中間支撐冷彎薄壁型鋼灌漿墻體抗剪性能研究

袁泉 王澤輝 楊逸 索妮 朱洪磊

摘? ?要：為了提高C形冷彎薄壁型鋼墻體抗剪承載力和抗側(cè)剛度，提出了一種新型中間“Z”字形支撐冷彎薄壁型鋼灌漿墻體，并基于低周反復(fù)試驗(yàn)，采用ABAQUS有限元軟件建立了墻體模型，通過(guò)墻體破壞特征、荷載-位移曲線和墻體最大抗剪承載力三方面驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步分析了“Z”字形斜撐、鋼材厚度、橫撐以及豎向荷載對(duì)墻體抗剪性能的影響. 研究結(jié)果表明：墻體抗剪承載力主要由“Z”字形斜撐、填充材料、內(nèi)墻板三部分承擔(dān)，墻面板、填充材料與鋼框架相互約束，共同工作;“Z”字形斜撐可以有效提高墻體抗剪承載力，在空框架墻體中作用尤其明顯;隨著鋼材厚度的增大，墻體抗剪承載力逐漸提高，但影響程度隨著鋼材厚度的增加而減小;橫龍骨和豎向荷載對(duì)墻體抗剪承載力的影響較小;豎向荷載的增大會(huì)降低墻體抗剪承載力，但較低幅度較小;推導(dǎo)出了適用于新型中間支撐冷彎薄壁型鋼灌漿墻體的抗剪承載力計(jì)算公式，并提出了墻體構(gòu)造要點(diǎn).

關(guān)鍵詞：冷彎薄壁型鋼灌漿墻體;格構(gòu)式鋼龍骨;有限元分析;抗剪承載力;構(gòu)造要點(diǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Study on Shear Resistance of Cold-formed Thin-walled Steel

Grouting Wall with Intermediate Support

YUAN Quan1，WANG Zehui1，YANG Yi2，SUO Ni1，ZHU Honglei1

（1. School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China;

2. China Construction Third Engineering Bureau Green Industry Investment Co Ltd，Wuhan 430056，China）

Abstract：In order to improve the shear bearing capacity and lateral stiffness of C-shaped cold-formed thin-walled steel structure，a new type of Z-shaped cold-formed thin-walled steel grouting wall with intermediate support is proposed. Based on cyclic loading experiment，the wall model is established by ABAQUS finite element software. Then，the accuracy of the model is verified through three aspects，namely，the wall failure characteristics，load-displacement curve and the maximum shear bearing capacity of the wall. The influence of Z-shaped diagonal brace，steel thickness，transverse brace and vertical load on the shear performance of the wall is analyzed. The results show that the shear bearing capacity of the wall is mainly provided by three parts： Z-shaped diagonal brace，filler material and inner wall panel;the wall panel，filler material and steel frame are mutually constrained and work together; Z-shaped diagonal brace can effectively improve the shear bearing capacity of the wall，which is especially obvious in the empty frame wall; with the increase of steel thickness，the shear bearing capacity of the wall gradually increases，but the influence decreases with increase of the steel thickness; the transverse keel and vertical load have? little influence on the shear bearing capacity of the wall; with the increase of vertical load，the shear bearing capacity of the wall reduces，but the reduce range is small; the shear bearing capacity calculation formula that is applicable to the new type of cold-formed thin-walled steel grouting wall with intermediate support is deduced，and the key points of the wall structure are put forward.

Key words：cold-formed thin-walled steel grouting wall;lattice steel keel;finite element analysis;shear bearing capacity;key points of the structure

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)是美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家重要的住宅形式，是一種公認(rèn)的綠色結(jié)構(gòu)體系，但在我國(guó)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)使用較少，接受程度低，住宅比例不足1%[1]，究其原因主要是冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)存在抗剪承載力低、建筑質(zhì)量通病多、隔音保溫效果差、敲擊“空鼓”等問(wèn)題[2-3]. 針對(duì)目前冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)存的問(wèn)題，本文提出了一種具有高抗剪性能、防火防腐、保溫隔熱一體化等特點(diǎn)的新型裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系——新型中間支撐冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系. 該體系對(duì)傳統(tǒng)的鋼帶斜撐進(jìn)行改良，優(yōu)化龍骨形式，采用格構(gòu)柱式豎龍骨，在豎龍骨中間插入“Z”字形斜撐，提高龍骨的整體抗剪能力. 通過(guò)灌注輕質(zhì)保溫漿體材料與鋼骨架形成一體的復(fù)合墻板，能顯著提高鋼骨架的承載力，并對(duì)冷彎薄壁型鋼有良好的支撐作用，防止其過(guò)早屈曲.

