鋼框架-填充墻組合墻體研究現(xiàn)狀

李相學(xué)，王小平，萬(wàn)良東

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,武漢 430070)

鋼框架是鋼結(jié)構(gòu)中最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，一般由鋼梁、鋼柱在端部剛接而成，具有結(jié)構(gòu)布置靈活、可以獲得大開(kāi)間、自重輕、安裝方便等優(yōu)勢(shì)。但這種結(jié)構(gòu)形式抗側(cè)剛度低，一般用于低多層建筑和層數(shù)不超過(guò)30層的高層建筑。

目前鋼框架空當(dāng)常見(jiàn)的填充方式有兩種：輕質(zhì)混凝土砌塊和輕質(zhì)條板。

鋼框架中的輕質(zhì)混凝土砌塊一般采用抗壓強(qiáng)度為3 MPa左右的加氣混凝土砌塊，通過(guò)水泥砂漿與周?chē)摿?、鋼柱相連。為增加組合墻體的整體性，鋼柱每隔一定高度有鋼筋深入墻體。

顯然，由輕質(zhì)混凝土砌塊形成的填充墻不僅能滿足保溫隔熱、防火和維護(hù)等功能，更能和鋼框架一起共同承受荷載，形成鋼框架-填充墻組合墻體。

鋼框架-填充墻組合墻體具有如下優(yōu)勢(shì)：

1)組合墻體的水平抗側(cè)剛度比鋼框架本身高得多，且其抗側(cè)極限承載力也大于單純鋼框架的抗側(cè)承載力。

2)相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，組合墻體延性好、自重輕，有利于抗震。

3)小震動(dòng)時(shí)，組合墻體可抵抗水平地震剪力；中震、大震時(shí)，填充墻體會(huì)產(chǎn)生裂縫，通過(guò)耗能吸收地震能量，從而保護(hù)框架，達(dá)到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的要求。

為了解鋼框架-填充墻組合墻體的抗側(cè)承載力、剛度和簡(jiǎn)化計(jì)算方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和理論分析，取得了豐富的研究成果。

1 國(guó)外鋼框架-填充墻組合墻體研究現(xiàn)狀

國(guó)外關(guān)于鋼框架-填充墻組合墻體的研究相對(duì)較早。

早在20世紀(jì)60年代， Polyakov等[1]以鋼框架-填充墻組合墻體為研究對(duì)象，提出了一種等效支撐斜桿簡(jiǎn)化模型，并得到廣泛學(xué)者的認(rèn)同。Holmes等[2,3]在Polyakow研究的基礎(chǔ)上對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行改進(jìn)，重新定義對(duì)角支撐有效截面寬度、提出五支桿簡(jiǎn)化模型。

EI-Dakhakhni等[4]提出鋼框架中的填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)有很大的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不能忽略填充墻的性能等。

Hajjarb等[5]進(jìn)行了一組兩層一跨、縮尺比為1/3的鋼框架-鋼筋混凝土填充墻組合墻體水平低周往復(fù)試驗(yàn)。鋼框架內(nèi)側(cè)等間距地焊接抗剪栓釘，然后在框架內(nèi)部現(xiàn)澆鋼筋混凝土墻體。結(jié)果表明，在抗剪栓釘破壞之前，隨著水平荷載的增加，內(nèi)部鋼筋混凝土填充墻的剪切變形呈線性增加；當(dāng)水平荷載達(dá)到組合墻體設(shè)計(jì)值時(shí)，內(nèi)部混凝土填充墻大概承擔(dān)了80%的水平荷載，外部的鋼框架柱承擔(dān)了約80%的傾覆力矩，鋼筋混凝土填充墻的剪切模量大約為混凝土材質(zhì)剪切模量的60%。

