不同蒙皮結(jié)構(gòu)下輕鋼龍骨的抗側(cè)性能試驗(yàn)研究

文獻(xiàn)民，王曉君

(浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，杭州 310023)

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不同蒙皮結(jié)構(gòu)下輕鋼龍骨的抗側(cè)性能試驗(yàn)研究

文獻(xiàn)民，王曉君

(浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，杭州 310023)

對(duì)帶有不同支撐形式、采用不同墻板材料的組合墻體的抗側(cè)性能進(jìn)行研究，即采用1∶2單片墻體建立6個(gè)具有不同支撐形式的輕鋼龍骨墻體模型，分別對(duì)其抗側(cè)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：在這3種不同結(jié)構(gòu)形式的模型中，輕鋼龍骨帶角支撐結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)力最高，輕鋼龍骨骨架結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)力最低，輕鋼龍骨帶斜支撐結(jié)構(gòu)體系位于兩者之間；鋼絲網(wǎng)對(duì)帶支撐的輕鋼龍骨墻體的抗側(cè)力有一定的作用；對(duì)同一種支撐形式的輕鋼龍骨墻體,涂抹水泥砂漿的組合墻體抗側(cè)力明顯高于覆OSB板的組合墻體。

帶支撐的輕鋼龍骨墻體；角支撐體系；斜支撐體系；抗側(cè)性能

隨著中國輕鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，國內(nèi)出現(xiàn)了許多輕型鋼結(jié)構(gòu)，其中的輕鋼龍骨組合墻體因其抗側(cè)性能、節(jié)能效果出眾而涌現(xiàn)。由立龍骨柱、天地龍骨和自攻螺釘?shù)葮?gòu)成的輕鋼龍骨墻體是最簡單的墻體，龍骨骨架與墻體覆面板(水泥砂漿或OSB)通過拉鉚釘組合在一起,形成了較為堅(jiān)固的輕鋼龍骨復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)體系。輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)的構(gòu)件通常由冷彎薄壁型鋼組成,構(gòu)件較小,構(gòu)件與構(gòu)件之間采用拉鉚釘?shù)姆绞竭B接,施工現(xiàn)場多采用干作業(yè),因其具有安裝簡便、施工快捷的優(yōu)勢,在低層住宅方面具有很大的發(fā)展?jié)摿1]，故在中國應(yīng)用推廣這種新型的結(jié)構(gòu)體系，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。國內(nèi)外對(duì)輕鋼龍骨組合墻體的抗剪性能做了大量的研究[2-15],認(rèn)為影響輕鋼龍骨組合墻體承載力的因素有很多，找到符合實(shí)際需要的結(jié)構(gòu)形式及使用方法，就可以促進(jìn)對(duì)輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)的研究及合理使用。目前國內(nèi)主要針對(duì)不同形式的冷彎薄壁型鋼組合墻體的水平抗側(cè)性能開展試驗(yàn)研究和理論分析，而對(duì)帶有不同支撐形式[6]的組合墻體和采用不同墻板布置方式的組合墻體的抗側(cè)性能的分析研究較少，故本研究采用6個(gè)模型，3種不同支撐形式的輕鋼龍骨墻體，對(duì)有無支撐、支撐形式，以及采用不同的蒙皮材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過分析比較不同結(jié)構(gòu)形式下帶墻板與不帶墻板墻體抗側(cè)力的差異，以及相同結(jié)構(gòu)形式下不同的墻體材料之間的抗側(cè)力的差異，提出經(jīng)濟(jì)合理的輕鋼龍骨墻體的結(jié)構(gòu)形式，為輕鋼龍骨復(fù)合墻體的設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 模型設(shè)計(jì)

表1 模型的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of models

模型按照1∶2的比例，共3種6個(gè)單片墻體,分為帶支撐模型、不帶支撐模型和不同的蒙皮結(jié)構(gòu)模型,具體見表1，模型見圖1。

試驗(yàn)所采取的模型材料及其規(guī)格如下：C型輕鋼龍骨(橫撐與立柱)、U型輕鋼龍骨(導(dǎo)軌)、拉鉚釘和蒙皮墻板材料(水泥砂漿和OSB板)。其中，立柱規(guī)格為C100 mm×50 mm×10 mm，U型導(dǎo)軌規(guī)格為U100 mm×40 mm，龍骨厚度均為1.0 mm，拉鉚釘規(guī)格為M 5.0 mm×16 mm，刨花板規(guī)格為9 mm×1.22 m×2.44 m，水泥為錢潮牌普通硅酸鹽水泥，代號(hào)P.O,強(qiáng)度等級(jí)為42.5級(jí)。

