加工制造出熱軋方法難以生產(chǎn)的各種斷面的型材和板材，其中，輥彎成型是冷成型鋼目前的主要加工手段.因此，不同于熱軋型鋼，冷成型鋼通過(guò)合理截面形狀而非增加截面厚度提高構(gòu)件承載力，具有令人滿意的強(qiáng)重比.目前，發(fā)達(dá)國(guó)家冷成型鋼已占鋼材總量的5%，建筑業(yè)用冷成型鋼已占冷成型鋼總量的70%.

與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，冷成型鋼結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強(qiáng)，抗震性能好，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好.現(xiàn)有冷成型鋼房屋建筑結(jié)構(gòu)用鋼量20～35 kg/m2，而傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)約為50 kg/m2.較小的自重可有效降低結(jié)構(gòu)的水平地震作用，加上合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式，因而具有較好的抗震性能；同時(shí)自重的減輕對(duì)地基承載力要求也相應(yīng)降低，可減少地基基礎(chǔ)造價(jià).

2)建筑設(shè)計(jì)美觀、空間利用率高.墻板結(jié)構(gòu)四壁規(guī)整，可按用戶的需求設(shè)計(jì)出色彩鮮艷、立面豐富、具有現(xiàn)代化氣息的建筑.管線暗埋于墻體及樓層結(jié)構(gòu)中，日后檢修與維護(hù)簡(jiǎn)單.墻體厚度小，房屋利用率較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高5%～7%.

3)住宅的居住舒適性高.冷彎薄壁型鋼住宅采用新型建筑材料，防潮、防霉、防蟲蛀、不助燃，居住環(huán)境衛(wèi)生健康，隔熱和隔聲性能好，是良好的宜居場(chǎng)所.

4)施工便利、環(huán)保、周期短.工地施工主要為構(gòu)件的安裝.一般3層住宅建筑，從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到施工安裝完畢僅需一個(gè)月左右時(shí)間.

5)節(jié)能、節(jié)地、節(jié)材.所采用的主要結(jié)構(gòu)材料是冷彎薄壁型鋼，用鋼量少，且鋼材可回收利用；組合墻體所用的墻架鋼柱、保溫棉、石膏板取代了中國(guó)村鎮(zhèn)大量使用的實(shí)心粘土磚，減少了水泥的使用，節(jié)約了不可再生資源.此外，這種輕自重的結(jié)構(gòu)體系可建設(shè)在坡地、劣地，節(jié)約了土地資源.

6)有利于住宅產(chǎn)業(yè)化.冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)拼裝，所用構(gòu)件可實(shí)行模數(shù)化設(shè)計(jì)、工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、市場(chǎng)化采購(gòu)，配套性好，避免了現(xiàn)場(chǎng)人工制作對(duì)質(zhì)量的影響，有利于推動(dòng)住宅建筑向工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展.

目前，低層冷成型鋼房屋建筑結(jié)構(gòu)在歐美、澳洲、日本等國(guó)家得到廣泛應(yīng)用，主要用于別墅及三層以下公寓類型房屋.近十余年，多種形式的四至八層多層冷成型鋼結(jié)構(gòu)建筑在北美日益增多，在2008年北美鋼框架聯(lián)盟(NASFA)10周年慶祝大會(huì)上，理事會(huì)主席Don Moody 亦指出今后十年NASFA發(fā)展方向即包括多層冷成型鋼房屋建筑結(jié)構(gòu).可見(jiàn)，多層冷成型鋼房屋建筑是目前國(guó)際冷成型鋼領(lǐng)域的重要研究、應(yīng)用與發(fā)展方向.

由于歷史原因，鋼結(jié)構(gòu)過(guò)去在中國(guó)一直被認(rèn)為是工程造價(jià)高、設(shè)計(jì)施工復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)體系.住建部在2000年左右開(kāi)始推廣低層冷成型鋼房屋建筑，但應(yīng)用僅局限于少量別墅，總體效果不夠理想.分析其原因可能是：

1)中國(guó)人口眾多，土地資源緊缺，多層及小高層住宅是目前中國(guó)住宅產(chǎn)業(yè)需求量最大的建筑形式，更適合中國(guó)國(guó)情.

2)國(guó)內(nèi)在滿足冷成型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及使用功能的高性能建筑板材以及高強(qiáng)度、低厚度冷成型鋼構(gòu)件方面產(chǎn)量不足，不能形成規(guī)模效應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)造價(jià)偏高.

3)國(guó)內(nèi)冷成型鋼研究滯后，導(dǎo)致現(xiàn)行規(guī)范在冷成型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)層面相對(duì)落后.

中國(guó)目前正處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展階段，資源消耗嚴(yán)重，環(huán)境惡化壓力巨大，發(fā)展綠色建筑已被列為國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要中重點(diǎn)領(lǐng)域中的優(yōu)先主題，而冷成型鋼結(jié)構(gòu)是天然的綠色建筑，也是天然的工業(yè)化建筑.