Mohammed M Eladly[6]采用有限元軟件ABAQUS探索不同的梁柱節(jié)點(diǎn)形式對(duì)鋼框架-混凝土填充墻組合墻體的影響。結(jié)果表明，當(dāng)豎向荷載施加在水平梁上時(shí)，增加豎向荷載可以減小不同模型的抗側(cè)性能差異，當(dāng)梁柱節(jié)點(diǎn)連接形式采用端部剛接時(shí)，鋼框架-混凝土填充墻組合墻體具有更好的抗側(cè)性；當(dāng)豎向荷載施加在兩端的柱上時(shí)，增加豎向荷載除了對(duì)組合墻體的整體剛度有些影響外，對(duì)組合墻體的極限抗側(cè)強(qiáng)度和耗能能力沒(méi)有任何影響。

Seyed Jafar等[7]設(shè)計(jì)三組鋼框架-混凝土夾層板組合墻體試件，對(duì)其進(jìn)行水平低周往復(fù)荷載試驗(yàn)研究。三組試件包括一組純鋼框架、一組混凝土夾層板與鋼框架分離的組合墻體(FSI)和一組混凝土夾層板與鋼框架有緊密連接的組合墻體(IFM)。結(jié)果表明，兩組組合墻體在水平荷載作用下差別很大，試件FSI除了耗能性能高于純鋼框架結(jié)構(gòu)，其余的抗側(cè)性能基本與純鋼框架結(jié)構(gòu)一致，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，試件FSI的填充墻無(wú)裂縫產(chǎn)生；試件IFM比鋼框架具有更好的初始抗側(cè)剛度、極限抗側(cè)強(qiáng)度以及更好的耗能性能，試件IFM最終破壞形式為內(nèi)部填充墻體形成對(duì)角裂縫。

Sidi Shan等[8]為了研究鋼框架-砌塊組合墻體在連續(xù)性倒塌時(shí)，內(nèi)部填充砌塊對(duì)整體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，設(shè)計(jì)了三組兩層四跨的鋼框架，包含一組純鋼框架，一組鋼框架內(nèi)部含有砌塊開(kāi)洞的鋼框架-砌塊組合墻體，一組鋼框架內(nèi)部含有砌塊但不開(kāi)洞的鋼框架-砌塊組合墻體。結(jié)果表明，內(nèi)部含有砌塊的鋼框架-砌塊組合墻體比純鋼框架具有更好的極限承載力和初始剛度，加載初期的水平荷載基本由砌塊承擔(dān)，但是組合墻體的延性不如純鋼框架，并且組合墻體與純鋼框架的破壞形式不一致。

Reynaud Serrette等[9]對(duì)帶X型剪刀撐的鋼框架墻體、覆蓋有石膏板的鋼框架-填充墻組合墻體、既有X型剪刀撐又有石膏板的鋼框架-填充墻組合墻體進(jìn)行了水平方向的低周往復(fù)加載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，既有X型剪刀撐又有石膏板的鋼框架-填充墻組合墻體可以顯著地降低水平方向的位移，并且增加28%的最大極限承載力。

McCreless等[10]進(jìn)行了16個(gè)石膏板覆面的冷彎薄壁型鋼組合墻體的單調(diào)加載試驗(yàn)，結(jié)果表明，高寬比在0.3～2.0范圍變化時(shí)，墻體的受剪承載力和抗側(cè)剛度無(wú)明顯的變化。Serrette[11]的研究得出，當(dāng)高寬比從2增至4時(shí)，OSB板墻體的受剪承載力降低，主要原因?yàn)槊姘宓氖芰π问接杉羟凶冃沃鲗?dǎo)過(guò)渡到彎曲變形。

Ruey-ShyangJu[12]設(shè)計(jì)四組對(duì)比試驗(yàn)，以觀察不同構(gòu)件在水平循環(huán)往復(fù)荷載下的結(jié)構(gòu)性能。四組試件中包括一組純鋼框架、一組鋼框架-混凝土填充墻以及兩組在鋼框架與混凝土填充墻體之間設(shè)置不同類型灰縫連接的組合墻體。試驗(yàn)結(jié)果表明，不做任何灰縫連接的鋼框架-混凝土組合墻體比純鋼框架具有更好的抗側(cè)性能，加載初期的抗側(cè)剛度顯著提高(約為純鋼框架的3.78倍)，但當(dāng)層間位移角到達(dá)1.5%左右時(shí)，混凝土墻體破壞嚴(yán)重；在鋼框架與混凝土墻體間采用灰縫粘結(jié)組合墻體的初始抗側(cè)剛度與純鋼框架基本一致，但其極限抗側(cè)承載力是純鋼框架的1.35倍，抗側(cè)性能明顯增強(qiáng)。

