郁有升，梅 燦，雷 鳴

(青島理工大學 土木工程學院,山東 青島 266033)

0引 言

鋼結構具有工業(yè)化程度高、施工周期短、綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展、抗震性能好、使用中易于改造、靈活方便等優(yōu)點，被稱為“綠色建筑”。近年來國家大力推進鋼結構裝配式建筑，帶填充墻的鋼框架結構體系得到廣泛的應用[1-4]。在傳統的框架結構設計中，填充墻只是作為圍護構件，不參與框架結構的抗震計算。然而在框架結構的實際受力過程中，由于填充墻與框架之間的耦連作用，填充墻對框架結構的承載能力、抗側剛度、延性以及耗能能力等方面會產生一定的影響。針對帶填充墻框架結構中填充墻對框架結構受力性能的影響，國內外學者進行了大量的研究工作[5-11]。

目前國內外[12-14]學者普遍認為：在側向荷載作用下，填充墻對框架結構的承載能力和抗側剛度等方面具有提高作用。李國強等[15]對外掛式和內嵌式ALC墻板鋼框架分別進行了水平靜力及低周往復加載試驗，研究ALC墻板對鋼框架結構受力性能的影響。賈連光等[16]利用有限元軟件ABAQUS對不同開洞率的帶填充墻框架結構分別進行了單調荷載、循環(huán)荷載作用下的有限元分析，研究了開洞填充墻的破壞模式以及開洞填充墻對框架結構受力性能的影響。趙欣等[17]根據已有的帶填充墻鋼框架結構理論研究成果，提出了一種適用于結構整體分析的帶填充墻框架有限元模型，并且運用該模型分析了輕質砌體填充墻對鋼框架結構抗震性能的影響。

然而，目前國內外對于蒸壓無石棉纖維素纖維水泥板(Cellulose Fiber Cement Autoclaved Plate，CCA板)填充墻對鋼框架結構受力性能影響的研究還比較少。CCA板填充墻是以冷彎薄壁型鋼為骨架，內嵌EPS泡沫混凝土，兩側分別外裝CCA面板而構成的輕質復合墻體。CCA板填充墻具有輕質高強、保溫隔熱、綠色環(huán)保等優(yōu)點，已成為鋼結構裝配式建筑中選擇的填充墻形式之一。本文通過對純框架和帶CCA板填充墻鋼框架的試驗及有限元對比分析，研究CCA板填充墻對鋼框架結構受力性能的影響以及帶CCA板填充墻鋼框架的受力性能。

1試件設計

本文設計了1榀足尺的單層單跨純框架KJ-1和1榀足尺的單層單跨帶CCA板填充墻鋼框架KJ-2。2榀框架的尺寸均相同，如圖1所示。圖1為試件示意。

試件KJ-1的跨度為1 500 mm，層高為2 000 mm，梁、柱截面尺寸分別為HN300×150×6.5×9，HW200×200×8×12，均采用Q235B鋼。試件KJ-2的框架梁、柱材料和截面均與KJ-1相同，墻體橫龍骨為QC100×50×50×0.6，橫龍骨豎向間距為400 mm,龍骨與框架柱之間采用ZD4.2×19射釘連接。CCA板選用8 mm厚的中密度板，通過自攻螺釘固定在龍骨上，自攻螺釘水平間距為200 mm。CCA板內填充EPS泡沫混凝土，EPS泡沫混凝土配合比參考文獻[18]選用,見表1。

2試驗概況

加載裝置及測量系統布置如圖2所示。試驗過程中使用500 kN液壓水平作動器在柱端施加低周往復荷載。柱頂的力由作動器上的力傳感器讀出，在框架柱不同高度處對稱布置了8個位移計，即WY1～WY8，其中位移計WY1和WY5用于測量地梁的滑移，WY9用于測量柱頂的側向位移。