然而，將低層冷成型鋼結(jié)構(gòu)體系拓展到多層結(jié)構(gòu)，將面臨諸多技術(shù)難點(diǎn).對(duì)此，本課題組從2003年開(kāi)始對(duì)多層冷成型鋼結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行研究，提出了多層輕鋼(冷成型鋼)龍骨式復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)體系，并對(duì)其抗側(cè)、抗火等基礎(chǔ)理論問(wèn)題展開(kāi)系統(tǒng)試驗(yàn)與理論研究.下面針對(duì)這三方面內(nèi)容結(jié)合國(guó)內(nèi)外同行及本課題組的最新研究進(jìn)展進(jìn)行闡述.

1新型多層冷成型鋼房屋建筑結(jié)構(gòu)體系

將低層冷成型鋼房屋建筑結(jié)構(gòu)體系擴(kuò)展至多層結(jié)構(gòu)存在以下技術(shù)問(wèn)題：

1)成倍增大的豎向荷載導(dǎo)致常用的單根C型墻體龍骨立柱難以滿足承載力要求.

2)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系難以滿足中國(guó)現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的多層結(jié)構(gòu)抗剪及抗傾覆要求.由于低層冷成型鋼房屋建筑結(jié)構(gòu)的上、下層組合墻體不連續(xù)，構(gòu)造上通常在上、下層組合墻體之間加設(shè)抗拔錨栓.但在多層建筑結(jié)構(gòu)中，伴隨著房屋高度增加，由于錨拴處的變形而引起的墻體整體轉(zhuǎn)動(dòng)變形不可忽略，并將明顯降低結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度及承載力.

3)低層冷成型鋼房屋建筑中普遍采用的冷成型鋼托梁-OSB板(定向刨花板)組合樓蓋由于剛度偏小，存在振動(dòng)、隔音等使用功能問(wèn)題，在分戶式多層房屋建筑中不適用.

4)現(xiàn)有的冷成型鋼組合墻體及樓蓋形式不能滿足中國(guó)多層建筑結(jié)構(gòu)嚴(yán)格的建筑構(gòu)件耐火要求.實(shí)際工程中的低層冷成型鋼房屋建筑結(jié)構(gòu)，其常用組合墻體耐火時(shí)間不足40 min，遠(yuǎn)低于中國(guó)建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范的多層普通民用建筑承重墻至少三級(jí)(120 min)耐火極限要求.此外，OSB板、膠合板具有可燃性，在多層冷成型鋼房屋建筑中不可作為承重墻體及樓蓋的覆面板材使用.

因此，低層冷成型鋼房屋建筑結(jié)構(gòu)體系不能直接應(yīng)用于多層建筑結(jié)構(gòu)，而多層冷成型鋼房屋的結(jié)構(gòu)形式一般可采取以下兩種方案：

1)采用普通熱軋型鋼框架或框架支撐結(jié)構(gòu)作為主結(jié)構(gòu)，將低層冷成型鋼房屋建筑結(jié)構(gòu)體系中的各部件僅作為填充墻體、樓面及屋面等次結(jié)構(gòu)，形成熱軋型鋼與冷成型鋼的混合結(jié)構(gòu)體系.

2)對(duì)低層冷成型鋼房屋建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行體系改進(jìn)，使之在豎向承載、抗震、抗火等多方面性能得以強(qiáng)化、提升，最終拓展至多層建筑領(lǐng)域.

綜合分析，第二種方案能夠充分發(fā)揮冷成型鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，且經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)于第一種方案.近幾年，在北美地區(qū)已建的多層冷成型鋼房屋建筑多采取第二種方案，且主要用于住宅、公寓、辦公樓及旅館等商用房屋，見(jiàn)圖1.然而，圖1中冷成型鋼建筑在中國(guó)并不適用，且并非多層冷成型鋼房屋結(jié)構(gòu)的最合理形式，主要體現(xiàn)在：

1)其承重組合墻體具有60～80 min的耐火性能，滿足北美地區(qū)多層建筑承重墻60 min耐火極限要求，卻遠(yuǎn)低于中國(guó)建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范的耐火極限要求.

2)其樓蓋結(jié)構(gòu)采用冷成型鋼托梁-壓型鋼板現(xiàn)澆鋼筋混凝土的樓蓋形式，施工現(xiàn)場(chǎng)存在大量現(xiàn)澆鋼筋混凝土作業(yè)，喪失了冷成型鋼結(jié)構(gòu)高度預(yù)制裝配化、施工速度快、環(huán)境污染少等特點(diǎn).部分北美已建多層冷成型鋼建筑還有采用預(yù)制空心板樓蓋形式，從抗震角度在中國(guó)亦不適用.

