帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究

穆弘 陳安英 胡晨 余繼坡

帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究

穆弘1陳安英2，*胡晨1余繼坡2

（1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，合肥 230061； 2.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009）

為研究帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架的抗震性能，考慮有無墻板、墻板類型、點(diǎn)支撐連接螺栓類型等因素，對(duì)無墻板鋼框架和帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架進(jìn)行低周反復(fù)荷載下的對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)合試件破壞特征，分析了結(jié)構(gòu)的滯回曲線、延性系數(shù)、耗能能力等抗震性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)果表明：帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架的破壞模式為“先墻板后框架”的形式；加載過程中墻板與框架連接螺栓在掛件節(jié)點(diǎn)預(yù)留槽口中產(chǎn)生滑移變形，當(dāng)螺栓滑移至長(zhǎng)槽口邊緣后出現(xiàn)局部混凝土嚴(yán)重壓碎開裂或螺栓剪切破壞，同時(shí)墻板破壞后鋼梁屈曲變形而框架柱未有明顯破壞。在彈性加載階段墻板的存在能夠提高框架體系的側(cè)向承載性能，而在破壞階段連接節(jié)點(diǎn)保證了結(jié)構(gòu)整體的延性變形能力，使墻板與框架可以協(xié)同變形，但墻板開洞會(huì)削弱結(jié)構(gòu)的整體性；墻板掛架節(jié)點(diǎn)采用不同類型的螺栓在彈性加載階段對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能沒有影響。

鋼框架， 點(diǎn)支撐， 外掛夾心保溫混凝土墻板， 低周反復(fù)加載， 破壞特征， 抗震性能

0 引 言

住建部在2019年12月將促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、大力推進(jìn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑作為工作重點(diǎn)任務(wù)之一。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑主體結(jié)構(gòu)常采用技術(shù)成熟、抗震性能優(yōu)越的鋼框架結(jié)構(gòu)體系，外圍護(hù)體系與主體結(jié)構(gòu)的匹配性、安全性以及裝配化程度是影響推廣應(yīng)用裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的一個(gè)關(guān)鍵要素。目前，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑外圍護(hù)墻板主要有單一材質(zhì)輕型條板、輕鋼龍骨復(fù)合墻板和預(yù)制混凝土夾心保溫整間板三類。其中，預(yù)制混凝土夾心保溫整間板具有板縫較少、防水性能優(yōu)越、保溫圍護(hù)構(gòu)造工廠一次成型、施工安裝方便的優(yōu)點(diǎn)［1-2］，但也存在應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)上抗震性能不夠明確的現(xiàn)實(shí)技術(shù)問題。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)帶砌塊類墻體或條板類墻板的鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能開展了一系列研究，如文獻(xiàn)［4-10］分別通過試驗(yàn)及理論分析方法研究了帶填充墻鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，文獻(xiàn)［11-13］對(duì)帶蒸壓加氣混凝土條板墻板鋼框架抗震性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明與鋼框架協(xié)同受力的砌塊或輕質(zhì)條板在水平地震作用下會(huì)對(duì)鋼框架的受力性能產(chǎn)生不同程度的影響，如不同的墻板類型、外形尺寸等均會(huì)影響墻體的承載力與變形能力，進(jìn)而可能會(huì)影響框架結(jié)構(gòu)的受力性能，研究成果為在鋼框架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用砌塊或輕質(zhì)條板構(gòu)造與設(shè)計(jì)方法提供了依據(jù)。然而，地震荷載下外掛夾心保溫混凝土墻板與鋼框架共同作用和抗震方面的研究尚不多見，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論依據(jù)的缺乏影響了該結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用。