為了研究中間支撐對(duì)冷彎薄壁型鋼墻體抗剪性能的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)帶中間支撐冷彎薄壁型鋼墻體及其組合墻體做了一系列的試驗(yàn)研究. Serrette[4-5]、Tian[6]、Fül？觟p[7]等通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，“X”型鋼拉條可以提高墻體抗剪承載力，但滯回曲線存在嚴(yán)重的“捏攏”效應(yīng)，并且單邊使用會(huì)引起墻體偏心受力;王宇航[8]、徐云鵬[9]等分別對(duì)墻體設(shè)置了不同形式的斜撐，試驗(yàn)結(jié)果表明，增加斜撐能夠有效提高冷彎薄壁型鋼墻體的承載力、剛度和耗能能力等抗震性能;郝際平等[10-11]通過(guò)對(duì)帶鋼拉條和斜撐的兩種墻體進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在鋼框架墻體中兩個(gè)方向的鋼帶交替受力，而在噴涂輕質(zhì)砂漿墻體中，外側(cè)砂漿可以限制受壓鋼帶的面外變形，提高墻體抗側(cè)能力，斜撐對(duì)墻體抗剪性能的貢獻(xiàn)則取決于連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度;周緒紅等[12]對(duì)低層輕鋼房屋進(jìn)行了有限元模擬，指出增設(shè)斜撐的墻體構(gòu)造形式可有效提高房屋的動(dòng)力特性，減小其加速度及位移響應(yīng).

目前，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者[13-20]分別圍繞冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)中樓蓋的計(jì)算方法、不同形式墻體的抗剪性能和有限元模擬以及整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究與理論分析，得到了較為完善的設(shè)計(jì)方法，但對(duì)于帶中間支撐冷彎薄壁型鋼墻體抗剪性能的研究尚處于起步階段，并且缺乏統(tǒng)一的抗剪承載力計(jì)算方法. 因此，本文在已完成試驗(yàn)的基礎(chǔ)上[21]，對(duì)墻體抗剪性能進(jìn)行了進(jìn)一步研究，通過(guò)ABAQUS有限元軟件對(duì)墻體抗剪承載力影響因素進(jìn)行變參數(shù)分析，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，分析了各參數(shù)對(duì)于墻體抗剪承載力的貢獻(xiàn)，推導(dǎo)出適用于本文新型中間支撐冷彎薄壁型鋼灌漿墻體抗剪承載力簡(jiǎn)化計(jì)算公式，并提出了墻體構(gòu)造要點(diǎn).

1? ?墻體概況及受剪機(jī)理分析

1.1? ?新型冷彎薄壁型鋼龍骨概況

本文提出的新型中間支撐冷彎薄壁型鋼灌漿墻體對(duì)鋼龍骨進(jìn)行了優(yōu)化創(chuàng)新，其改變了傳統(tǒng)鋼龍骨形式. 在傳統(tǒng)冷彎薄壁型鋼墻體中，鋼龍骨主要包含C形鋼和U形鋼兩種，其中C形鋼常用作墻龍骨，其截面腹板垂直于墻表面，頂梁、底梁或邊梁等非承重構(gòu)件則多采用U形鋼，鋼框架內(nèi)部以及鋼框架與墻面板之間常采用自攻螺釘進(jìn)行直接連接;而本文墻體提出了一種格構(gòu)式鋼龍骨，其截面為組合截面，通過(guò)自攻螺釘將內(nèi)部的連接件和外側(cè)的分肢連接為整體，連接件的間距根據(jù)外側(cè)板材的尺寸可自由調(diào)整，如圖1所示. 其中豎龍骨為雙肢構(gòu)件，其分肢截面形式為“帽”形，內(nèi)部連接件為矩形鋼管;立柱為四肢構(gòu)件，其分肢截面形式為“W”形，內(nèi)部連接件為方鋼管. 與傳統(tǒng)單一龍骨相比，格構(gòu)式龍骨具有更高的承載力和抗扭剛度，在同等承載力要求下，所用鋼材也少于傳統(tǒng)龍骨.