圖1　北美多層冷成型鋼房屋建筑

鑒于此，針對(duì)前述將低層冷成型鋼建筑結(jié)構(gòu)體系擴(kuò)展至多層結(jié)構(gòu)存在的4個(gè)技術(shù)問(wèn)題，本課題通過(guò)體系與主要部件2個(gè)層面的改進(jìn)，提出了多層冷成型鋼龍骨式復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)體系.其中，在體系層面的改進(jìn)措施：

1)提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件豎向承載力——各樓層復(fù)合墻體的冷成型鋼龍骨立柱可根據(jù)其豎向荷載水平分別采用單C、雙拼或三拼C型截面形式.

2)采取若干措施提升結(jié)構(gòu)整體性及抗側(cè)性能——其中包括在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位設(shè)置豎向連續(xù)的方鋼管輕質(zhì)混凝土柱代替C型龍骨立柱(圖2)，這是與傳統(tǒng)冷成型鋼復(fù)合墻體的顯著區(qū)別.

圖2　具有連續(xù)方鋼管邊柱的組合墻體

在主要部件層面的改進(jìn)措施：

1)提出新型樓蓋形式——冷成型鋼托梁龍骨-ALC板(蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板)組合樓蓋(圖3).新型樓蓋在滿足樓蓋剛度以及振動(dòng)、隔音等使用功能要求方面，與傳統(tǒng)鋼筋混凝土樓蓋無(wú)明顯區(qū)別，滿足中國(guó)規(guī)范相關(guān)耐火要求(本文第2節(jié)).

2)提出新型組合墻體——帶夾心墻板單元的輕鋼龍骨式復(fù)合墻體(圖4)，可提高復(fù)合墻體抗側(cè)性能(本文第3節(jié))，并滿足中國(guó)規(guī)范的多層結(jié)構(gòu)承重墻耐火要求(本文第2節(jié))，同時(shí)，有效簡(jiǎn)化了組合墻體的施工工序.

圖3　新型冷成型鋼托梁龍骨-ALC板組合樓蓋結(jié)構(gòu)

多層輕鋼龍骨式復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)體系的各樓層混凝土面層及方鋼管內(nèi)混凝土均采用輕質(zhì)自密實(shí)混凝土，而該體系的其余部分均可實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)拼裝，并且可大量使用輕質(zhì)環(huán)保節(jié)能材料.本體系包括龍骨立柱、復(fù)合墻體、組合樓蓋等所有構(gòu)件均參與受力，是一種高效的結(jié)構(gòu)體系，可以獲得顯著經(jīng)濟(jì)指標(biāo).

圖4　帶有夾心墻板單元的輕鋼龍骨式復(fù)合墻體

2新型多層冷成型鋼結(jié)構(gòu)抗火研究

2.1冷成型鋼結(jié)構(gòu)主要組成材料及連接件高溫力學(xué)性能

冷成型鋼結(jié)構(gòu)的主要組成材料包括冷成型鋼構(gòu)件、建筑板材及填充材料等，各組成材料的高溫力學(xué)性能是進(jìn)行冷成型鋼結(jié)構(gòu)抗火問(wèn)題熱力耦合研究的基本輸入?yún)?shù).由于冷成型鋼截面厚度小，熱傳導(dǎo)速率高，同時(shí)材料冷加工特性隨溫度升高逐漸消失，導(dǎo)致其高溫力學(xué)性能降低程度快于熱軋型鋼，故現(xiàn)行各國(guó)規(guī)范中的熱軋型鋼高溫力學(xué)特性曲線及公式對(duì)冷成型鋼并不適用.同時(shí)，歐洲規(guī)范(EC3 part1.2)與英國(guó)規(guī)范(BS5950)的冷成型鋼高溫材性建議曲線均基于熱軋型鋼研究結(jié)果，缺乏足夠合理性.冷成型鋼結(jié)構(gòu)常用建筑板材包括OSB板、石膏板、玻鎂板及硅酸鈣板等，其常用連接件包括冷成型鋼構(gòu)件間的自攻螺釘連接件以及冷成型鋼構(gòu)件與建筑板材間的自攻螺釘連接件.目前，冷成型鋼、建筑板材及其連接件的高溫力學(xué)性能大多通過(guò)試驗(yàn)獲得，國(guó)內(nèi)外尚未有規(guī)范對(duì)其做出明確規(guī)定.

試驗(yàn)方法主要分兩種：穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)方法(恒溫加載)和瞬態(tài)試驗(yàn)方法(恒載升溫).國(guó)內(nèi)外均有學(xué)者對(duì)多種類型鋼材的高溫力學(xué)性能進(jìn)行穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)研究，但是，限于試驗(yàn)設(shè)備條件，以及不同地區(qū)冷成型鋼材料差異性，導(dǎo)致這些試驗(yàn)不夠理想且試驗(yàn)結(jié)果相互差異明顯.對(duì)于瞬態(tài)試驗(yàn)，僅有少量學(xué)者涉及[1-3]，但并未給出基于瞬態(tài)試驗(yàn)的鋼材高溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及高溫極限強(qiáng)度折減系數(shù)曲線.此外，上述研究均針對(duì)冷成型鋼平板部位，而其轉(zhuǎn)角部位由于冷彎效應(yīng)，常溫與高溫材料特性均與平板部位有所不同.但是，國(guó)內(nèi)外目前對(duì)冷成型鋼轉(zhuǎn)角部位的相關(guān)研究明顯不足[1,4].