對(duì)無墻板鋼框架和帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架進(jìn)行低周反復(fù)荷載對(duì)比試驗(yàn)，考慮不同梁的跨徑、墻板形式以及墻板掛件節(jié)點(diǎn)連接螺栓類型作為對(duì)比參數(shù)。通過觀察結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象，并計(jì)算分析抗震性能指標(biāo)，分析地震荷載下鋼框架的側(cè)向受力及墻板影響鋼框架受力，期望為此類結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1　試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)五榀單層單跨方鋼管柱-H型鋼梁鋼框架試件，試件規(guī)格及尺寸如表1所示。柱使用方鋼管，截面尺寸是200 mm×200 mm×10 mm，高度為3 100 mm；梁采用H形鋼，截面尺寸b×w×f×f均為300 mm×180 mm×6 mm×10 mm?？蚣芗凹虞d示意如圖1所示，墻板上、下節(jié)點(diǎn)通過螺栓及圖1所示的連接節(jié)點(diǎn)與鋼框架進(jìn)行連接，節(jié)點(diǎn)采用上拉下托的承載模式，設(shè)計(jì)按照墻板可以實(shí)現(xiàn)“平動(dòng)+轉(zhuǎn)動(dòng)”通用變形模式［1］，可適用各種高框比例的預(yù)制墻板，同時(shí)考慮滑移變形限值和螺栓安裝誤差，連接節(jié)點(diǎn)設(shè)置85 mm的滑動(dòng)槽；試件下節(jié)點(diǎn)均采用10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓連接，而上節(jié)點(diǎn)連接采用了10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓和4.8級(jí)普通螺栓兩種構(gòu)造。

表1　 試件規(guī)格

圖1　墻板點(diǎn)支撐連接節(jié)點(diǎn)示意圖

1.2　加載方案

抗震試驗(yàn)加載如圖2所示，通過MTS作動(dòng)器在框架梁對(duì)應(yīng)位置試件水平往復(fù)荷載，試驗(yàn)框架通過地錨約束固定，采用約束鋼筋防止構(gòu)件平面外變形。

圖2　試件加載示意圖

在完成兩個(gè)循環(huán)、位移幅值為5 mm的預(yù)加載清零后開始正式試驗(yàn)。采用位移控制加載模式進(jìn)行低周反復(fù)加載，試算確定結(jié)構(gòu)的屈服位移y=12 mm，加載程序按文獻(xiàn)［14］循環(huán)加載，如圖3所示。當(dāng)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)墻板、連接節(jié)點(diǎn)、鋼框架明顯特征破壞或循環(huán)加載過程中試件反力在峰值荷載85%以下時(shí)即停止試驗(yàn)。

圖3　位移加載制度

1.3　測(cè)量?jī)?nèi)容

根據(jù)試驗(yàn)研究目的，確定了以下測(cè)量?jī)?nèi)容：

（1） 繪制滯回曲線所需要的每級(jí)加載時(shí)鋼框架試件加載位置處的位移與相應(yīng)加載荷載。

（2） 鋼框架柱腳、梁柱連接處、梁中部、墻板連接鋼節(jié)點(diǎn)以及墻板四角應(yīng)變數(shù)據(jù)。

（3） 鋼框架試件底部水平位移和墻板連接節(jié)點(diǎn)與鋼梁相對(duì)位移。

2 試件破壞特征

KJ1～KJ5試件破壞照片如圖4所示，對(duì)比鋼框架試件KJ1、KJ3極限狀態(tài)的破壞現(xiàn)象為鋼梁翼緣板屈曲變形、梁翼緣板與柱連接對(duì)接焊縫開裂，符合強(qiáng)柱弱梁的破壞機(jī)制。

圖4　試件破壞形態(tài)

三榀帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架（KJ2、KJ3、KJ5）首先在墻板掛件節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)混凝土裂縫并隨加載位移增大而發(fā)展，墻板與框架連接螺栓在掛件節(jié)點(diǎn)預(yù)留槽口中產(chǎn)生滑移變形，當(dāng)螺栓滑移至長(zhǎng)槽口邊緣后逐漸增加加載位移，出現(xiàn)局部混凝土嚴(yán)重壓碎開裂或螺栓剪切破壞的現(xiàn)象，同時(shí)墻板破壞后鋼梁屈曲變形而框架柱未有明顯破壞，為先墻板后主體框架的破壞機(jī)制，且加載至破壞階段時(shí)，墻板未出現(xiàn)墜落現(xiàn)象。