此外，本文墻體鋼龍骨采用了一種新型剛性中間支撐——“Z”字形斜撐. 上述學(xué)者[4-12]通過(guò)試驗(yàn)研究與理論分析發(fā)現(xiàn)，墻體中通過(guò)設(shè)置支撐可以明顯提高抗剪承載力，但現(xiàn)有鋼支撐都存在一定弊端，例如鋼拉條單邊使用時(shí)會(huì)引起墻體偏心受力，并且由于墻體角點(diǎn)處構(gòu)造復(fù)雜，施工不便;C形鋼支撐由于構(gòu)造形式不同，會(huì)削弱鋼框架的整體性或造成鋼材的浪費(fèi). 為了解決這些弊端，提高墻體的抗剪性能，本文提出了“Z”字形斜撐，其巧妙地從格構(gòu)式龍骨中間穿過(guò)，位于鋼骨架中心，通過(guò)螺釘與龍骨連接在一起，有效解決了鋼拉條偏心、角點(diǎn)連接復(fù)雜等問(wèn)題，進(jìn)一步增強(qiáng)了鋼框架的整體穩(wěn)定性，顯著提高了墻體的抗剪承載力，并且“Z”形鋼自重輕，便于安裝運(yùn)輸，具有一定的經(jīng)濟(jì)性.

1.2? ?試驗(yàn)結(jié)果

課題組前期進(jìn)行了5片1 ∶ 1冷彎薄壁型鋼灌漿墻體的低周往復(fù)荷載試驗(yàn)[21]，試驗(yàn)簡(jiǎn)介如表1所示，試件破壞特征及骨架曲線如圖2所示.

將本文墻體試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[11]、文獻(xiàn)[22]中墻體的進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示. 從表2可知，本文提出的墻體與傳統(tǒng)鋼龍骨填充墻體相比，抗震性能明顯提高. 墻體單位抗剪承載力分別比文獻(xiàn)[11]、文獻(xiàn)[22]中的墻體提高了79%、122%，抗側(cè)剛度分別提高了142%和141%，而延性系數(shù)與文獻(xiàn)[22]中的墻體相比降低了31%，這是因?yàn)樾睋蔚脑O(shè)置能夠顯著提高墻體的抗側(cè)剛度，減小墻體在水平作用下的變形，當(dāng)同時(shí)設(shè)置斜撐時(shí)，本文中的新型龍骨墻體延性系數(shù)比文獻(xiàn)[11]中的墻體提高了123%，這表明本文提出的新型龍骨墻體不僅具有較好的抗剪承載力，同時(shí)其在水平作用下的延性也較為突出，具有優(yōu)越的抗震性能.

1.3? ?墻體受剪機(jī)理分析

在水平作用下，鋼框架、填充材料和墻面板三部分相互約束，共同工作. 其中，墻面板與墻體依靠螺釘連接，然而螺釘通常會(huì)發(fā)生內(nèi)陷、滑移等現(xiàn)象，一旦螺釘破壞，墻面板則退出工作，而在本文墻體中，墻面板破壞嚴(yán)重，這表明墻面板與墻體連接較好，墻面板充分受力. 聚苯顆粒泡沫混凝土作為一種脆性材料，其自身剛度低，力學(xué)性能較差，但通過(guò)與鋼框架澆筑在一起，兩者相互約束，充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)墻體的剛度貢獻(xiàn)超過(guò)其自身剛度，起到“1+1>2”的作用，可以有效提高墻體承載力. 此外，在鋼框架中，上下導(dǎo)梁與橫撐主要作用是為墻體各構(gòu)件提供更好的連接，并不直接承受側(cè)向力，只有立柱和斜撐作為主要構(gòu)件承擔(dān)水平作用，通過(guò)應(yīng)變分析可知，立柱受力沿高度變化較大，在加載過(guò)程中荷載主要集中于底端，并形成“塑性鉸”，最終發(fā)生破壞. 而斜撐沿長(zhǎng)度受力均勻，在水平作用下承受較大剪力，這說(shuō)明斜撐對(duì)墻體抗剪承載力的貢獻(xiàn)程度優(yōu)于立柱，斜撐的布置方向呈“X”形，可以有效抵擋斜裂縫的展開(kāi)與延伸，在無(wú)填充材料或墻面板的墻體中，斜撐出現(xiàn)被剪斷現(xiàn)象，表明斜撐承擔(dān)的水平作用明顯增大，其對(duì)墻體抗側(cè)剛度的提高具有顯著作用.