本課題組針對(duì)國(guó)內(nèi)常用的Q345、G550冷成型鋼進(jìn)行了200余次高溫穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)試驗(yàn)，定量比較了Q345及G550冷成型鋼瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果、平板與轉(zhuǎn)角部位的差異性，在此基礎(chǔ)上，最終提出了統(tǒng)一的高溫材性折減系數(shù)表達(dá)式及應(yīng)變-應(yīng)變本構(gòu)模型[5-8].

對(duì)于建筑板材及連接件，已有研究大多針對(duì)其常溫力學(xué)特性，尚未發(fā)現(xiàn)常用建筑板材高溫力學(xué)性能研究文獻(xiàn)，僅有極少文獻(xiàn)進(jìn)行了少量冷成型鋼(不銹鋼)的螺栓連接件、自攻螺釘連接件及射釘連接件高溫穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)[9-11]，試驗(yàn)表明現(xiàn)行北美、澳洲及歐洲規(guī)范的連接件常溫計(jì)算公式在考慮了鋼材高溫材性折減后，對(duì)連接件高溫極限承載力估計(jì)仍過(guò)于保守.

2.2冷成型鋼承重組合墻體、組合樓蓋抗火試驗(yàn)

冷成型鋼承重組合墻體是冷成型結(jié)構(gòu)主要豎向承重及抗側(cè)部件.火災(zāi)情況下，墻體通常為單側(cè)受火，因此冷成型鋼墻體立柱溫度會(huì)呈現(xiàn)明顯不均勻分布，由此產(chǎn)生溫度彎曲(向受火墻體側(cè)彎曲變形)及中性軸偏移，伴隨著材料高溫力學(xué)特性折減，組合墻體承載力較常溫情況將明顯下降.中國(guó)現(xiàn)行建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(GB50016)規(guī)定3至5層普通民用建筑承重墻不應(yīng)低于三級(jí)耐火要求，耐火極限120 min(4至9層住宅建筑的防火要求可按現(xiàn)行住宅建筑規(guī)范GB50368的規(guī)定執(zhí)行，其承重墻耐火極限為90 min)；單、多層重要公共建筑承重墻的耐火等級(jí)不應(yīng)低于二級(jí)，耐火極限150 min，遠(yuǎn)高于美國(guó)、加拿大等國(guó)家的多層民用建筑承重墻60 min耐火極限要求.

國(guó)內(nèi)外冷成型鋼組合墻體抗火研究主要集中在最近十幾年，且多為試驗(yàn)研究.其中，國(guó)內(nèi)部分建筑廠商在天津消防所進(jìn)行了冷成型鋼承重組合墻體耐火檢驗(yàn)，最長(zhǎng)耐火時(shí)間為78 min，試件首先發(fā)生完整性破壞，未充分發(fā)揮建筑板材的耐火性能；國(guó)外則已進(jìn)行了較多冷成型鋼承重組合墻體耐火試驗(yàn)，但大多只針對(duì)以(防火)石膏板作為覆面墻板的冷成型鋼承重墻體，難以滿足中國(guó)規(guī)范防火要求，即使采用兩側(cè)各三層15 mm厚防火石膏板組合墻體能夠滿足中國(guó)規(guī)范防火要求(其耐火時(shí)間136 min)[12]，但由于石膏板層數(shù)過(guò)多造成的建筑成本增大及施工的明顯不便，亦會(huì)限制多層冷成型鋼結(jié)構(gòu)在中國(guó)的推廣應(yīng)用.

