王如偉，曹萬林，殷 飛

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院， 北京 100124)

0 引言

在我國大力倡導(dǎo)建筑工業(yè)化、促進(jìn)裝配式結(jié)構(gòu)發(fā)展的背景下，裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)體系因其加工精確度高、施工準(zhǔn)確度好，近年來得到了快速發(fā)展。與裝配式鋼框架配套的墻體結(jié)構(gòu)，也逐漸得到了專家學(xué)者的關(guān)注。

現(xiàn)階段主要存在的鋼框架裝配墻板的結(jié)構(gòu)形式為裝配式外掛墻板結(jié)構(gòu)與裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)。裝配式外掛墻板一般采用簡(jiǎn)易的安裝方式，施工便捷，但安裝連接的可靠性是外掛墻板的關(guān)鍵問題，專家學(xué)者針對(duì)這一問題進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)、理論分析[1-3]。裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)可承擔(dān)結(jié)構(gòu)中大部分側(cè)向荷載，顯著提高了結(jié)構(gòu)的水平承載力[4-5]，其在鋼框架內(nèi)的性能也得到了專家學(xué)者的試驗(yàn)及理論驗(yàn)證[6-9]。

近年來，筆者課題組[10-13]在鋼框架與墻體裝配方面，進(jìn)行了裝配式墻體不同構(gòu)造形式、不同裝配連接形式的擬靜力試驗(yàn)，研究了裝配式鋼框架-墻體結(jié)構(gòu)的抗震性能。但已有研究均未涉及到墻體在鋼框架內(nèi)的嵌入深度對(duì)整體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。本文通過改變裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復(fù)合墻結(jié)構(gòu)中復(fù)合墻不同的嵌入深度，研究嵌入深度對(duì)裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復(fù)合墻結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復(fù)合墻結(jié)構(gòu)由輕鋼框架、XPS夾心保溫復(fù)合墻通過螺栓連接而成，輕鋼框架由鋼管混凝土柱、H型鋼梁通過螺栓連接而成，整個(gè)結(jié)構(gòu)全裝配式連接。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了3個(gè)足尺試件，試件編號(hào)為FW-150，F(xiàn)W-60和BF，其中，試件FW-150，F(xiàn)W-60分別表示復(fù)合墻在輕鋼框架內(nèi)的嵌入深度為150mm和60mm，試件BF為空框架試件。

各試件的輕鋼框架部分與復(fù)合墻部分的構(gòu)造完全相同，以試件FW-150為例，試件外形尺寸及構(gòu)造如圖1所示。輕鋼框架鋼管混凝土柱截面為□150×150×6，H型鋼梁截面為H200×150×6×9。復(fù)合墻由內(nèi)外頁各60mm厚鋼筋混凝土層及80mm厚XPS保溫材料層組成，總厚度為200mm。復(fù)合墻鋼筋分別在內(nèi)外頁混凝土層內(nèi)居中布置，豎向及水平向鋼筋直徑均為5mm，鋼筋間距為150mm。墻體四周設(shè)置寬度為80mm，厚度等于墻體厚度的鋼筋混凝土加強(qiáng)邊框，在加強(qiáng)邊框內(nèi)定位布置連接螺栓?；炷翝仓?，連接螺栓部分澆筑在墻體內(nèi)部，剩余螺桿裸露在墻體外部。沿輕鋼框架內(nèi)側(cè)焊接帶有螺栓孔的連接角鋼，復(fù)合墻嵌入深度不同，連接角鋼焊接位置不同。連接螺栓與連接角鋼為復(fù)合墻與框架節(jié)點(diǎn)的主要連接構(gòu)造。裝配時(shí)，復(fù)合墻上的預(yù)埋螺栓穿過連接角鋼上的螺栓孔后擰緊，完成整體結(jié)構(gòu)的裝配。

圖1 試件外形尺寸及構(gòu)造

結(jié)構(gòu)裝配完成后，試件FW-150的復(fù)合墻，除50mm厚外頁鋼筋混凝土層外，其余部分全部嵌入150mm寬的輕鋼框架內(nèi)。試件FW-60，除60mm厚內(nèi)頁鋼筋混凝土層嵌入輕鋼框架內(nèi)，其余部分全部懸挑在輕鋼框架外。兩個(gè)試件復(fù)合墻四周與輕鋼框架之間均保留10mm施工縫。