圖1 3種模型示意圖Fig.1 Diagrams of three models

1.2 試驗(yàn)裝置及加載方法

整個(gè)試驗(yàn)是在學(xué)校結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室完成的，由于試驗(yàn)儀器的原因，在加載時(shí)用豎向加載的方法模擬水平剪力，試驗(yàn)加載裝置示意圖見圖2。模型順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°放置在木框架上(木框架是根據(jù)試驗(yàn)室儀器的具體情況量身制作的，模型由木框架與試驗(yàn)裝置固定，可確保模型被固定不移動(dòng)的效果)，旋轉(zhuǎn)后的模型頂部與木框架通過滾動(dòng)軸承連接，軸承上涂抹潤滑劑避免因摩擦力過大影響試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)荷載包括配重荷載和水平單調(diào)加載，試驗(yàn)加載裝置采用控制位移加載的方式在試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷纳蠈?dǎo)軌端部施加荷載，使模型產(chǎn)生層間位移10 mm，上下誤差不超過0.2 mm。水平荷載的施加則通過最右側(cè)的油壓千斤頂對(duì)模型中心線處施加，在油壓千斤頂對(duì)側(cè)設(shè)置位移計(jì)，左側(cè)兩個(gè)油壓千斤頂與模型緊密結(jié)合固定模型。試驗(yàn)加載裝置實(shí)物見圖3。

圖2 試驗(yàn)加載裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental loading device

圖3 試驗(yàn)加載裝置實(shí)物圖Fig.3 Picture of the experimental loading device and specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本研究建立了6個(gè)模型，輕鋼龍骨骨架體系在結(jié)構(gòu)體系不變的情況下，改變模型結(jié)構(gòu)形式，給予模型頂部相同位移(10 mm)，模型抗側(cè)力的試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可知，給予骨架頂部相同的位移(10 mm)，同種骨架得到的抗側(cè)力基本一致；隨著骨架結(jié)構(gòu)形式的改變，給予骨架頂部相同的位移，普通骨架需要的抗側(cè)力最小，帶斜支撐的骨架抗側(cè)力次之，是普通骨架的2倍，帶角支撐的骨架需要的抗側(cè)力最大，是普通骨架的3～4倍，是帶斜支撐骨架的2倍。將表2中的輕鋼龍骨骨架覆上鋼絲網(wǎng)，連接件使用拉鉚釘。給予模型頂部相同位移(10 mm)，模型抗側(cè)力的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 輕鋼龍骨骨架試驗(yàn)結(jié)果

Table 2 The experimental result of light-gauge steel frame

模型結(jié)構(gòu)形式模型重量/kg抗側(cè)力/kN普通骨架10.720.24帶斜支撐骨架15.020.57帶角支撐骨架15.820.91普通骨架10.760.26帶斜支撐骨架15.380.55帶角支撐骨架15.760.93

表3 輕鋼龍骨骨架覆鋼絲網(wǎng)模型試驗(yàn)結(jié)果

Table 3 The experimental result of the light-gauge steel frame model covered with steel wire mesh

模型結(jié)構(gòu)形式模型重量/kg抗側(cè)力/kN普通骨架+鋼絲網(wǎng)15.1000.31帶斜支撐骨架+鋼絲網(wǎng)21.3250.60帶角支撐骨架+鋼絲網(wǎng)25.9400.96普通骨架+鋼絲網(wǎng)15.2100.35帶斜支撐骨架+鋼絲網(wǎng)20.9600.66帶角支撐骨架+鋼絲網(wǎng)25.2301.05