為了有效提高該類墻體耐火極限，課題組完成了十余片新型冷成型鋼承重組合墻體足尺耐火試驗(yàn)(圖5)[13-14]，同時(shí)考查了墻板類型、填充層及荷載水平等因素對(duì)墻體耐火性能的影響.發(fā)現(xiàn)：(1)墻體呈現(xiàn)3種破壞模式(圖6)，即立柱向受火側(cè)彎曲屈曲同時(shí)伴隨中部高度處冷翼緣局部屈曲(F-Lcold)、距柱頂600～900 mm處熱翼緣局部屈曲導(dǎo)致立柱向背火側(cè)彎曲-畸變相關(guān)屈曲(Lhot-FD)、立柱頂端由局部屈曲引起的全截面壓屈破壞(LC)；(2)不同荷載水平可能造成墻體產(chǎn)生不同的破壞模式，進(jìn)而影響其耐火時(shí)間；(3)硅酸鋁棉外填充層的設(shè)置可明顯延緩墻體龍骨立柱升溫，大幅度提高復(fù)合墻體耐火時(shí)間；(4)絕大多數(shù)墻體試件首先發(fā)生承載力破壞，建筑板材的耐火性能得以充分發(fā)揮，極少數(shù)墻體發(fā)生完整性破壞，說(shuō)明新型墻體構(gòu)造合理.其中，該類墻體在65%軸向極限荷載水平下的最長(zhǎng)耐火時(shí)間達(dá)到165 min，而前文提到的國(guó)外最長(zhǎng)耐火時(shí)間136 min的墻體，其荷載水平不但低于本課題組墻體試驗(yàn)荷載而且低于正常使用荷載水平，同時(shí)墻板厚度也大于本課題組的新型墻體.

冷成型鋼組合樓蓋是冷成型鋼結(jié)構(gòu)主要豎向荷載傳遞部件.由于冷成型鋼組合樓蓋具有組合梁工作特性，因此應(yīng)至少滿足中國(guó)現(xiàn)行建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(GB50016)及住宅建筑規(guī)范(GB50368)的多層民用建筑的梁構(gòu)件三級(jí)耐火極限要求(60 min).火災(zāi)條件下，冷成型鋼托梁受樓板及吊頂板保護(hù)，托梁截面溫度亦呈現(xiàn)明顯不均勻分布.僅有少量文獻(xiàn)涉及冷成型鋼組合樓蓋抗火試驗(yàn)研究[15-16]，但大多針對(duì)冷成型鋼托梁-OSB板(膠合板)組合樓蓋或存在大量現(xiàn)澆作業(yè)的冷成型鋼托梁-壓型鋼板現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋.如前所述，上述樓蓋形式在分戶式多層房屋建筑中不適用.

圖5　冷成型鋼承重復(fù)合墻體足尺耐火試驗(yàn)

圖6　火災(zāi)下承重組合墻體3種屈曲破壞模式

課題組針對(duì)圖3所示的新型冷成型鋼組合樓蓋，完成了近十片足尺耐火試驗(yàn)，考查了吊頂板材類型、填充層及荷載水平等因素對(duì)樓蓋耐火性能的影響[17].發(fā)現(xiàn)：(1)組合樓蓋的破壞模式與均布靜載下簡(jiǎn)支板的變形形態(tài)相一致；(2)與承重組合墻體不同，組合樓蓋的破壞模式不隨荷載水平而變化；(3)外置填充層對(duì)樓蓋抗火不利，但內(nèi)置巖棉填充層可將組合樓蓋的耐火時(shí)間延長(zhǎng)10%以上.課題組所提出的新型組合樓蓋，各試件耐火時(shí)間均大于60 min，其中包括書庫(kù)(5.0 kN/m2)等高樓面荷載工況.

2.3冷成型鋼組合墻體、組合樓蓋抗火簡(jiǎn)化理論

冷成型鋼組合墻體、樓蓋的抗火理論研究主要涉及瞬態(tài)傳熱及熱-力耦合分析.

目前，冷成型鋼組合墻體、組合樓蓋抗火研究的常用計(jì)算分析方法為有限元方法及簡(jiǎn)化理論模型方法，其中有限元方法計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)、效率較低.為進(jìn)一步提高計(jì)算效率，部分學(xué)者分別通過(guò)顯式有限差分方法以及串并聯(lián)熱阻能量方程方法預(yù)測(cè)組合墻體橫截面溫度分布情況[18]，但存在以下不足：(1)顯式差分方法收斂準(zhǔn)則較為嚴(yán)格，對(duì)于部分建筑材料將難以收斂；(2)串并聯(lián)熱阻能量方程方法精度偏低.

在熱-力耦合分析方面，部分學(xué)者分別通過(guò)對(duì)歐洲ENV1993規(guī)范建議公式、北美AISI規(guī)范的直接強(qiáng)度法計(jì)算公式進(jìn)行修正，以此用于冷成型鋼承重組合墻體單側(cè)受火計(jì)算[19-20]，其不足之處在于：(1)修正公式計(jì)算過(guò)程繁瑣，且計(jì)算結(jié)果為構(gòu)件高溫極限承載力，而不是實(shí)際工程更為關(guān)心的耐火時(shí)間，不便工程設(shè)計(jì)使用；(2)冷成型鋼組合墻體受火破壞模式已較常溫情況發(fā)生明顯改變，但其仍沿用墻體常溫屈曲計(jì)算思路，物理意義不明確；(3)計(jì)算過(guò)程中無(wú)法考慮構(gòu)件由于溫度彎曲變形引起的二階P-△效應(yīng)，而其在墻體的側(cè)向變形所占比重以及對(duì)墻體破壞模式的影響都非常重要，由此導(dǎo)致墻體高溫極限承載力計(jì)算結(jié)果精度不夠理想.