圖3為試驗現場照片。水平作動器一端與反力墻固定，一端通過高強螺栓與柱頂連接，水平荷載的作用線與框架梁的形心線重合。參考規(guī)范[19]規(guī)定的鋼框架結構彈性階段以及塑性階段層間側移值設計了本試驗加載制度。位移角達到1/500 rad之前，每級循環(huán)1次。位移角達到1/500 rad之后，每級循環(huán)2次。當水平荷載下降至峰值荷載的85%以下時，停止加載，試驗結束。位移加載制度如圖4所示。

3試驗結果與分析

3.1試驗現象

2榀試件的破壞形態(tài)分別如圖5(a)，(b)所示。

試件KJ-1：當位移角在1/100 rad范圍內時，鋼框架處于彈性階段，無明顯試驗現象；當位移角達到1/28.6 rad時，節(jié)點域變形嚴重；當位移角達到1/25 rad時，地梁東側端部下翼緣屈曲、腹板開裂，

試件承載力下降較多；當位移角達到1/21.9 rad時，腹板進一步開裂，地梁翼緣屈曲嚴重，水平荷載下降至峰值荷載的85%以下，停止加載，試驗結束。

試件KJ-2：當位移角在1/250 rad范圍內時，鋼框架與CCA板填充墻均處于彈性階段，無明顯試驗現象；當位移角達到1/200 rad時，CCA板接縫處硅酮密封膠出現輕微裂縫，同時由于CCA板與龍骨間小滑移摩擦，試件發(fā)出吱吱的響聲；當位移角達到1/125 rad時，CCA板表面出現1條裂縫，自攻螺釘周圍CCA板出現擠壓開裂；當位移角達到1/50 rad時,自攻螺釘周圍CCA板擠壓開裂更加明顯，并且向外延伸，CCA板角部出現輕微裂縫；當位移角達到1/33.3 rad時，CCA板角部被完全壓碎，自攻螺釘周圍CCA板完全開裂；當位移角達到1/22.2 rad時，頂梁腹板、翼緣屈服，CCA板角部斜裂縫繼續(xù)延伸并且部分CCA板脫落；當位移角達到1/20.6 rad時，頂梁屈曲較大，水平荷載下降至峰值荷載的85%以下，停止加載，試驗結束。

3.2滯回曲線

滯回曲線是在循環(huán)往復荷載作用下反映結構承載能力、剛度退化以及能量消耗的曲線。各試件的滯回曲線如圖6所示，其中，F1為荷載，Δ為位移。

由圖6可知：試件處于彈性階段時，卸載后試件變形可恢復。試件進入非彈性階段，卸載后試件出現殘余變形，殘余變形隨著循環(huán)荷載的增加不斷增大。試件KJ-1與KJ-2均具有飽滿的滯回曲線，表現出良好的滯回性能。試件KJ-2在加載過程中，由于EPS混凝土壓碎，CCA板出現一定的滑移，滯回曲線呈現由梭形向弓字形發(fā)展的趨勢。與試件KJ-1相比，試件KJ-2的滯回曲線更加飽滿，表明CCA板填充墻參與了試件KJ-2的滯回耗能，對試件KJ-2的耗能能力具有提高作用。在位移角相同的情況下，試件KJ-2比KJ-1能夠承擔更大的荷載，表明CCA板填充墻對試件KJ-2的承載能力具有提高作用。

3.3剛度退化

每一個滯回環(huán)峰值點的割線剛度反映循環(huán)往復荷載作用下試件側向剛度的變化情況，2榀試件的剛度K退化曲線如圖7所示。各階段2榀試件的割線剛度見表2。

由圖7中KJ-1剛度退化曲線可知：當位移角在0～1/100 rad范圍內時，試件KJ-1的剛度近似為一條直線，試件KJ-1處于彈性階段，剛度無太大變化。當位移角達到1/100 rad之后，試件KJ-1進入非彈性階段，剛度曲線出現明顯的下降段。隨著位移角的逐步增加，試件KJ-1的剛度也逐漸降低。當位移角達到1/33.3 rad之后，試件KJ-1的剛度退化速率逐漸減小。與初始剛度相比，當位移角為1/33.3 rad時，試件KJ-1的剛度下降了43%；試驗加載結束時，試件KJ-1的剛度下降了約57%。