由表3可知，覆上鋼絲網(wǎng)的模型構(gòu)件抗側(cè)力有所提高，普通骨架在覆上鋼絲網(wǎng)后可提高約32%，帶斜撐骨架覆上鋼絲網(wǎng)后可提高約12.5%，帶角支撐骨架覆上鋼絲網(wǎng)后可提高約9.2%。結(jié)果表明，鋼絲網(wǎng)在骨架剛度較小的情況下可提升較多，當(dāng)骨架剛度較大時(shí)提升并不明顯。表3中普通骨架覆鋼絲網(wǎng)的抗側(cè)力平均值為0.33 kN,帶斜支撐骨架覆鋼絲網(wǎng)的抗側(cè)力平均值為0.63 kN，帶角支撐骨架覆鋼絲網(wǎng)的抗側(cè)力平均值為1.0 kN。

在表3模型的基礎(chǔ)上，對(duì)前3種不同支撐形式的模型覆上刨花板，連接件為拉鉚釘；對(duì)后3種模型涂抹水泥砂漿。給予模型頂部相同位移(10 mm)，模型抗側(cè)力的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 輕鋼龍骨骨架覆蒙皮材料模型試驗(yàn)結(jié)果Table 4 The experimental result of the light-gauge steel frame model covered with skin material

由表4可知，覆上刨花板的模型抗側(cè)力比僅覆鋼絲網(wǎng)的抗側(cè)力有很大提高，覆刨花板的3種結(jié)構(gòu)形式的模型抗側(cè)力比表3中3種結(jié)構(gòu)形式的模型抗側(cè)力平均值分別提升2.3、2.1和1.9倍，這說明了板式構(gòu)件的抗側(cè)能力比較強(qiáng)。涂抹水泥砂漿的3種結(jié)構(gòu)形式的模型抗側(cè)力提高更多，對(duì)應(yīng)表3中3種結(jié)構(gòu)形式的模型抗側(cè)力平均值分別提升2.7、2.6和2.5倍。這表明在給予模型頂部相同位移的情況下，涂抹水泥砂漿的模型抗側(cè)力比刨花板有明顯提升。

2.2 試驗(yàn)對(duì)比及分析

根據(jù)以上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將不同結(jié)構(gòu)形式、不同組合材料的模型分別進(jìn)行了分類對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表5～7。

表5 普通骨架形式試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 5 Comparison of test results of general frames

表6 帶斜支撐骨架形式試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 6 Comparison of test results of diagonal-bracing frames

表7 帶角支撐骨架形式試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 7 Comparison of test results of corner-bracing frames

根據(jù)表5～7數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，整理結(jié)果見圖4。

圖4 不同蒙皮情況下輕鋼骨架抗側(cè)力對(duì)比Fig.4 Comparison of different skin resistance to the frame

由圖4可知，在同一骨架下，鋼絲網(wǎng)+水泥砂漿對(duì)骨架抗側(cè)力的提升最明顯，鋼絲網(wǎng)+刨花板次之，鋼絲網(wǎng)最小。這說明形成板件后，構(gòu)件抗側(cè)力能大大提升，蒙皮的強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件的抗剪起著相當(dāng)重要的作用。水泥板件的抗側(cè)力大于刨花板類的構(gòu)件，在同等情況下，骨架剛度越弱，在覆上附著物后抗側(cè)力提升越明顯。在進(jìn)行骨架模型試驗(yàn)時(shí)，隨著骨架增加斜支撐，斜支撐形式轉(zhuǎn)化成角支撐，骨架的抗側(cè)力有明顯提升。但是在刨花板蒙皮的情況下，骨架增強(qiáng)的作用并沒有其他的明顯，這說明在刨花板蒙皮下，刨花板本身具有較強(qiáng)的剛度，能夠承擔(dān)大部分的剪力。但在鋼絲網(wǎng)+水泥砂漿蒙皮進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，雖然水泥砂漿的強(qiáng)度夠大，但鋼骨架仍能同水泥砂漿有很好的協(xié)調(diào)作用。

以上在分析時(shí)，均僅考慮單位位移下能抵抗的剪力。但是，在實(shí)際工程中，剪力主要來自于水平地震作用，而水平地震的作用力又與自重息息相關(guān)。因此，還必須考慮蒙皮骨架在單位重量下的抗側(cè)能力，具體見表8。

由表8可知，在僅有骨架的情況下，帶角支撐的骨架單位重量抗側(cè)力最大，帶斜支撐的骨架次之，普通骨架最??；覆上鋼絲網(wǎng)后，雖然抗側(cè)力有一定的提升，但單位重量抗側(cè)力卻下降最為明顯，所以，這類結(jié)構(gòu)并不適用于實(shí)際工程。覆上刨花板后，除普通骨架的抗側(cè)力有一定的上升外，其余骨架的抗側(cè)力均下降，刨花板在各種骨架情況下抗側(cè)力相差并不大，因此說明刨花板與普通骨架的結(jié)合具有更高的性價(jià)比。