2? ?新型中間支撐冷彎薄壁型鋼灌漿墻體有限

元模擬

2.1? ?有限元模型建立

本文采用ABAQUS建立模型. 冷彎薄壁型鋼構(gòu)件、瓷磚、石膏板均采用S4R殼體單元;聚苯顆粒泡沫混凝土采用C3D8R實(shí)體單元. 在本文提出的新型龍骨墻體中，填充材料連通為整體，而不是被傳統(tǒng)立柱分割為若干單元格的形式，并且試件破壞時(shí)，填充材料與鋼框架未發(fā)現(xiàn)明顯接觸破壞，因此模型忽略接觸的影響，通過(guò)merge命令將鋼框架合并成一個(gè)part，再內(nèi)置（embeded）到填充材料中，模擬鋼框架中現(xiàn)澆聚苯顆粒泡沫混凝土. 外墻板采用斷橋可調(diào)式定位部件進(jìn)行安裝，試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)明顯破壞，分析可知，外墻板對(duì)墻體承載力貢獻(xiàn)較少，因此采用綁定（tie）約束到鋼框架上. 而內(nèi)墻板與鋼框架間的自攻螺釘連接模擬采用創(chuàng)建WireFeature的方法模擬，先將螺釘連接兩點(diǎn)進(jìn)行WireFeature定義，再賦予WireFeature連接屬性，連接屬性參考課題組前期所做自攻螺釘抗剪試驗(yàn)，該方法可以有效模擬彈簧連接，并且定義三個(gè)方向的剛度. 結(jié)合試驗(yàn)裝置，約束墻體下主梁底面X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度和繞X、Y、Z的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度;約束頂梁沿X和Z方向的平動(dòng)自由度. 此模型中對(duì)加載方式進(jìn)行了簡(jiǎn)化，墻體上主梁頂面與分配梁底面采用綁定（tie）約束，并將分配梁頂面耦合于一點(diǎn)，對(duì)耦合點(diǎn)施加水平位移;豎向荷載以均布荷載形式作用在分配梁上. 鋼材的本構(gòu)模型采用理想彈塑性模型，其材料特性按照材性試驗(yàn)實(shí)測(cè)值輸入，彈性模量E為2.0 × 105 N/mm2，泊松比取為0.3. 聚苯顆粒泡沫混凝土采用ABAQUS軟件自帶的混凝土損傷模型，受壓曲線根據(jù)材性試驗(yàn)結(jié)果輸入，受拉曲線參考受壓曲線，取受壓應(yīng)力的1/10，泊松比近似取為0.3. 石膏板和瓷磚的材料特性見(jiàn)表3. 此外，考慮模型幾何非線性，在分析步中打開(kāi)幾何大變形開(kāi)關(guān).

2.2? ?有限元模型驗(yàn)證

按照上述建模方式，分別對(duì)試件SW-1、SW-3以及SW-4進(jìn)行單調(diào)荷載作用下的有限元分析，應(yīng)力云圖與試驗(yàn)破壞特征對(duì)比如圖3所示. 從應(yīng)力圖中可以看出，SW-1鋼骨架立柱與斜撐連接處發(fā)生破壞，豎龍骨下部屈曲，墻面板與鋼骨架在東側(cè)底部螺釘連接處應(yīng)力較大;SW-3鋼骨架受拉斜撐在立柱連接處以及中部受力較大，而受壓斜撐則失穩(wěn)屈曲;SW-4填充材料下部破壞較為嚴(yán)重，沿對(duì)角線形成斜向受壓區(qū). 與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，模擬得到的破壞現(xiàn)象與試驗(yàn)中墻體的破壞特征基本吻合，能夠較好反應(yīng)墻體的受力特性.

從圖4可以看出，有限元模擬得到的荷載-位移曲線與試驗(yàn)所得曲線走勢(shì)基本一致，其中SW-1、SW-4僅在下降段與試驗(yàn)結(jié)果存在較大差異. 初步分析其主要由兩部分原因造成，一是忽略了墻板間的拼接影響. 實(shí)際墻體一旦墻板拼接處發(fā)生破壞，相應(yīng)墻板隨即退出工作，導(dǎo)致墻體承載力下降較快;二是簡(jiǎn)化的將鋼框架嵌入填充材料中，填充材料的開(kāi)裂破壞會(huì)導(dǎo)致鋼骨架失去約束，進(jìn)而影響墻體的承載能力. 此外，墻體極限荷載相差較小，誤差在5%以?xún)?nèi)，如表4所示. 總體而言，本文模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，墻體模型的建立方法較為合理.