表2各階段試件的割線剛度Tab.2Secant Stiffness of Specimens in Different Stages

注：K0，Ky，Ku分別為初始剛度、屈服荷載對應的剛度和極限荷載對應的割線剛度；η1為帶CCA板填充墻鋼框架的初始剛度與純鋼框架初始剛度的比值。

由圖7中KJ-2剛度退化曲線可知：當位移角在0～1/150 rad范圍內時，試件KJ-2的剛度近似為一條直線。當位移角達到1/125 rad時，試件KJ-2的剛度退化曲線出現明顯下降段。隨著位移角的逐步增加，試件KJ-2的剛度逐漸降低。在位移角達到1/33.3 rad之前，CCA板填充墻、鋼框架共同提供整體結構的剛度。當位移角達到1/33.3 rad之后，試件KJ-2的剛度退化速率逐漸減小，整體結構的剛度主要由鋼框架提供。與初始剛度相比，位移角為1/33.3 rad時，試件KJ-2的剛度下降了約65%；試驗加載結束時，試件KJ-2的剛度下降了約76%。

由表2和圖7可知：試件KJ-2的初始剛度是KJ-1的1.85倍，表明CCA板填充墻對鋼框架結構的初始剛度有提高作用。當位移角達到某一限值時，CCA板填充墻的損壞會引起試件KJ-2的剛度發(fā)生突變，并且在同級荷載循環(huán)中，試件KJ-2的剛度退化速率大于KJ-1。當位移角達到1/33.3 rad之后，2榀試件的剛度退化速率基本一致并且具有相近的剛度。

3.4耗能能力

參照《建筑抗震試驗規(guī)程》(JGJ/T 101—2015)[20]，根據試件在各級加載第1次循環(huán)的滯回曲線計算試件的等效黏滯阻尼系數。采用等效黏滯阻尼系數衡量框架結構耗能能力的高低，等效黏滯阻尼系數越大，說明結構在側向荷載作用下耗能能力越強。各級荷載第1次循環(huán)對應的等效黏滯阻尼系數見表3。各試件等效黏滯阻尼系數對比如圖8所示。

表3各級荷載第1次循環(huán)對應的等效黏滯阻尼系數Tab.3Equivalent Viscous Damping Coefficients of the First Cycle of Loading

由表3和圖8可知：隨著位移角的逐漸增大，各試件的等效黏滯阻尼系數也逐漸增大。當位移角在1/100～1/33.3 rad范圍內時，與試件KJ-1相比，由于CCA板填充墻參與了鋼框架結構的滯回耗能，試件KJ-2等效黏滯阻尼系數增長幅度較大。當位移角為1/66.7 rad時，試件KJ-2的等效黏滯阻尼系數大約是KJ-1的2倍。隨著位移角的增大，由于CCA板填充墻的局部破壞，試件KJ-2的等效黏滯阻尼系數增長速率逐漸減小。在位移角達到1/33.3 rad之后，2榀試件的等效黏滯阻尼系數逐漸接近。試驗數據表明，當位移角在1/100～1/33.3 rad范圍內時，CCA板填充墻參與鋼框架結構的滯回耗能，對鋼框架結構的耗能能力具有提高作用。

4有限元結果與分析

4.1有限元模型建立

為了深入研究內嵌式CCA板填充墻對鋼框架結構受力性能的影響，利用有限元軟件ABAQUS建立了帶CCA板填充墻鋼框架的數值模型。

框架梁、柱、加勁肋、CCA板均采用C3D8R實體單元，龍骨采用S4R殼單元。C3D8R實體單元是細網格劃分的線性減縮積分單元，對大應變積分模型計算速度快，分析結果準確。S4R殼單元是線性有限薄膜應變四邊形單元，屬于一般殼單元，在大變形分析中單元局部材料軸隨材料各積分點上的平均運動而轉動。采用“TIE”模擬框架柱與龍骨、龍骨與CCA板的連接，使各連接處X，Y，Z方向平動耦合，不限制轉動。約束耦合柱翼緣和頂梁所有節(jié)點沿Y方向的自由度，并在耦合點施加低周往復荷載。有限元模擬采用與試驗相同的加載制度。對柱底施加所有方向的自由度約束，為限制墻體的平面外失穩(wěn)，約束框架X向位移。純框架和帶CCA板填充墻鋼框架的有限元模型如圖9，10所示。