為了提高冷成型鋼組合墻體、樓蓋的抗火分析精度與計(jì)算效率，課題組提出了瞬態(tài)傳熱簡(jiǎn)化模型——隱式差分模型[21-23](圖7).該模型可考慮各層覆面板材隨溫度變化的不同熱物理特性(包括受火過(guò)程中脫水、分解及水蒸氣移動(dòng)現(xiàn)象)及板材脫落影響.課題組還提出了熱力耦合簡(jiǎn)化理論模型[20-22](圖8).模型將問(wèn)題簡(jiǎn)化為輕鋼龍骨在不均勻溫度、荷載下的二階分析問(wèn)題，可以考慮截面材料不均勻熱物理特性、強(qiáng)幾何非線性、中性軸偏移等.利用上述模型，組合墻體、樓蓋破壞模式模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，耐火時(shí)間估算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比整體偏于安全，相對(duì)誤差在15%以內(nèi).此外，課題組還利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行了墻體耐火數(shù)值模擬，模擬過(guò)程一般需要花費(fèi)幾個(gè)甚至十幾小時(shí)，而采用熱力耦合模型僅需幾秒鐘即可完成求解.特別是，熱力耦合模型的時(shí)間-側(cè)向變形曲線計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果整體亦較為吻合，由此大幅度提高了該類墻體及樓蓋的耐火計(jì)算分析效率.

圖7　冷成型鋼復(fù)合墻體有限差分傳熱模型

圖8　冷成型鋼復(fù)合墻體熱-力耦合簡(jiǎn)化理論模型

3新型多層冷成型鋼結(jié)構(gòu)抗側(cè)研究

3.1多層冷成型鋼龍骨式復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)體系抗震特點(diǎn)

地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)和震害調(diào)查表明，低層冷成型鋼房屋具有良好的抗震性能，9度罕遇地震下一般不會(huì)出現(xiàn)整體倒塌.但多層輕鋼龍骨式復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)，隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，P-Δ效應(yīng)將加?。煌瑫r(shí)，輕鋼龍骨式復(fù)合墻體在各樓層處上、下構(gòu)造不連續(xù)，由此會(huì)明顯降低結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力，導(dǎo)致震害程度和破壞概率大大增加.

輕鋼龍骨式復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理與延性的框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)不同，也和采用脆性材料的砌體房屋結(jié)構(gòu)不同.前文已提到，輕鋼龍骨式復(fù)合墻體在各層的不連續(xù)會(huì)明顯降低結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力，因此，單純從墻體抗剪強(qiáng)度角度低于砌體結(jié)構(gòu).另一方面，復(fù)合墻體中的C形和U形輕鋼龍骨立柱壁厚多為2 mm以下，截面板件寬厚比大，水平荷載作用下易在構(gòu)件端部受壓區(qū)域發(fā)生屈曲破壞.大量單層石膏板(或OSB板)龍骨復(fù)合墻體的滯回曲線多為反S形和Z形[24-25]，曲線形狀不飽滿，“捏攏”現(xiàn)象明顯，說(shuō)明墻板的延性和吸收地震能量的能力較差，因而無(wú)法像框架結(jié)構(gòu)或剪力墻結(jié)構(gòu)形成理想塑性屈服機(jī)制.綜上，多層輕鋼龍骨式復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)是介于延性與脆性結(jié)構(gòu)之間的一種新型結(jié)構(gòu)體系.

3.2多層輕鋼龍骨式復(fù)合墻體抗剪性能

國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍采用低周反復(fù)抗剪足尺試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究輕鋼龍骨式復(fù)合墻體的抗剪性能，并以實(shí)驗(yàn)手段為主.大量的試驗(yàn)集中于單層墻體，試驗(yàn)墻體分為單面覆板和雙面覆板，墻板種類包括波紋鋼板、OSB板、石膏板和膠合板等.試驗(yàn)結(jié)果非常一致，即：墻板對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度和承載力起主要作用；立柱間距對(duì)墻體抗剪性能影響不大；墻體滯回曲線形狀不飽滿，曲線基本呈反S 形或者Z形，滯回曲線滑移及“捏攏”現(xiàn)象明顯，結(jié)構(gòu)的耗能機(jī)制主要是通過(guò)鋼龍骨與覆面板之間的相對(duì)變形，墻板吸收地震能量能力較差.