2.3? ?墻體抗剪承載力影響因素分析

本文通過(guò)墻體破壞特征、荷載-位移曲線和墻體最大抗剪承載力三方面對(duì)比分析，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性，并基于此模型分析了斜撐、鋼材厚度、橫撐、豎向荷載等因素對(duì)墻體抗剪承載力的影響，得到的墻體荷載-位移曲線如圖5所示.

通過(guò)對(duì)有限元結(jié)果分析可知，水平作用下，斜撐對(duì)墻體抗剪能力的提高具有顯著作用，通過(guò)設(shè)置中間“Z”字形斜撐，可以有效抵抗墻體在加載過(guò)程中受到的剪力，在空框架墻體中尤其明顯，與無(wú)斜撐空框架墻體相比，帶斜撐的墻體抗剪承載力提高幅度達(dá)215%，而在灌漿墻體中，雖然填充材料與鋼框架的相互作用在一定程度上削弱了斜撐對(duì)于墻體抗側(cè)剛度的貢獻(xiàn)，但是斜撐的設(shè)置有效地抑制了斜裂縫的發(fā)展與延伸，使得墻體的抗剪承載力提高了17.2%，并且從鋼骨架應(yīng)力圖中（圖3（a））可以明顯看出，墻體發(fā)生破壞時(shí)，斜撐早已達(dá)到屈服強(qiáng)度，并且受力充分;隨著鋼材厚度的增大，墻體抗剪承載力也逐漸提高，但影響程度隨著鋼材厚度的增加而減小，如圖5（b）所示，鋼材厚度由1 mm增大到1.5 mm后，墻體抗剪承載力提高了37.8%，而由2 mm增大至2.5 mm時(shí)僅提高了14.4%;此外，橫龍骨和豎向荷載對(duì)墻體抗剪承載力的影響較小，豎向荷載的增大甚至?xí)?duì)新型中間支撐冷彎薄壁型鋼灌漿墻體抗剪承載力產(chǎn)生負(fù)面影響.

3? ?新型中間支撐冷彎薄壁型鋼灌漿墻體設(shè)計(jì)

方法研究

3.1? ?抗剪承載力計(jì)算公式

3.1.1? ?輕鋼墻體規(guī)范中抗剪承載力計(jì)算公式

中國(guó)《低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程》[23]、北美AISI S400—15[24]以及日本《薄板軽量形鋼造建築物設(shè)計(jì)の手冊(cè)引ま》[25]中均未給出明確的抗剪承載力計(jì)算公式，僅僅給出部分帶墻面板墻體的單位抗剪承載力. 而《輕鋼輕混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 383—2016[26]中則規(guī)定，在地震狀況下，填充墻體斜截面受剪承載力應(yīng)符合式（1）：

式中：λ為計(jì)算截面的剪跨比，當(dāng)λ < 1.5時(shí)，取1.5，當(dāng)λ > 2.2時(shí)，取2.2; ft為輕混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;N為與剪力設(shè)計(jì)值相應(yīng)的軸向壓力設(shè)計(jì)值，當(dāng)N > 0.2 fc Ac時(shí)，取 0.2 fc Ac;Ac為剪力墻截面凈面積;A為剪力墻截面面積;Aw為T(mén)形、I形截面剪力墻腹板的截面面積，對(duì)矩形截面，取為A;Aah為剪力墻同一截面水平分布輕鋼截面面積;fa為輕鋼抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;hw0為截面有效高度，即受拉端輕鋼合力點(diǎn)至受壓邊緣的距離;γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)，取0.85;當(dāng)輕混凝土為聚苯顆粒混凝土?xí)r，n取0.3，當(dāng)輕混凝土為泡沫混凝土?xí)r，n取0.4.