1.2 材料屬性

本試驗(yàn)全部采用再生混凝土，鋼管混凝土柱與復(fù)合墻采用不同再生混凝土配合比，如表1所示。再生粗骨料來自北京某公司，粒徑為5～10mm，再生粗骨料取代率為100%。細(xì)骨料采用天然商品砂。混凝土的澆筑養(yǎng)護(hù)在中國地震局工程力學(xué)研究所恢先綜合實(shí)驗(yàn)室完成。制作混凝土軸心受壓試塊，與鋼管混凝土柱、復(fù)合墻同條件下養(yǎng)護(hù)，試件加載時(shí)測(cè)得試塊抗壓強(qiáng)度平均值分別為46.5，23.1MPa。

再生混凝土配合比 表1

復(fù)合墻板XPS夾心保溫材料采用絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料(XPS)。XPS保溫板材燃燒性能依據(jù)《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》(GB 8624—2012)[14]檢測(cè)，測(cè)得氧指數(shù)28.6%，燃燒等級(jí)達(dá)到B2(E)級(jí)。

鋼管混凝土柱鋼材采用冷彎薄壁方鋼管，H型鋼梁、連接角鋼鋼材采用熱軋型鋼，復(fù)合墻配筋采用冷拔螺紋鋼筋。鋼材規(guī)格及材性試驗(yàn)結(jié)果見表2。

鋼材力學(xué)性能 表2

1.3 加載方案

采用擬靜力試驗(yàn)方法，對(duì)試件進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，加載裝置如圖2所示。采用高強(qiáng)螺栓將試件與基礎(chǔ)鋼梁緊固連接，采用地錨螺栓將基礎(chǔ)鋼梁固定于地面。加載時(shí)，首先在輕鋼框架的每根框架柱頂部施加500kN的豎向荷載，并在試驗(yàn)過程中保持恒定，然后沿試件H型鋼梁水平軸線位置施加水平荷載。

圖2 加載裝置

水平荷載采用位移控制，控制位移取水平加載點(diǎn)實(shí)測(cè)位移。加載制度為：加載到1/500位移角之前，加載位移增量為1/2 500；加載到1/500位移角到1/50位移角之間，加載位移增量為1/500；加載到1/50位移角之后，加載位移增量為3/500。試驗(yàn)過程中，加載速率保持一致，每級(jí)加載循環(huán)2次。荷載降低到85%或結(jié)構(gòu)喪失承載能力時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。規(guī)定千斤頂推出時(shí)水平力為正。

1.4 測(cè)點(diǎn)布置

采用IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集加載過程中試件的荷載、位移以及應(yīng)變數(shù)據(jù)，觀測(cè)并記錄試件裂縫開展及損傷情況。圖3為位移計(jì)及應(yīng)變片布置，圖中位移計(jì)D1，D2用于測(cè)量試件南、北加載點(diǎn)位移，位移計(jì)D3，D4用于測(cè)量試件南、北柱腳相對(duì)滑移，位移計(jì)D5用于測(cè)量基礎(chǔ)相對(duì)滑移；鋼管混凝土柱應(yīng)變測(cè)點(diǎn)編號(hào)為Z1～Z8，每一測(cè)點(diǎn)布置水平及豎向應(yīng)變片，應(yīng)變片分別編號(hào)為Z1x～Z8x及Z1y～Z8y，H型鋼梁應(yīng)變片編號(hào)為L(zhǎng)1～L4；輕鋼框架與復(fù)合墻連接角鋼應(yīng)變片編號(hào)為J1～J12。

圖3 位移計(jì)及應(yīng)變片布置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及損傷演化過程