對(duì)于帶開洞外掛夾心保溫混凝土墻板試件KJ2而言，還在門窗洞口四個(gè)拐角位置出現(xiàn)向墻板掛件連接節(jié)點(diǎn)方向發(fā)展的混凝土裂縫。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1　滯回曲線

為研究試件的抗震性能，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出各個(gè)試件的滯回曲線，如圖5所示，總體來看試件的滯回曲線較為飽滿，抗震性能良好，對(duì)比得到有外掛預(yù)制混凝土墻板試件滯回曲線荷載極值要高于無墻板鋼框架。從滯回曲線可以看出，在加載初期試件滯回曲線包圍的面積較小，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，無殘余變形，隨著加載位移的增大，殘余變形及滯回的面積開始增大，滯回曲線形狀呈梭形，說明結(jié)構(gòu)開始吸收能量，并通過節(jié)點(diǎn)的摩擦滑移變形、墻板裂縫的增加或擴(kuò)展將能量耗散但有無外掛預(yù)制混凝土墻板兩類試件滯回曲線形狀不同，不帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架的滯回曲線呈梭形，帶墻板框架的滯回曲線中部存在輕微捏縮現(xiàn)象，其中KJ4～5試件滯回曲線加載后期由于墻板與主體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)螺栓出現(xiàn)滑移導(dǎo)致曲線出現(xiàn)鋸齒形狀。

圖5　P-Δ滯回曲線

3.2　骨架曲線

根據(jù)圖5得出的各試件骨架曲線如圖6所示，運(yùn)用“通用彎矩屈服法”骨架曲線計(jì)算各骨架曲線特征點(diǎn)［15］，如表2所示。由骨架曲線可有以下結(jié)論：

圖6　試件骨架曲線

表2　 試件骨架曲線特征值

帶墻板KJ2與不帶墻板KJ1相比，正向彈性剛度與峰值荷載分別提高24.7％和39.4％，反向彈性剛度與峰值荷載分別增強(qiáng)33.3%和17.8％，分析其原因說明在彈性階段墻板未發(fā)生滑移變形前，外掛夾心保溫混凝土墻板與主體結(jié)構(gòu)共同受力，結(jié)構(gòu)的彈性剛度得到了提高；隨著加載位移的提高，墻板與鋼框架之間發(fā)生相對(duì)滑移變形，但當(dāng)墻板螺栓滑移至連接節(jié)點(diǎn)邊緣時(shí)，加載后期進(jìn)入大震變形階段，墻板通過連接螺栓的抗剪及節(jié)點(diǎn)的塑性變形參與主體結(jié)構(gòu)受力，導(dǎo)致峰值荷載有所增大。

對(duì)比第一組和第二組兩種不同梁跨高比試件，由于第二組純鋼框架自身剛度比第一組小，導(dǎo)致外掛夾心保溫混凝土墻板對(duì)剛度較小的鋼框架彈性剛度和峰值荷載提高程度更大。

對(duì)比采用普通螺栓和高強(qiáng)螺栓的試件KJ4、KJ5的骨架曲線，兩者基本重合，反映了墻板掛件節(jié)點(diǎn)螺栓類型對(duì)抗側(cè)能力幾乎沒有影響。

帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架與不帶墻板的框架相比，各特征點(diǎn)的承載力均有不同程度的明顯提升，如KJ2的負(fù)向屈服荷載相比于KJ1增大了約47.2%，KJ4、KJ5的正向屈服荷載相比于KJ3分別增大了58%、68.5%。

試件KJ2、KJ4和KJ5的特征位移基本小于KJ1、KJ2，這說明帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架降低了鋼框架的延性。

3.3　強(qiáng)度退化

圖7　同級(jí)荷載強(qiáng)度退化曲線

可以得出試件KJ1～KJ5的正向同級(jí)荷載強(qiáng)度退化系數(shù)基本在0.86～1.14內(nèi)，基本在1左右浮動(dòng)，且變化幅度較?。环聪蛲?jí)荷載強(qiáng)度退化系數(shù)也主要在-1左右。這意味著所有試件的強(qiáng)度退化程度較小，在相同級(jí)別位移荷載下可穩(wěn)定承載。