從表5中可以明顯看出，按照《輕鋼輕混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》計(jì)算得出的墻體抗剪承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于試驗(yàn)值，最大相差55%. 聚苯顆粒泡沫混凝土強(qiáng)度低于規(guī)范給出的兩種輕混凝土，所以規(guī)范中輕混凝土的調(diào)整系數(shù)并不適用于聚苯顆粒泡沫混凝土. 此外，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果及有限元分析可知，新型中間支撐冷彎薄壁型鋼灌漿墻體的抗剪承載力主要由斜撐、填充材料、內(nèi)外墻板三部分提供，橫龍骨的主要作用是為內(nèi)墻板與鋼骨架提供更好的連接，不直接承受側(cè)向力;而在規(guī)程中，抗剪承載力公式只考慮了填充材料、軸壓力以及水平輕鋼構(gòu)件的貢獻(xiàn)，忽略了主要的“Z”字形斜撐和墻面板的貢獻(xiàn)，這與實(shí)際試驗(yàn)得到的結(jié)論是不相符的，也是造成誤差過(guò)大的主要原因.

注：中國(guó)規(guī)程式1中輕混凝土為聚苯顆?；炷?，中國(guó)規(guī)程式2中輕混凝土為泡沫混凝土.

綜上，規(guī)范中公式并不能較好地反映本文墻體各組成部分對(duì)墻體抗剪承載力的貢獻(xiàn)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值誤差較大，不適用于本文墻體. 因此有必要推導(dǎo)出適用于本文墻體的抗剪承載力計(jì)算公式.

3.1.2? ?新型中間支撐冷彎薄壁型鋼灌漿墻體抗剪承

載力計(jì)算公式

結(jié)合試驗(yàn)與有限元結(jié)果可知，新型中間支撐冷彎薄壁型鋼灌漿墻體的抗剪承載力主要由斜撐、填充材料、內(nèi)外墻板三部分提供，其中，外掛板因其特殊的掛板體系，在試驗(yàn)中并未完全受力，其所承受的水平力并不能直接按屈服強(qiáng)度乘以相應(yīng)的截面積來(lái)獲得，因此，本文將外掛板對(duì)墻體抗剪承載力的貢獻(xiàn)體現(xiàn)在調(diào)整系數(shù)中.

在推導(dǎo)新型中間支撐冷彎薄壁型鋼灌漿墻體抗剪承載力時(shí)，遵循以下基本假定：

1）當(dāng)墻體達(dá)到最大抗剪承載力時(shí)，聚苯顆粒泡沫混凝土、冷彎薄壁型鋼骨架及內(nèi)外墻面板變形協(xié)調(diào)，承載力計(jì)算滿(mǎn)足疊加原理;

2）忽略豎向荷載對(duì)聚苯顆粒泡沫混凝土的影響.

提出新型中間支撐冷彎薄壁型鋼灌漿墻抗剪承載力基本公式為：

V = η1（Vxc + Vtc） + Vnb? ? ? ? ? ? ?（2）

因?yàn)樾敝瓮ㄟ^(guò)自攻螺釘與豎龍骨翼緣相連，在加載過(guò)程中自攻螺釘滑移，加之斜支撐橫截面為“Z”字形，易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，加載時(shí)拉壓斜桿不一定完全發(fā)揮作用，故對(duì)斜支撐水平承載力公式乘以折減系數(shù)η2進(jìn)行修正. 由于鋼骨架、內(nèi)外面板對(duì)填充材料的相互約束作用，對(duì)填充材料抗剪承載力乘以放大系數(shù)η3進(jìn)行修正，修正后的公式為：

V = η1（η2Vxc + η3Vtc） + Vnb? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：V為新型中間支撐冷彎薄壁型鋼灌漿墻抗剪承載力;η1為外掛板體系對(duì)墻體抗剪承載力提高系數(shù);η2為斜支撐抗剪承載力折減系數(shù);η3為填充材料抗剪承載力修正系數(shù);Vxc為斜支撐抗剪承載力;Vtc為填充材料抗剪承載力;Vnb為內(nèi)墻板抗剪承載力.

通過(guò)材料力學(xué)基本公式和力平衡條件得出斜支撐的水平承載力為：

Vxc = kAs fy cos α? ? ? ? ? ? （4）

式中：k為斜支撐數(shù)量;As為斜支撐橫截面面積; fy為斜支撐抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;α為斜支撐與上主梁水平面夾角.