Mallick等[13]通過(guò)有限元方法分析鋼框架-填充墻結(jié)構(gòu)的受力性能，采用了具有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)自由度的四節(jié)點(diǎn)矩形平面應(yīng)力單元模擬填充墻，并考慮了填充墻的各向異性。接著Thiruveng-adam[14]采用有限元軟件，利用等效單對(duì)角支撐模型和等效多對(duì)角支撐模型對(duì)開(kāi)洞填充框架的自振頻率進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示多重壓桿模型可以預(yù)測(cè)框架-填充墻的分離部位。

Memari A M[15]等人對(duì)六層填充墻鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了足尺模型的環(huán)境振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)。環(huán)境振動(dòng)測(cè)試分兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段為僅建成框架和樓板時(shí)，第二階段則是施工完成了所有墻體。強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)在部分墻體施工完成后進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，加氣混凝土砌塊對(duì)鋼框架有一定的剛度貢獻(xiàn)，但不如磚和混凝土砌塊。

Moghadam H A[16]研究了內(nèi)填砌塊墻或者混凝土墻鋼框架在水平靜力往復(fù)荷載作用下的開(kāi)裂強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，在較低的荷載下，砌塊黏結(jié)界面處就出現(xiàn)開(kāi)裂和相對(duì)滑移,且開(kāi)裂逐漸貫通發(fā)展成為對(duì)角線開(kāi)裂形態(tài)，而混凝土墻則是在角部壓碎。說(shuō)明相比于混凝土墻，砌體墻的抗側(cè)能力和剛度都較低，塑性和變形能力較好。

Dawe等[17]通過(guò)大比例模型試驗(yàn)對(duì)填充墻鋼框架的性能進(jìn)行了研究。單調(diào)振動(dòng)荷載下，對(duì)鋼框架-磚塊填充墻結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能進(jìn)行試驗(yàn)，采用單自由度模型、支撐框架模型和等效對(duì)角支撐模型分析了試驗(yàn)的動(dòng)力反應(yīng)結(jié)果，表明等效對(duì)角支撐模型在預(yù)測(cè)填充框架的動(dòng)力反應(yīng)時(shí)結(jié)果不令人滿意。

2 國(guó)內(nèi)鋼框架-填充墻組合墻體研究現(xiàn)狀

近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)鋼框架-填充墻組合墻體的承載力和剛度進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和理論分析。

管克儉等[18]提出了一種新型空腔結(jié)構(gòu)復(fù)合填充墻-鋼框架結(jié)構(gòu)體系，該填充墻體外部為鋼框架，內(nèi)部為一種新型空腔結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。作者將空腔結(jié)構(gòu)復(fù)合填充墻體與同尺寸的純鋼框架進(jìn)行了水平抗側(cè)對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，空腔結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體的極限抗側(cè)承載力、抗側(cè)剛度分別為純鋼框架結(jié)構(gòu)的1.5倍和4.5倍，且空腔結(jié)構(gòu)復(fù)合填充墻的延性高于同尺寸純鋼框架。

谷倩[19]以一組1∶2的雙層單跨鋼框架填充墻縮尺模型的試驗(yàn)研究結(jié)果為研究對(duì)象，提出一種三支桿簡(jiǎn)化力學(xué)模型，并對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。結(jié)果表明，通過(guò)該三支桿簡(jiǎn)化力學(xué)模型所計(jì)算出的結(jié)果，在剛度、位移以及內(nèi)力等方面均能夠與試驗(yàn)結(jié)果很好地吻合，該簡(jiǎn)化力學(xué)模型擁有較好的合理性和實(shí)用性。

孫國(guó)利等[20]通過(guò)Perform-3D非線性分析軟件對(duì)框架填充墻組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析。結(jié)果表明，布置合理的內(nèi)部填充墻體有利于提高結(jié)構(gòu)整體的抗震性能。