由圖8結(jié)果可得，試件的總體荷載強(qiáng)度退化系數(shù)在加載前期逐漸增大，在試件位移接近極限位移時(shí)趨于平穩(wěn)，超過極限位移開始下降。在加載過程中，墻板連接節(jié)點(diǎn)處開始出現(xiàn)裂縫時(shí)強(qiáng)度退化細(xì)化沒有下降，結(jié)構(gòu)整體性良好；當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)墻板連接節(jié)點(diǎn)螺栓剪斷、混凝土局部壓碎等破壞時(shí)，強(qiáng)度系數(shù)出現(xiàn)比較大的下降，結(jié)構(gòu)進(jìn)入破壞階段。

圖8　總體荷載強(qiáng)度退化曲線

3.4　剛度退化

表3　 割線剛度計(jì)算結(jié)果

由表3可知，帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架會(huì)提高框架初始剛度，且對(duì)框架自身剛度較柔的結(jié)果提高程度較大。

由圖9可知，前三個(gè)加載循環(huán)后，試件KJ2、KJ4和KJ5的剛度分別下降了23.3%、27.4%和29.1%，而試件KJ1和KJ3下降了10.7%和10.1%，這是因?yàn)橥鈷鞀A心保溫混凝土墻板與主體框架發(fā)生了“平動(dòng)+轉(zhuǎn)動(dòng)”的相對(duì)變形，使得墻板暫未與框架共同受力。加載進(jìn)入大震階段后，由于墻板局部混凝土壓碎、掛件節(jié)點(diǎn)塑性變形、框架梁屈曲變形極大地降低了結(jié)構(gòu)的剛度。

圖9　剛度退化曲線

3.5　延性系數(shù)

分別按照線位移和轉(zhuǎn)角位移計(jì)算得到KJ1～KJ5的延性系數(shù)，如表4所示。

表4　 試件的延性系數(shù)

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）規(guī)定：多高層鋼結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值［e］=1/250≈4 mrad，彈塑性層間位移角限值［p］=1/50≈20 mrad［16］，對(duì)比規(guī)范規(guī)定與各試件的計(jì)算結(jié)果數(shù)值，五榀框架的位移延性系數(shù)在1.44～2.20，彈性極限位移角在（4.36～6.08）［e］，彈塑性極限位移角在（1.53～1.92）［p］，遠(yuǎn)超過《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》限值，且具有一定安全度，同時(shí)滿足《預(yù)制混凝土外掛墻板應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［1］對(duì)墻板節(jié)點(diǎn)滿足設(shè)防地震作用下3倍彈性層間位移角的變形能力要求，說明通過設(shè)置外掛墻板可變形連接節(jié)點(diǎn)，帶外掛夾心保溫混凝土墻板可適用于鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)要求。

3.6　耗能能力

等效粘滯阻尼系數(shù)e按下式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

在同級(jí)加載位移條件下帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架的等效黏滯阻尼系數(shù)比不帶外掛墻板鋼框架大，尤其是加載初期，表明結(jié)構(gòu)整體的耗能能力因墻板作用而有所提高。

試件KJ1～KJ5加載位移/y大約在2時(shí)對(duì)應(yīng)的等效黏滯阻尼系數(shù)e相對(duì)最小。不帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架試件KJ1和試件KJ3在達(dá)到最小值之后隨加載位移的提高而相應(yīng)增大；帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架試件在加載初期的等效黏滯阻尼系數(shù)急速下降，部分有50%的下降幅度，證明了鋼框架與外掛墻板之間發(fā)生了相對(duì)變形而產(chǎn)生的能量耗散。在試驗(yàn)后期（/y>2時(shí)），各試件等效黏滯阻尼系數(shù)e提高速度較快，表明試件耗能量較多。

4 結(jié) 論

（1） 純鋼框架的破壞模式為梁鋼梁翼緣板屈曲變形、梁翼緣板與柱連接對(duì)接焊縫開裂。帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架結(jié)構(gòu)的破壞模式為“先墻板后框架”的形式，加載過程中墻板與框架連接螺栓在掛件節(jié)點(diǎn)預(yù)留槽口中產(chǎn)生滑移變形，當(dāng)螺栓滑移至長(zhǎng)槽口邊緣后出現(xiàn)局部混凝土嚴(yán)重壓碎開裂或螺栓剪切破壞的現(xiàn)象，同時(shí)墻板破壞后鋼梁屈曲變形而框架柱未有明顯破壞，為先墻板后主體框架的破壞機(jī)制，加載至破壞階段時(shí)，墻板未出現(xiàn)墜落現(xiàn)象。