填充材料提供的抗剪承載力公式參照鋼筋混凝土剪力墻承載力公式，基本公式為：

式中：λ為剪跨比，當(dāng)λ < 1時(shí)，取λ = 1，當(dāng)λ > 1.5時(shí)，取λ = 1.5;ft為填充材料抗拉強(qiáng)度，此處近似取ft ≈ 0.1 fc;b為墻厚;h為墻肢截面有效高度.

石膏板提供的抗剪承載力為：

Vnb = lfvb? ? ? ? ? （6）

式中：l為內(nèi)墻板水平寬度;fvb為內(nèi)墻板抗剪強(qiáng)度.

將式（4）（5）（6）代入式（3）得到新型中間支撐冷彎薄壁型鋼灌漿墻體抗剪承載力公式為：

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及有限元模擬，給出系數(shù)η1、η2、η3 的取值方法，如表6所示.

按式（7）對(duì)5片試驗(yàn)墻體抗剪承載力進(jìn)行計(jì)算，并與墻體試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比. 由表7可知，按式（7）計(jì)算求得的墻體抗剪承載力與試驗(yàn)值吻合較好，最大誤差為5.8%，可以滿(mǎn)足一般工程設(shè)計(jì)的要求，證明本文推導(dǎo)的抗剪承載力公式較為合理.

3.2? ?新型墻體構(gòu)造要點(diǎn)

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象、試件破壞特征和有限元分析，本文對(duì)新型墻體的構(gòu)造提出以下要點(diǎn)：

1）加強(qiáng)各龍骨間的連接構(gòu)造措施. 由于試驗(yàn)中各龍骨間的連接較弱，多片試驗(yàn)墻體在試驗(yàn)初期龍骨連接處就已豁開(kāi)，如圖6（a）（b）所示，過(guò)早地破壞了墻體的整體性，降低了承載力. 為了避免此類(lèi)現(xiàn)象的產(chǎn)生，建議在各龍骨連接處設(shè)置連接角碼進(jìn)行加強(qiáng)，保證墻體各構(gòu)件性能的充分發(fā)揮.

2）適當(dāng)減小內(nèi)墻板上自攻螺釘間距，保證墻板與鋼框架間的整體性，避免過(guò)早出現(xiàn)墻板與鋼框架分離、墻板破壞等現(xiàn)象，使墻板退出工作，如圖6（c）所示.

3）澆筑墻體填充材料時(shí)應(yīng)振搗均勻，否則在地震作用下，墻體易在缺陷處過(guò)早發(fā)生破壞，影響墻體的抗震性能，如圖6（d）所示.

4? ?結(jié)? ?論

本文進(jìn)一步研究了新型中間支撐冷彎薄壁型鋼灌漿墻體的受力機(jī)理，并采用ABAQUS軟件進(jìn)行變參數(shù)分析，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)墻體抗剪承載力影響因素進(jìn)行了探討，并對(duì)墻體抗剪承載力計(jì)算方法進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

1）鋼框架、填充材料和墻面板三部分相互約束，共同工作，填充材料和墻面板對(duì)鋼框架的變形具有約束作用，能夠充分發(fā)揮材料的抗剪作用.

2）“Z”形斜支撐可有效解決鋼拉條引起的墻體偏心受力問(wèn)題，且可以顯著提高墻體的抗剪承載力;與空框架墻體墻體相比，灌漿墻體由于填充材料的存在會(huì)使斜撐對(duì)墻體抗側(cè)剛度的貢獻(xiàn)減弱.

3）鋼材厚度對(duì)新型中間支撐冷彎薄壁型鋼灌漿墻體抗剪承載力有顯著影響，但影響程度隨著鋼材厚度的增大而減小;橫龍骨，豎向荷載對(duì)墻體抗剪承載力影響較小.

4）提出了新型中間支撐冷彎薄壁型鋼灌漿墻體抗剪承載力計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)吻合較好，可以滿(mǎn)足一般工程設(shè)計(jì)要求.

5）根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，墻體的薄弱環(huán)節(jié)主要集中于各龍骨以及墻面板與鋼框架的連接處，建議實(shí)際工程中在各龍骨連接處設(shè)置連接角碼進(jìn)行加強(qiáng);墻面板與鋼框架間自攻螺釘間距也應(yīng)適當(dāng)減小，保證兩者的有效連接. 此外，還應(yīng)保證填充材料的澆筑質(zhì)量，避免產(chǎn)生缺陷.

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