鄒昀等[21]通過(guò)ABAQUS有限元軟件對(duì)帶填充的鋼框架-填充墻組合墻體進(jìn)行抗側(cè)分析。結(jié)果表明，內(nèi)部填充墻可以明顯提高結(jié)構(gòu)整體的抗側(cè)剛度和抗側(cè)極限承載力；組合墻體具有較好的滯回性能；填充墻體開(kāi)洞的大小以及鋼框架的高寬比均會(huì)影響組合墻體的抗側(cè)性能，底層墻體開(kāi)洞對(duì)整體結(jié)構(gòu)性能的影響比上部結(jié)構(gòu)開(kāi)洞影響大。

暴偉等[22]研究了半剛性連接的鋼框架-輕鋼龍骨隔墻體系的抗側(cè)力性能。結(jié)果表明，外部鋼框架與內(nèi)部的輕鋼龍骨隔墻能夠較好地協(xié)同工作；柱腳的節(jié)點(diǎn)形式對(duì)結(jié)構(gòu)耗能能力影響較大；增加輕鋼龍骨隔墻節(jié)點(diǎn)數(shù)量，雖不能增加結(jié)構(gòu)的初始剛度，但可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的滯回性能和延性。

程雅蒙[23]等通過(guò)對(duì)純輕鋼框架、純加氣混凝土砌塊填充墻體以及輕鋼框架-加氣混凝土組合墻體三組試件進(jìn)行水平抗側(cè)力試驗(yàn)，以研究三者在水平荷載作用下承載力、剛度等性能。結(jié)果表明，純鋼框架和純加氣混凝土砌塊的水平抗側(cè)承載力均較低，分別為12 kN和3.7 kN；但將同尺寸的純鋼框架和純加氣混凝土砌塊組合成組合墻體之后，其水平抗側(cè)能力達(dá)到77 kN。輕鋼框架與加氣混凝土砌塊能共同工作，相互制約，相互協(xié)調(diào)，共同提高結(jié)構(gòu)的極限承載力。

郭宏超[24]等以四榀單層單跨縮尺比為1∶3的鋼框架-填充墻組合墻體為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行水平抗側(cè)縮尺試驗(yàn)，四組試件中包含一榀純鋼框架、兩榀鋼框架再生骨料填充墻和一榀鋼框架天然骨料填充墻。結(jié)果表明，在純鋼框架內(nèi)填充再生混凝土骨料之后，結(jié)構(gòu)的初始抗側(cè)剛度提高了3.3～3.6倍，水平抗側(cè)承載力提高了1.4倍，延性系數(shù)提高了2.44～3.28倍；增加了再生骨料后的鋼框架-填充墻組合墻體具有更高的安全儲(chǔ)備。

郭彥利[25]等通過(guò)SAP2000有限元軟件，對(duì)鋼框架-內(nèi)填冷彎型鋼組合墻體進(jìn)行分析。結(jié)果表明，外部的鋼框架與內(nèi)部的填充冷彎型鋼能較好的協(xié)同作用，并且符合剛度分配原則；同時(shí)作者在研究的基礎(chǔ)上提出了一種便于在工程抗剪設(shè)計(jì)時(shí)使用的剪力分配計(jì)算簡(jiǎn)化公式。

侯瑩瑩等[26]根據(jù)組合墻鋼板的剪切破壞先于屈曲變形發(fā)生的原則，提出了新型鋼框架-組合墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，提出了基于塑性理論的側(cè)向極限承載力的計(jì)算方法，并通過(guò)ANSYS建立非線性有限元模型。結(jié)果表明，塑性分析方法可用于預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)側(cè)向極限承載力，安全儲(chǔ)備為9.4%。

張文瑩等[27]對(duì)內(nèi)填冷彎薄壁型鋼組合墻體鋼框架體系進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)兩種不同連接方式試件的比較，分析冷彎薄壁型鋼組合墻體與鋼框架之間的協(xié)同工作性能和剪力分配關(guān)系。結(jié)果表明，填充墻鋼框架屈服荷載、最大荷載均大于單純鋼框架和墻體相應(yīng)值之和。