2.1.1 試件FW-150

試件FW-150的破壞特征及滯回曲線如圖4所示。加載位移為2.13mm(點(diǎn)1)時(shí)，框架-復(fù)合墻底部水平節(jié)點(diǎn)連接螺栓出現(xiàn)輕微滑移；加載位移為5.36mm時(shí)，復(fù)合墻右下角出現(xiàn)第一條混凝土裂縫。之后隨著加載位移的增大，多處水平及豎向節(jié)點(diǎn)連接螺栓滑移且逐漸增大，連接角鋼出現(xiàn)屈曲變形。加載位移為38.14mm(點(diǎn)2)時(shí)，框架、復(fù)合墻之間相互擠壓協(xié)同變形，試件承載力出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)。加載位移大于54.73mm(點(diǎn)3)后，復(fù)合墻節(jié)點(diǎn)部位混凝土壓碎掉渣，節(jié)點(diǎn)逐漸失去連接作用，試件承載力保持穩(wěn)定，停止增長(zhǎng)。加載位移超過71.02mm(點(diǎn)4)時(shí)，復(fù)合墻應(yīng)力重分布，試件承載力繼續(xù)上升。加載位移為86.99mm(點(diǎn)5)時(shí)，復(fù)合墻內(nèi)部出現(xiàn)較長(zhǎng)斜裂縫，試件承載力降低。5個(gè)曲線特征點(diǎn)將試件FW-150損傷過程分為6個(gè)階段：彈性階段、連接構(gòu)造損傷階段、框架-復(fù)合墻共同受力階段、節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土損傷階段、應(yīng)力重分布階段和承載力下降階段。

圖4 試件FW-150破壞特征及滯回曲線

2.1.2 試件FW-60

試件FW-60的破壞特征及滯回曲線如圖5所示。加載位移為2.37mm(點(diǎn)1)時(shí)，框架-復(fù)合墻豎向節(jié)點(diǎn)連接螺栓滑移；加載位移為4.45mm時(shí)，復(fù)合墻右上角出現(xiàn)裂縫。隨后加載中，連接構(gòu)造損傷明顯，連接螺栓滑移及連接角鋼屈曲變形。加載位移為22.07mm(點(diǎn)2)時(shí)，復(fù)合墻四角裂縫明顯增多，試件承載力增長(zhǎng)加快。加載位移大于32.74mm(點(diǎn)3)后，節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土損傷加劇。加載位移為43.79mm(點(diǎn)4)時(shí)，試件承載力達(dá)到最大，之后承載力開始下降。4個(gè)曲線特征點(diǎn)將試件FW-60損傷過程分為5個(gè)階段：彈性階段、連接構(gòu)造損傷階段、框架-復(fù)合墻共同受力階段、節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土損傷階段和承載力下降階段。

圖5 試件FW-60破壞特征及滯回曲線

2.1.3 試件BF

試件BF的破壞特征及滯回曲線如圖6所示。加載過程中，試件BF發(fā)生整體彎曲變形，當(dāng)加載位移較大時(shí)，柱腳鋼管發(fā)生明顯的鼓曲變形，試驗(yàn)結(jié)束。試件BF滯回曲線經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性增長(zhǎng)階段及塑性變形階段。

圖6 試件BF破壞特征及滯回曲線

2.2 骨架曲線對(duì)比

圖7為各試件骨架曲線對(duì)比圖。由圖7可知，各試件承載能力及變形能力顯著不同，復(fù)合墻嵌入輕鋼框架內(nèi)的深度對(duì)裝配式輕鋼框架結(jié)構(gòu)骨架曲線存在明顯影響。另外，與空框架試件相比，XPS夾心保溫復(fù)合墻的嵌入極大地提高了裝配式輕鋼框架結(jié)構(gòu)的承載能力。

圖7 骨架曲線對(duì)比

2.3 承載力與變形

表3為各試件荷載、位移特征值。《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 50936—2014)[15]規(guī)定：鋼管混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值為1/100，為分析本文提出的裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復(fù)合墻結(jié)構(gòu)承載力及延性，在表3中取各試件位移角為1%時(shí)荷載值作為對(duì)比，相應(yīng)位移Δ0.01為27.83mm。

各試件荷載、位移特征值 表3

比較表3中各特征值可知：

(1)試件FW-60的開裂位移值比試件FW-150開裂位移值減小了23.6%，相應(yīng)開裂荷載也減小了10.3%。試件FW-60外頁鋼筋混凝土層中心距離框架邊緣懸挑110mm，而試件FW-150外頁鋼筋混凝土層中心懸挑距離為20mm，因此試件FW-60外頁鋼筋混凝土層對(duì)復(fù)合墻節(jié)點(diǎn)區(qū)彎矩作用大于試件FW-150，使試件FW-150節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土在應(yīng)力作用下受拉較早開裂。

(2)試件FW-150，F(xiàn)W-60，BF的峰值荷載比為7.06∶4.50∶1，試件FW-150，F(xiàn)W-60的峰值荷載明顯大于試件BF的峰值荷載，說明XPS夾心保溫復(fù)合墻的嵌入顯著提高了裝配式輕鋼框架的承載能力，且復(fù)合墻嵌入深度越大，對(duì)承載力的提高越顯著。