3 結(jié) 論

對(duì)于輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)，蒙皮是結(jié)構(gòu)抗側(cè)力的重要組成部分。本研究通過對(duì)不同輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)形式、不同蒙皮材料組成的墻體進(jìn)行抗側(cè)力試驗(yàn)，得出不同組合墻體在具有單位位移情況下所需要的抗側(cè)力。通過本試驗(yàn)研究,可得到如下結(jié)論:

1)在僅有輕鋼龍骨沒有蒙皮的情況下，帶斜支撐的作用小于帶角支撐的作用，帶角支撐對(duì)比帶斜支撐的抗側(cè)力可提升約60%。

2)在同一普通骨架的情況下，抗側(cè)力在覆鋼絲網(wǎng)后提升約29.2%，在覆鋼絲網(wǎng)+刨花板后提升358%，在覆鋼絲網(wǎng)+水泥砂漿后提升408%。

3)在同一帶斜支撐骨架的情況下，抗側(cè)力在覆鋼絲網(wǎng)后提升約5.3%，在覆鋼絲網(wǎng)+刨花板后提升122.8%，在覆鋼絲網(wǎng)+水泥砂漿后提升328%。

4)在同一帶角支撐骨架的情況下，抗側(cè)力在覆鋼絲網(wǎng)后提升約5.5%，在覆鋼絲網(wǎng)+刨花板后提升47.3%，在覆鋼絲網(wǎng)+水泥砂漿后提升291%。

由以上分析可知，冷彎薄壁輕鋼龍骨骨架與蒙皮材料作為一個(gè)整體共同承受外力作用；蒙皮作為結(jié)構(gòu)模型的一部分承擔(dān)剪力；輕鋼龍骨體系帶斜支撐、蒙皮均能顯著提高墻體的抗側(cè)性能；帶角支撐的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗側(cè)力最大。因此，在實(shí)際工程中，鋼骨架+鋼絲網(wǎng)+水泥砂漿能更好地發(fā)揮其抗側(cè)性能，承擔(dān)的側(cè)力更大，但是其自重大，施工起來也較為不便，僅適合剪力較大的建筑；刨花板因其本身剛度較大，所以龍骨對(duì)其作用不大。在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)盡量使用簡單的龍骨。在裝配式建筑大力發(fā)展的今天，尤其需要采用刨花板+鋼骨架這類施工簡單，環(huán)保綠色的材料，因此當(dāng)結(jié)構(gòu)承受的側(cè)力較小時(shí)，可優(yōu)先選用。本試驗(yàn)研究可對(duì)輕鋼龍骨組合墻體的設(shè)計(jì)及其在今后實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考。

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Experimental research on lateral resistant performance of light-gauge steel with different skin structures

WEN Xianmin, WANG Xiaojun

(School of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, Zhejiang, China)

This research focuses on lateral resistant performance of composite walls with different structural forms and different wallboard materials. The article conducts the experimental research on the lateral resistant performances of six 1/2 monolithic light-gauge composite wall models with different bracing forms. The results show that with regard to the lateral resistance among these three different types of structural models, the light-gauge steel corner-bracing system is the highest, the light-gauge steel frame system the lowest and the light-gauge steel diagonal bracing system in between. The steel net contributes to improvement of lateral resistant performance of light-gauge steel walls with bracing; for the same kind of light-gauge steel walls with bracing, lateral resistance of the composite wall with cement mortar is dramatically higher than that of OSB panel.

light-gauge steel wall with bracing: corner-bracing system: diagonal bracing system: lateral resistant performance

10.3969/j.issn.1671-8798.2017.03.011

2017-03-09

浙江科技學(xué)院建筑工程學(xué)院與福建榮盛鋼結(jié)構(gòu)實(shí)業(yè)有限公司合作項(xiàng)目(20130115)

文獻(xiàn)民(1962— )，男，河南省洛陽人，教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)工程研究。E-mail：wxmwth@163.com。

TU392.5

A

1671-8798(2017)03-0219-06