袁昌魯?shù)萚28]闡述了鋼框架-填充墻結(jié)構(gòu)的受力特性和簡(jiǎn)化計(jì)算模型，系統(tǒng)回顧和總結(jié)了其理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬等多方面發(fā)展和研究狀況，最后針對(duì)這種結(jié)構(gòu)的研究不足，指出今后應(yīng)對(duì)鋼框架與填充墻連接方式和填充墻開(kāi)洞情況對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響開(kāi)展系統(tǒng)研究。

鄒昀等[29]為了分析填充墻對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,利用大型非線性有限元軟件ABAQUS對(duì)帶填充墻鋼框架進(jìn)行了計(jì)算分析,主要研究了填充墻鋼框架體系在單調(diào)荷載、循環(huán)荷載作用下的受力性能。研究結(jié)果表明:在水平荷載作用下,填充墻能夠提高鋼框架的剛度和承載力;在循環(huán)荷載作用下,結(jié)構(gòu)整體的耗能性能較好。填充墻開(kāi)洞大小和框架高寬比均對(duì)結(jié)構(gòu)整體的承載力和滯回曲線有影響。

李國(guó)華[30]對(duì)鋼框架-內(nèi)填混凝土墻體進(jìn)行了非線性有限元分析，在豎向和水平荷載作用下，若鋼框架與內(nèi)填混凝土墻體間的連接不切實(shí)可靠，內(nèi)填混凝土墻體與鋼框架之間會(huì)出現(xiàn)分離現(xiàn)象，這種現(xiàn)象往往是由于鋼框架與組合墻體在外力作用下變形不一致造成的，使得鋼框架-內(nèi)填混凝土墻體不能聯(lián)成整體發(fā)揮作用，關(guān)于組合墻與鋼框架間的連接需要進(jìn)一步的研究。

萬(wàn)良東[31]研究了一種新型的輕鋼框架-輕混凝土組合墻體，輕鋼框架梁由標(biāo)準(zhǔn)U型沖壓件和方矩形鋼管通過(guò)自攻螺絲連接而成，框架柱采用方鋼管，輕鋼框架空當(dāng)則由輕質(zhì)加氣混凝土砌塊墻填充。通過(guò)低周往復(fù)加載試驗(yàn)和有限元分析，研究組合墻體的抗側(cè)性能，并與單層輕鋼框架進(jìn)行比較。結(jié)果表明，組合墻體試件的極限承載力是輕鋼框架試件的3～4倍；組合墻體試件的抗側(cè)剛度是輕鋼框架試件的26倍；組合墻體試件的延性系數(shù)約為3.0，是輕鋼框架的1.6倍。

3 結(jié) 論

a.與鋼框架相比，鋼框架-填充墻組合墻體的抗側(cè)承載力和抗側(cè)剛度都有較大的提高。輕鋼框架的提升更為明顯。

b.鋼框架-填充墻組合墻體一般做法為：鋼框架為由H型鋼梁柱剛接而成的普通框架或由輕型桁架梁和桁架柱(或冷彎薄壁鋼管柱)剛結(jié)而成的輕鋼框架；填充墻采用的材料為：輕混凝土砌塊、混凝土墻板、現(xiàn)澆混凝土墻或輕鋼龍骨。

c.鋼框架-填充墻組合墻體抗側(cè)性能的研究方法為：足尺或縮尺模型的水平荷載擬靜力試驗(yàn)或震動(dòng)試驗(yàn)；采用ABAQUS、ANSYS、SAP2000或其它軟件進(jìn)行有限元分析及比較。

d.鋼框架-填充墻組合墻體抗側(cè)性能一般采用三支桿簡(jiǎn)化力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，該簡(jiǎn)化力學(xué)模型所計(jì)算出的結(jié)果，在剛度、位移以及內(nèi)力等方面均能夠與試驗(yàn)結(jié)果很好地吻合，擁有較好的合理性和實(shí)用性。