（2） 所采用的外掛夾心保溫混凝土墻板與鋼框架連接節(jié)點(diǎn)連接可靠，并具有一定的柔性變形能力，較好地保持了墻板與框架的協(xié)同受力。上節(jié)點(diǎn)采用不同類型的螺栓在彈性加載階段對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力影響甚微，但高強(qiáng)螺栓能夠提高結(jié)構(gòu)加載前期的耗能能力并且采用高強(qiáng)螺栓連接外掛墻板與鋼框架的承載力較之普通螺栓要高。

（3） 試驗(yàn)構(gòu)件滯回曲線均較為飽滿，表明所有框架都具有良好的抗震性能，且?guī)鈷靿Π蹇蚣艿臏厍€飽滿程度稍許下降。外掛夾心保溫混凝土墻板可以提高框架體系在低周反復(fù)荷載彈性階段框架的剛度和承載能力。當(dāng)進(jìn)入塑性階段時(shí)，墻板通過連接節(jié)點(diǎn)的滑移實(shí)現(xiàn)能量釋放，避免對(duì)主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大不利影響。

（4） 帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架的延性系數(shù)在1.44～2.20，彈性極限位移角在（4.36～6.08）［e］，彈塑性極限位移角在（1.53～1.92）［p］，表明采用設(shè)計(jì)的點(diǎn)式連接節(jié)點(diǎn)帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架結(jié)構(gòu)具有較好的延性，可以滿足抗震設(shè)計(jì)要求。

［1］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ/T 458—2018 預(yù)制混凝土外掛墻板應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2018.

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Experimental Study on Seismic Behavior of Steel Frame Structures with Precast Sandwich Insulation Concrete Fa?ade Panel

MUHong1CHENAnying2，*HUChen1YUJipo2

（1.State Grid Anhui Electric Power Co.，Ltd.，Economic Technology Research Institute， Hefei 230061， China； 2.Hefei University of Technology， Hefei 230009， China）

In order to study the seismic performance of the steel frame with precast sandwich insulation concrete fa?ade panel，the comparative experiment of hollow steel frame and steel frame with precast sandwich insulation concrete fa?ade panel were carried out under low cycle repeated load test， considering the presence or absence of panel， the type of wallboard，the type of point support bolts，etc.The seismic performance of the overall structure， including the hysteresis curve，ductility coefficient and energy dissipation capacity of the frame structure are compared with the failure characteristics of the test piece. The results show that the failure mode of steel frame with external sandwich insulation concrete wallboard is “wallboard before frame”； during the loading process，the connecting bolts of wallboard and frame produce sliding deformation in the reserved slot of hanger joint， when the bolts slide to the edge of the long slot， the local concrete is seriously crushed and cracked or the bolts are sheared， the steel beam buckles and the frame column is not damaged at the same time. The existence of the wall panel can improve the frame lateral bearing capacity during the elastic loading stage，while the joints in the failure stage ensure the overall flexible deformation ability of the structure，so that the wall panel and the frame can be cooperatively deformed， but the wall panel opening will weaken the structure integrity； different types of bolts used in the upper node have little effect on the bearing capacity of the structure during the elastic loading phase.

steel frame， point support， precast sandwich insulation concrete fa?ade panel， low cyclic repeated loading， failure characteristics， seismic performance

2121-02-24

安徽高校協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目（GXXT-2019-005）

穆 弘（1972-），河南開封人，正高級(jí)工程師，碩士研究生，合肥工業(yè)大學(xué)畢業(yè)，研究方向?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)。

聯(lián)系作者：陳安英（1981-），安徽和縣人，副教授，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，博士研究生，東南大學(xué)畢業(yè)，研究方向?yàn)榻ㄖI(yè)化。E-mail：doublemen@126.com