本課題組針對(duì)圖4所示墻體形式，進(jìn)行了50余片的單層、雙層及三層低周反復(fù)抗剪足尺試驗(yàn)(圖9).發(fā)現(xiàn)[26-30]：(1)破壞模式與普通雙拼邊柱墻體明顯不同.對(duì)于多層結(jié)構(gòu)，邊柱穩(wěn)定尤為重要，且因抗拔螺栓與螺栓孔的間隙帶來(lái)的相鄰墻體之間的相對(duì)側(cè)向變形同樣不容忽視.一旦墻板失效，傳統(tǒng)的雙拼C型邊柱很容易被壓屈(圖10(a))，進(jìn)而導(dǎo)致整片墻體的失效；采用方鋼管混凝土邊柱則可同時(shí)解決邊柱穩(wěn)定和抗拔問(wèn)題(圖10(b))，因?yàn)槠渥陨矸€(wěn)定性能大大提升，且能有效抑制螺釘傾斜.墻體破壞時(shí)，邊柱螺釘被剪斷，但除墻板周邊螺釘外的其余螺釘無(wú)明顯變形，保證了失去周邊螺釘約束的墻板仍可發(fā)揮蒙皮受力作用；當(dāng)邊柱剛度足夠大時(shí)，上下層通長(zhǎng)的方鋼混凝土邊柱可保持穩(wěn)定并為墻體提供除墻板以外的另一道安全防線，從而進(jìn)一步提升了加強(qiáng)型墻體的安全性能；(2)新型墻體的抗剪承載力可較普通墻體提高30%～50%.雖然各試驗(yàn)墻體的材料、龍骨截面尺寸和螺釘間距均存在一定差異，但總體來(lái)說(shuō)，采用方鋼管混凝土柱作為墻體邊柱可顯著提高冷成型鋼組合墻體的抗剪承載力；(3)與普通型邊柱墻體相比，采用方鋼管混凝土邊柱可顯著提高墻體的彈性抗側(cè)剛度，且墻體屈服后表現(xiàn)出較好的耗能能力.這是由于柱內(nèi)混凝土對(duì)螺釘尾部約束較強(qiáng)，降低了螺釘?shù)膬A斜幅度，從而減小了墻體的側(cè)向變形、提高了墻體的抗變形能力.組合墻體的耗能機(jī)制主要是螺釘連接件及立柱的變形，墻體屈服后，鋼管混凝土邊柱改善了墻體的側(cè)向變形，使墻體內(nèi)部螺釘變形得以充分開(kāi)展，提高了墻體的耗能能力；(4)提出了開(kāi)洞墻體抗剪承載力簡(jiǎn)化計(jì)算方法.冷成型鋼組合墻體主要通過(guò)墻板與骨架經(jīng)螺釘連接后產(chǎn)生的蒙皮效應(yīng)抵抗水平荷載，墻體開(kāi)洞削弱了這種作用.開(kāi)洞面積越大，墻體抗剪承載力越小，且與洞口位置有關(guān).美國(guó)AISI規(guī)范采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)傳統(tǒng)開(kāi)洞墻體的抗剪承載力進(jìn)行估算，但計(jì)算結(jié)果偏保守.課題組將洞口兩側(cè)及洞口上部墻體等效為組合柱和連梁，提出了新型墻體開(kāi)洞后的抗剪承載力簡(jiǎn)化計(jì)算方法，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，簡(jiǎn)化方法不但適用于單層開(kāi)洞墻體的抗剪承載力計(jì)算，還可用于計(jì)算多層開(kāi)洞墻體的底層剪力，且計(jì)算精度理想.

4新型多層冷成型鋼結(jié)構(gòu)體系尚需研究的問(wèn)題

4.1整體結(jié)構(gòu)抗火

一般結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，只有部分構(gòu)件受熱，且受熱構(gòu)件之間以及受熱構(gòu)件與非受熱構(gòu)件之間相互影響，因此采用單獨(dú)構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)試驗(yàn)的方法分析實(shí)際結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的性能不夠精確.為了達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)的防火設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要對(duì)火災(zāi)下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析.

圖9　雙層組合墻體抗剪試驗(yàn)

圖10　雙拼邊柱與方鋼管混凝土邊柱破壞模式對(duì)比

由于造價(jià)昂貴，目前整體結(jié)構(gòu)火災(zāi)試驗(yàn)很少[31-33].文獻(xiàn)[30]提及了著名的Cardington火災(zāi)試驗(yàn)，該試驗(yàn)使人們對(duì)輕鋼工業(yè)廠房的實(shí)際抗火能力有了全新認(rèn)識(shí)，并為該類結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù).目前缺少多層輕鋼房屋整體結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)火災(zāi)試驗(yàn).通過(guò)建立分析模型進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬的方法亦是研究結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)的重要手段.冷成型鋼結(jié)構(gòu)通常含有幾百上千根龍骨，同時(shí)大片的墻板及自攻螺釘連接件對(duì)冷成型鋼骨架的約束作用不可忽略，導(dǎo)致冷成型鋼整體結(jié)構(gòu)數(shù)值模型較傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)復(fù)雜許多.大量文獻(xiàn)涉及鋼框架整體結(jié)構(gòu)抗火數(shù)值模擬，甚至包括火災(zāi)誘發(fā)的結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌過(guò)程仿真，僅有極少量文獻(xiàn)涉及冷成型鋼整體結(jié)構(gòu)抗火數(shù)值模擬，其中，文獻(xiàn)[34]采用美國(guó)GSA和DOD綱要中的線彈性分析方法對(duì)一棟3層冷成型鋼結(jié)構(gòu)兵營(yíng)進(jìn)行彈性受火倒塌分析.該方法可避免整體結(jié)構(gòu)模型中部分構(gòu)件進(jìn)入塑性后引起的數(shù)值計(jì)算收斂困難問(wèn)題，但計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性難以保證.尚未檢索到冷成型鋼整體結(jié)構(gòu)受火彈塑性連續(xù)倒塌數(shù)值模擬研究文獻(xiàn).