(3)相比于試件FW-60，試件FW-150峰值荷載增大了0.57倍，峰值位移增大了0.91倍，因?yàn)樵嚰﨔W-60僅60mm厚內(nèi)頁鋼筋混凝土層嵌入輕鋼框架一側(cè)，其復(fù)合墻在節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土損傷后，內(nèi)頁鋼筋混凝土層對(duì)框架的支撐作用達(dá)到最大值，試件承載力達(dá)到最大值；而試件FW-150復(fù)合墻在節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土損傷后，隨著加載位移的增大，復(fù)合墻內(nèi)頁及部分外頁鋼筋混凝土層在框架內(nèi)，與框架相互擠壓，仍能夠繼續(xù)承擔(dān)水平荷載，為框架提供較大的支撐作用，因此試件FW-150峰值位移、峰值荷載相對(duì)試件FW-60均顯著增大。

(4)試件FW-150，F(xiàn)W-60，BF的峰值位移比為1.16∶0.59∶1，說明XPS夾心保溫復(fù)合墻在輕鋼框架內(nèi)嵌入深度的不同，對(duì)裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復(fù)合墻結(jié)構(gòu)的延性具有顯著影響。

(5)試件FW-150，F(xiàn)W-60的有效破壞位移均大于位移角為1%對(duì)應(yīng)的位移，說明試件FW-150，F(xiàn)W-60的變形滿足實(shí)際工程抗震設(shè)計(jì)的彈塑性位移角要求。

2.4 承載力退化

圖8為各試件承載力退化曲線，圖8中承載力降低系數(shù)η=F1/F2，F(xiàn)1，F(xiàn)2分別為同一位移幅值下第一、二次循環(huán)的峰值點(diǎn)荷載值。

由圖8可知：在加載位移角θ到達(dá)1%之前，試件FW-150及試件FW-60的承載力降低系數(shù)均大于0.90，說明位移角為1%之前，裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復(fù)合墻結(jié)構(gòu)承載力具有良好的穩(wěn)定性。位移角為1%之后，試件FW-60的承載力降低系數(shù)明顯小于試件FW-150，說明復(fù)合墻內(nèi)嵌深度越大，結(jié)構(gòu)的承載力穩(wěn)定性越好。同時(shí)，兩個(gè)試件在到達(dá)其峰值荷載之前，承載力退化系數(shù)均大于0.85，說明試件到達(dá)峰值荷載前，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移變形損傷不會(huì)對(duì)承載力造成較大波動(dòng)。

圖8 承載力退化曲線

2.5 剛度退化

圖9為各試件剛度退化曲線，圖中Ki為第i級(jí)循環(huán)對(duì)應(yīng)的割線剛度，計(jì)算公式為：

式中：i為循環(huán)級(jí)數(shù)；Fi為第i級(jí)循環(huán)對(duì)應(yīng)的峰值荷載，+，-分別表示正向及負(fù)向水平力。

由圖9可知：相同位移下，比較試件FW-150與試件FW-60剛度，位移角為0.4%之前，前者剛度明顯大于后者；位移角為0.4%～1.2%內(nèi)，兩個(gè)試件剛度值接近；位移角大于1.2%后，試件FW-60 剛度退化開始大于試件FW-150。因?yàn)閮蓚€(gè)試件在輕鋼框架內(nèi)嵌入深度不同，位移角為0.4%之前，試件FW-150復(fù)合墻對(duì)框架支撐作用更大；位移角為0.4%～1.2%內(nèi)，復(fù)合墻與框架之間通過節(jié)點(diǎn)構(gòu)造傳遞荷載抵抗水平力作用，嵌入深度不影響節(jié)點(diǎn)區(qū)力的傳遞，因此剛度相差不大；位移角大于1.2%后，試件節(jié)點(diǎn)區(qū)開始明顯損傷，復(fù)合墻與框架直接接觸傳遞荷載，復(fù)合墻嵌入深度越小，對(duì)剛度貢獻(xiàn)越小，剛度下降越大。因此，復(fù)合墻在輕鋼框架內(nèi)嵌入深度不同，對(duì)試件在不同位移下剛度的影響不同。另外，整個(gè)加載過程中，試件FW-150，F(xiàn)W-60剛度明顯大于空框架試件BF的剛度，說明XPS夾心保溫復(fù)合墻的嵌入顯著提高了輕鋼框架的剛度。