4.2對比分析結果

4.2.1骨架曲線

圖11為2榀試件骨架曲線的有限元模擬與試驗結果對比。由圖11可知，2榀試件骨架曲線的有限元模擬與試驗結果基本吻合，但存在微小的差別。有限元模擬結果與試驗結果存在微小差別的主要原因是有限元模擬中框架柱腳的約束條件與試驗中框架柱腳的約束條件存在一定的差異，而且有限元模擬中沒有考慮鋼框架結構的平面外位移。

4.2.2滯回曲線

圖12，13分別為2榀試件滯回曲線的有限元模擬和試驗結果對比。由圖12，13可知，2榀試件滯回曲線有限元模擬和試驗結果基本吻合。本文所建立的帶CCA板填充墻鋼框架模型能夠準確有效地模擬帶CCA板填充墻鋼框架的受力性能。

由2榀試件滯回曲線有限元模擬和試驗結果的對比分析可以得出，帶CCA板填充墻鋼框架在循環(huán)荷載作用下的滯回曲線呈梭形，表明帶CCA板填充墻鋼框架的滯回性能較好。與純框架的滯回曲線相比，帶CCA板填充墻鋼框架的滯回曲線更加飽滿，表明CCA板填充墻參與了鋼框架結構的滯回耗能，對帶CCA板填充墻鋼框架的耗能能力具有提高作用。在位移角相同的情況下，帶CCA板填充墻鋼框架比純框架能夠承受更大的荷載，表明CCA板填充墻對鋼框架結構的承載能力具有提高作用。

4.2.3剛度退化

圖14為2榀試件剛度退化曲線的有限元模擬和試驗結果對比。

由圖14可知，有限元模擬的試件剛度退化趨勢與試驗結果基本一致，但是有限元模擬所得的鋼框架結構初始剛度較大，這是由于有限元模型的建立未考慮CCA板填充墻與鋼框架之間存在的初始間隙，假定其為密實連接。這種處理方法在一定程度上提高了帶CCA板填充墻鋼框架的初始剛度。當帶CCA板填充墻鋼框架在側向荷載作用下的位移角達到一定數值后，CCA板填充墻與鋼框架之間的初始間隙就會閉合，兩者成為一個整體共同提供整體結構的剛度，此時有限元模擬的剛度退化曲線和試驗結果基本吻合。

由2榀試件剛度退化曲線有限元模擬和試驗結果的對比分析可以得出，帶CCA板填充墻鋼框架的初始剛度大于純框架，表明CCA板填充墻對鋼框架結構的初始剛度具有提高作用。當位移角處于1/100～1/33.3 rad時，由于CCA板填充墻的開裂及局部破壞，帶CCA板填充墻鋼框架的剛度退化速率大于純框架。隨著位移角的逐漸增加，帶CCA板填充墻鋼框架和純框架的剛度退化速率基本一致，并且具有相近的剛度。

5結語

(1)在低周往復荷載作用下，CCA板填充墻提高了鋼框架結構的承載能力、抗側剛度。

(2)CCA板填充墻參與了鋼框架結構的滯回耗能，帶CCA板填充墻鋼框架的累積耗能能力明顯優(yōu)于純框架。

(3)與純框架相比，帶CCA板填充墻鋼框架的初始剛度有所提高。當位移角達到某一限值時，CCA板填充墻的損壞會引起鋼框架結構的剛度發(fā)生突變，鋼框架結構非彈性設計不應考慮CCA板填充墻對鋼框架結構剛度的提高作用。

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