4.2地震下抗倒塌相關(guān)設(shè)計(jì)理論與方法

中國(guó)低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程(JGJ227—2011)未給出罕遇地震下抗倒塌設(shè)計(jì)方法.美國(guó)AISI協(xié)會(huì)于2013年3月20日批準(zhǔn)編制AISI S400, North American Standard for Seismic Design of Cold-Formed Steel Structural Systems，該標(biāo)準(zhǔn)已與2016年2月1日正式公布實(shí)施，相關(guān)設(shè)計(jì)理論在我國(guó)的適用性尚需驗(yàn)證.

中國(guó)現(xiàn)行抗震規(guī)范GB 50011—2010給出了多層鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋“大震不倒”的驗(yàn)算方法和彈塑性層間位移角限值.但前文已述，多層輕鋼龍骨式復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)由于材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系均存在獨(dú)特之處，罕遇地震下的失效機(jī)理和破壞模式勢(shì)必與上述鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)不同，故無(wú)法照搬其抗倒塌設(shè)計(jì)方法.

5結(jié)論

中國(guó)人口眾多，土地資源緊張，又是世界上地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，因此發(fā)展多層冷成型鋼房屋建筑更加符合中國(guó)國(guó)情.將在北美、澳洲、日本等廣泛應(yīng)用的低層冷成型鋼結(jié)構(gòu)體系拓展至多層結(jié)構(gòu)，本文指出了4個(gè)主要技術(shù)難點(diǎn).在此基礎(chǔ)上，介紹了一種新型多層輕鋼結(jié)構(gòu)體系，即多層冷成型鋼龍骨式復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)體系及其兩個(gè)重要部件(冷成型鋼托梁龍骨-ALC板組合樓蓋、帶有夾心墻板單元的輕鋼龍骨式復(fù)合墻體)，并針對(duì)該新型體系的抗側(cè)、抗火等基礎(chǔ)理論問(wèn)題，闡述了課題組研究進(jìn)展及國(guó)內(nèi)外同行的相關(guān)研究工作.最后，從宏觀角度指出了該新型體系尚需開(kāi)展的研究工作.

致謝

感謝我的學(xué)生們?cè)诖宋乃峒暗难芯砍晒兴龅呢暙I(xiàn)，他們是：陳偉博士、王星星博士生、江力強(qiáng)博士生、賈鴻遠(yuǎn)碩士、彭貝碩士、劉巍碩士、尹亮碩士、汪正流碩士、趙孟圓碩士、趙明月碩士生、許陽(yáng)碩士生、于強(qiáng)碩士生.

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(編輯趙麗瑩)

An introduction of mid-rise thin-walled steel structuresResearch progress on cold-formed steel framed composite shear wall systems

YE Jihong

(Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures (Southeast University), Ministry of Education, 210018 Nanjing, China)

Abstract:Cold-formed steel structures are natural green and industrialized buildings. Due to the large population, shortage of land resource, as well as serious earthquake disasters, the development of mid-rise cold-formed steel structure becomes very consistent with Chinese national conditions. At present, there are four major technical difficulties existed in the expansion of low-rise cold-formed steel structure systems to mid-rise buildings. Based on the investigation and improvement on the structure system and major components, a new mid-rise cold-formed steel framed composite shear wall structure system was proposed, and two important components of the new structure system were developed, including a composite floor system combining cold-formed steel joists with autoclaved lightweight concrete slabs and cold-formed steel shear wall with sandwich panel units. This paper also reviewed our and other researchers’ latest investigation on some fundamental theory problems, such as the lateral and fire resistances of the new structure system et al. Finally, the author points out some research work need to be conducted for the new structure system from a macroscopic perspective.

Keywords:cold-formed steel structures; mid-rise cold-formed steel framed composite shear wall structure system; seismic resistance; fire resistance；research progress

中圖分類號(hào):TU392.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0367-6234(2016)06-0001-09

通信作者:葉繼紅，yejihong@seu.edu.cn.

作者簡(jiǎn)介:葉繼紅(1967—)，女，教授，博士生導(dǎo)師.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51538002).

收稿日期:2016-02-23.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.06.001