圖9 剛度退化曲線

2.6 耗能能力

圖10為各試件累積耗能曲線。由圖10可知：1)相同位移下，試件FW-150的累積耗能曲線與試件FW-60累積耗能曲線相近，均明顯大于試件BF的累積耗能。2)試件FW-150在整個(gè)加載過程中的累積總耗能為試件FW-60累積總耗能的2.4倍，因此試件FW-60節(jié)點(diǎn)構(gòu)造損傷，失去連接作用后，試件破壞無法繼續(xù)耗能，因此整體總耗能較小，但其累積總耗能值仍為空框架試件的1.6倍，復(fù)合墻的嵌入增大了輕鋼框架的耗能能力。

圖10 累計(jì)耗能曲線

2.7 應(yīng)變分析

取各試件柱腳測(cè)點(diǎn)Z3、梁端測(cè)點(diǎn)L4，繪制的應(yīng)變骨架曲線見圖11。由圖11可知，從豎向應(yīng)變來看，各試件的柱腳均能在試件達(dá)到其峰值荷載之前屈服，說明各試件均能在輕鋼框架柱腳位置形成塑性鉸。另外，試件FW-150柱腳環(huán)向應(yīng)變達(dá)到屈服應(yīng)變，試件FW-60及試件BF的柱腳環(huán)向應(yīng)變也可以達(dá)到較高的水平，說明鋼管對(duì)混凝土提供了有效的約束作用。對(duì)于梁端應(yīng)變，試件FW-150與試件BF梁端上下翼緣在其峰值荷載前屈服，因此梁端位置也形成了塑性鉸，試件FW-60梁端上翼緣屈服，下翼緣達(dá)到較高應(yīng)力水平，接近塑性鉸狀態(tài)。

圖11 柱腳、梁端應(yīng)變骨架曲線

取試件FW-150及試件FW-60連接角鋼測(cè)點(diǎn)J4，J6，J11及J12，繪制的應(yīng)變骨架曲線見圖12。由圖12可知：各試件應(yīng)變骨架曲線趨勢(shì)沿對(duì)稱軸大體一致，連接角鋼在加載過程中具有良好的滯回性能和協(xié)同工作性能。可以看出，水平荷載達(dá)到300kN左右時(shí)，試件FW-150與試件FW-60測(cè)點(diǎn)應(yīng)變已達(dá)到屈服應(yīng)變且部分達(dá)到較大應(yīng)變，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象可知，裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復(fù)合墻連接角鋼在結(jié)構(gòu)承受水平荷載超過300kN后，連接角鋼僅起到連接作用，對(duì)結(jié)構(gòu)承載力不再有貢獻(xiàn)。

圖12 連接角鋼應(yīng)變骨架曲線

3 結(jié)論

本文提出了一種裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復(fù)合墻結(jié)構(gòu)，分析了復(fù)合墻在框架內(nèi)的嵌入深度對(duì)裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復(fù)合墻結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，主要結(jié)論如下：

(1)復(fù)合墻嵌入輕鋼框架內(nèi)能夠顯著提高試件的承載力，復(fù)合墻與輕鋼框架具有良好的協(xié)同工作性能，是重要的抗側(cè)力構(gòu)件。墻板的嵌入深度對(duì)裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復(fù)合墻結(jié)構(gòu)性能存在明顯影響。

(2)復(fù)合墻內(nèi)嵌150mm試件比復(fù)合墻內(nèi)嵌60mm試件峰值荷載增大了0.57倍，峰值位移增大了0.91倍，說明復(fù)合墻在輕鋼框架內(nèi)的嵌入深度對(duì)結(jié)構(gòu)峰值荷載及位移具有顯著影響。

(3)裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復(fù)合墻結(jié)構(gòu)有效破壞位移大于位移角1%對(duì)應(yīng)的位移，結(jié)構(gòu)延性滿足實(shí)際工程抗震設(shè)計(jì)的彈塑性位移角要求。

(4)試件到達(dá)峰值荷載前，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移變形損傷不會(huì)對(duì)承載力造成較大波動(dòng)，裝配式輕鋼框架-XPS夾心保溫復(fù)合墻結(jié)構(gòu)具有良好的承載力穩(wěn)定性。